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0 發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)簡(jiǎn)介

大容量發(fā)電機(jī)通常采用水氫氫冷卻方式,即定子線(xiàn)圈采用水冷,定子鐵芯和轉(zhuǎn)子采用氫氣冷卻。采用水氫氫方式冷卻的發(fā)電機(jī)需要配置一密封油系統(tǒng)。密封油系統(tǒng)的主要作用是向發(fā)電機(jī)汽端和勵(lì)端密封瓦處提供密封油,將氫氣密封在發(fā)電機(jī)殼體內(nèi)。密封油系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)密封瓦所提供的油壓,通常要高于發(fā)電機(jī)內(nèi)氫壓一定數(shù)量值(0.056±0.02MPa),以防止發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣沿轉(zhuǎn)軸與密封瓦之間的間隙向外泄漏,同時(shí)也防止油壓過(guò)高而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)大量進(jìn)油。根據(jù)密封瓦的結(jié)構(gòu)形式,最常見(jiàn)的密封油系統(tǒng)分為單流環(huán)式密封油系統(tǒng)和雙流環(huán)式密封油系統(tǒng),我公司所設(shè)計(jì)和生產(chǎn)密封油系統(tǒng)通常為單流環(huán)式密封油系統(tǒng)。由于密封油系統(tǒng)主要用于密封氫氣,因此要求密封油系統(tǒng)具備高可靠性,在系統(tǒng)部分元件出現(xiàn)故障時(shí),仍然能確保將氫氣密封在發(fā)電機(jī)內(nèi)。本文將以我公司300MW級(jí)氫冷發(fā)電機(jī)為例,對(duì)密封油系統(tǒng)的正常運(yùn)行方式和故障運(yùn)行方式進(jìn)行簡(jiǎn)介。

1 密封油系統(tǒng)的正常運(yùn)行方式

密封油系統(tǒng)在所有設(shè)備均正常的情況下,其運(yùn)行回路如下：

潤(rùn)滑油系統(tǒng)供油管(油源)→真空油箱→交流主密封油泵→過(guò)濾器→差壓閥→發(fā)電機(jī)密封瓦→氫側(cè)排油(空側(cè)排油不經(jīng)擴(kuò)大槽和浮子油箱直接回空氣抽出槽)→擴(kuò)大槽→浮子油箱→空氣抽出槽→潤(rùn)滑油系統(tǒng)套裝回油管→汽輪機(jī)主油箱→潤(rùn)滑油系統(tǒng)供油管(油源)。典型的密封油系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示：

圖1 典型的密封油系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

通過(guò)以上運(yùn)行回路可以發(fā)現(xiàn),密封油系統(tǒng)是一個(gè)大循環(huán)密閉系統(tǒng),一直在進(jìn)行周而復(fù)始的循環(huán)工作。

密封油系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)中設(shè)置的真空油箱以及真空泵可以將進(jìn)入發(fā)電機(jī)密封瓦的密封油進(jìn)行凈化處理,其原理是通過(guò)抽真空的方式將密封油中含水的水氣予以去除,避免含有水分的密封油和氫氣接觸后污染氫氣,導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度不斷下降,影響發(fā)電機(jī)出力。

2 直流油泵運(yùn)行下的故障運(yùn)行方式

當(dāng)密封油系統(tǒng)發(fā)生故障,如真空油箱浮球閥卡澀、真空油箱液位過(guò)低、兩臺(tái)交流主密封油泵故障時(shí),此時(shí)密封油系統(tǒng)將需要啟動(dòng)直流油泵,進(jìn)入到事故運(yùn)行回路,具體運(yùn)行回路如下：

潤(rùn)滑油系統(tǒng)供油管(油源)→事故密封油泵(直流泵)→濾油器→差壓閥→發(fā)電機(jī)密封瓦→氫側(cè)排油(空側(cè)排油不經(jīng)擴(kuò)大槽和浮子油箱直接回空氣抽出槽)→擴(kuò)大槽→浮子油箱→空氣抽出槽→潤(rùn)滑油系統(tǒng)套裝回油管→汽輪機(jī)主油箱→潤(rùn)滑油系統(tǒng)供油管(油源)。直流油泵運(yùn)行下的故障運(yùn)行方式簡(jiǎn)圖如圖2所示：

圖2 直流油泵運(yùn)行下的故障運(yùn)行方式簡(jiǎn)圖

當(dāng)采用事故密封油泵運(yùn)行密封油系統(tǒng)時(shí),雖然整個(gè)密封油系統(tǒng)的功能不會(huì)有影響,但由于此時(shí)密封油將不經(jīng)過(guò)真空油箱,無(wú)法進(jìn)行真空凈化處理,油中所含的空氣和水氣將隨氫側(cè)回油擴(kuò)散到發(fā)電機(jī)內(nèi)部,導(dǎo)致氫氣純度下降,此時(shí)需要加強(qiáng)對(duì)氫氣純度的監(jiān)視。當(dāng)氫氣純度明顯下降時(shí),每隔一段時(shí)間(通常建議8h)應(yīng)操作擴(kuò)大槽上部的排氣閥進(jìn)行排污,然后讓高純度氫氣通過(guò)氫氣母管補(bǔ)進(jìn)發(fā)電機(jī)內(nèi)部。

在此事故運(yùn)行工況下,發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度運(yùn)行8小時(shí)后的純度及通過(guò)排氫補(bǔ)氫后機(jī)內(nèi)氫氣純度的相關(guān)計(jì)算如下：

2.1 8小時(shí)內(nèi)進(jìn)入發(fā)電機(jī)的空氣總量為

式中,

V0為8小時(shí)內(nèi)進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)的空氣總量,m3；

v為發(fā)電機(jī)內(nèi)氫側(cè)回油量,L/min,根據(jù)我公司設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),v取值40L/min；

s為空氣在密封油中的溶解度(體積比),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手冊(cè),s取值10%。

經(jīng)計(jì)算,V0得1.92m3。

2.2 發(fā)電機(jī)內(nèi)初始空氣含量為

式中,

V1為發(fā)電機(jī)內(nèi)初始空氣含量,m3；

V2為發(fā)電機(jī)容積,m3,該設(shè)計(jì)值為71m3；

P1為發(fā)電機(jī)內(nèi)表壓,該設(shè)計(jì)值為3bar；

P0為大氣壓力,bar,該設(shè)計(jì)值為1bar；

H0為氫氣純度,該設(shè)計(jì)值為98%

經(jīng)計(jì)算,V1得5.68m3。

2.3 事故密封油泵運(yùn)行8小時(shí)后機(jī)內(nèi)空氣總量為

式中,

V3為事故運(yùn)行8小時(shí)候機(jī)內(nèi)空氣總量,m3

經(jīng)計(jì)算,V3得7.6m3。

2.4 此時(shí),機(jī)內(nèi)氫氣純度為

式中,

H1為事故8小時(shí)后機(jī)內(nèi)的氫氣純度

經(jīng)計(jì)算,H1得97.32%。

2.5 為了提高發(fā)電機(jī)在事故工況下運(yùn)行時(shí)機(jī)內(nèi)的氫氣純度,需要用高純度的氫氣替換機(jī)內(nèi)低純度的氫氣。假定在事故工況下運(yùn)行8小時(shí)候后,通過(guò)排氫14m3,同時(shí)向其補(bǔ)充99.8%純度的氫氣,則機(jī)內(nèi)空氣減少量為：

式中,

V4為機(jī)內(nèi)空氣的減少量,m3

V5為補(bǔ)氫量,m3,取值14m3；

Hs為補(bǔ)氫的氫氣純度,取值99.8%

經(jīng)計(jì)算,V4得0.35m3。

此時(shí)機(jī)內(nèi)的氫氣純度為：

式中,H2為事故運(yùn)行8小時(shí),并且進(jìn)行排氫和補(bǔ)氫后的機(jī)內(nèi)氫氣純度

經(jīng)計(jì)算,H2得97.45%。

3 無(wú)密封油源下的故障運(yùn)行方式

由于密封油系統(tǒng)的油源來(lái)自汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng),經(jīng)過(guò)真空油箱抽真空,再經(jīng)過(guò)油泵加壓后送至發(fā)電機(jī)密封瓦,最后回流到汽輪機(jī)潤(rùn)滑油箱進(jìn)行冷卻,后又通過(guò)潤(rùn)滑油系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng),周而復(fù)始形成密閉循環(huán)。當(dāng)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí),發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)將失去密封油源,通常發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)也將停止運(yùn)行。但當(dāng)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)短時(shí)停止運(yùn)行,而發(fā)電機(jī)內(nèi)仍充滿(mǎn)氫氣時(shí),且要求不對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣進(jìn)行排空,密封油系統(tǒng)將需要繼續(xù)運(yùn)行,將發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣密封在機(jī)殼內(nèi)。此時(shí)密封油系統(tǒng)將進(jìn)入到無(wú)密封油源的故障運(yùn)行方式。無(wú)密封油源下的故障運(yùn)行方式簡(jiǎn)圖如圖3所示：

圖3 無(wú)密封油源下的故障運(yùn)行方式簡(jiǎn)圖

該功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠于上圖中的空氣抽出槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)完成的。密封油系統(tǒng)的氫側(cè)回油和空側(cè)回油都將全部回流到空氣抽出槽后再返回到汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)套裝油管?？諝獬槌霾鄣慕Y(jié)構(gòu)示意圖如下所示：

通過(guò)上圖可以發(fā)現(xiàn),正常運(yùn)行時(shí),空氣抽出槽內(nèi)的油不會(huì)全部回流到潤(rùn)滑油系統(tǒng),只有超出基準(zhǔn)界面(殼體內(nèi)部300mm高)以上的密封油才會(huì)回油至潤(rùn)滑油系統(tǒng)。當(dāng)潤(rùn)滑油系統(tǒng)不再像發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)提供油源時(shí),由于空氣抽出槽的高程布置通常高于密封油控制裝置入口處10米左右,因此由于重力作用,空氣抽出槽內(nèi)的存油將直接向真空油箱進(jìn)行補(bǔ)油,以作為密封油系統(tǒng)的油源。由于密封油系統(tǒng)內(nèi)總的油量沒(méi)有增多,因此密封油系統(tǒng)的回油在進(jìn)入空氣抽出槽后將不會(huì)再回到潤(rùn)滑油系統(tǒng),而是直接作為密封油系統(tǒng)的油源,由此形成了一個(gè)密閉循環(huán)。

圖4 空氣抽出槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

此種運(yùn)行方式下,由于發(fā)電機(jī)靜止,密封瓦處幾乎沒(méi)有損耗,不會(huì)對(duì)密封油產(chǎn)生加熱影響。系統(tǒng)內(nèi)的油溫,由于密封油處于密閉小循環(huán)中,沒(méi)有油凈化裝置對(duì)密封油進(jìn)行再生和過(guò)濾處理,且由于沒(méi)有油冷卻器對(duì)密封油進(jìn)行冷卻,因此此種故障運(yùn)行方式僅能在發(fā)電機(jī)靜止不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下采用。此種工況下,需要對(duì)整個(gè)密封系統(tǒng)的發(fā)熱情況進(jìn)行計(jì)算,以便校核系統(tǒng)能否長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

3.1 系統(tǒng)的發(fā)熱量計(jì)算 我公司所選用的密封油泵電機(jī)功率為7.5KW,油泵軸功率為5.54KW,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,取油泵的軸功率作為整個(gè)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的最大發(fā)熱功率來(lái)進(jìn)行溫度校核。

3.2 系統(tǒng)的散熱量計(jì)算 為簡(jiǎn)化計(jì)算,系統(tǒng)的散熱不考慮管道的散熱,只考慮空氣抽出槽和真空油箱這兩個(gè)大油箱體進(jìn)行散熱量計(jì)算。

1)抽氣抽出槽散熱計(jì)算公式如下：

式中

P1為空氣抽出槽的散熱功率,W；

K為油箱散熱系數(shù)(通風(fēng)差時(shí),取k=8～9；通風(fēng)良好時(shí),k=15～17),由于空氣抽出槽在汽輪機(jī)廠房?jī)?nèi)為懸吊式獨(dú)立布置,通風(fēng)條件良好,取k=15；

A1為空氣抽出槽散熱面積,按照與油接觸的部分面積全算,沒(méi)有與油接觸的部分散熱面積減半原則計(jì)算,A1取值8.34㎡；

ΔT為油箱內(nèi)油溫T1與環(huán)境溫度T2的溫差,ΔT=T1-T2。

根據(jù)發(fā)電機(jī)技術(shù)條件,密封瓦處的最大油溫可按照65℃進(jìn)行計(jì)算,因此T1取值65℃。

T2按最高環(huán)境溫度進(jìn)行計(jì)算,取值40℃。

經(jīng)計(jì)算,P1得3127W。

2)真空油箱散熱計(jì)算公式如下：

式中

P2為真空油箱的散熱功率,W；

A2為真空油箱散熱面積,按照與油接觸的部分面積全算,沒(méi)有與油接觸的部分散熱面積減半原則計(jì)算,A2取值7㎡。

經(jīng)計(jì)算,P2得2625W

事故工況下,系統(tǒng)總的散熱功率為

P為事故工況下,系統(tǒng)總的散熱功率。

經(jīng)計(jì)算,P得5752W。

3.3 計(jì)算結(jié)果 無(wú)密封油源時(shí),密封油系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行期間的散熱量核算結(jié)果見(jiàn)下表1：

表1 無(wú)密封油源故障運(yùn)行時(shí)散熱量核算結(jié)果

經(jīng)以上散熱核算,可知系統(tǒng)最大散熱功率大于系統(tǒng)最大發(fā)熱功率,因此密封油系統(tǒng)在無(wú)密封油源下的故障運(yùn)行方式是可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)密封油系統(tǒng)的兩種故障運(yùn)行方式進(jìn)行原理介紹,可以使更多從事氫冷發(fā)電機(jī)行業(yè)的人進(jìn)一步加深對(duì)我公司密封油系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。通過(guò)本文,可以發(fā)現(xiàn)我公司氫冷發(fā)電機(jī)所配備的密封油系統(tǒng)具備高可靠性,即使在某些極端工況下,仍然可以確保發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行,電廠運(yùn)行人員在面對(duì)密封油系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),更能準(zhǔn)確的采用相應(yīng)故障運(yùn)行方式,為故障檢修贏得寶貴時(shí)間,確保發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。