楊彥肖，孫聆菱

(河北建投能源科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河北 石家莊 050051)

0 引言

隨著發(fā)電機(jī)組的大型化發(fā)展，依靠增大發(fā)電機(jī)體積以增加銅線繞組和鐵心容量來滿足發(fā)電機(jī)單機(jī)容量需求的方式受到加工、運(yùn)輸、安裝等諸多條件的限制，常采用增加銅線繞組電力密度的方式來提高單機(jī)容量。然而，施加在銅線繞組上的電流密度越大，隨之產(chǎn)生的熱量也會(huì)越多，若不能這些熱量及時(shí)排出，將對(duì)發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行帶來極大威脅。因此，良好的冷卻效率是發(fā)展大型發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)所在?，F(xiàn)代大型發(fā)電機(jī)廣泛采用氫冷技術(shù)來提高發(fā)電機(jī)效率。氫冷發(fā)電機(jī)一般采用密封油系統(tǒng)進(jìn)行密封以防氫氣泄漏，密封油系統(tǒng)有單環(huán)流密封和雙環(huán)流密封兩種方式，兩種方式各有利弊，但無論哪種方式的密封系統(tǒng)，其元器件的控制參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)以及密封油的質(zhì)量都會(huì)影響到發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣的品質(zhì)，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1 氫氣純度降低的危害

氫氣純度降低主要是密封油中的水分、空氣等雜質(zhì)氣體擴(kuò)散至氫氣中所致。氫氣濕度超標(biāo)會(huì)危害發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子繞組的絕緣強(qiáng)度，而且會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。水汽會(huì)在線棒端部絕緣表面或綁扎結(jié)構(gòu)表面構(gòu)成擊穿放電通道，還會(huì)使絕緣間隙中的氫氣介電性能變差，從而為定子線棒端部絕緣事故提供外部條件，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。DL/T 651—2017《氫冷發(fā)電機(jī)氫氣濕度技術(shù)要求》對(duì)氫氣濕度提出了明確要求，DL/T 705—2021《運(yùn)行中氫冷發(fā)電機(jī)用密封油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》也對(duì)密封油的水分含量做出了規(guī)定，密封油的含水量限值要遠(yuǎn)低于潤(rùn)滑油的含水量限值，以確保氫氣濕度在合格范圍內(nèi)。

當(dāng)氫氣中混入其他氣體(如氧氣或空氣等)時(shí)，若遇明火則可能引發(fā)爆炸；氫氣純度下降會(huì)使氣體密度增大，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的通風(fēng)損耗增加，從而降低發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。而頻繁大量的排、補(bǔ)氫會(huì)造成制氫站長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行，并伴有著火和氫爆隱患，也會(huì)導(dǎo)致制氫或購(gòu)氫成本大幅增加。

2 不同密封油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 單流環(huán)密封油系統(tǒng)

圖1 單流環(huán)密封油系統(tǒng)設(shè)置

單流環(huán)式密封油系統(tǒng)只設(shè)置一路供油，由汽機(jī)主油箱供油至真空油箱，通過真空凈油裝置減少密封油中攜帶的水分、空氣等雜質(zhì)，脫氣后的油由密封油泵通過過濾器濾掉顆粒雜質(zhì)，通過壓差調(diào)節(jié)閥使油氫壓差維持穩(wěn)定并向發(fā)電機(jī)密封瓦供油?；赜头譃闅鋫?cè)回油和空側(cè)回油，其中氫側(cè)回油回到回油擴(kuò)大槽進(jìn)行油氫分離，浮子油箱設(shè)置浮球閥，油位高時(shí)打開向外供油，油位低時(shí)關(guān)閉，以防氫氣泄漏；空側(cè)回油與浮子油箱中的氫側(cè)回油共同回到空氣抽出槽中，空氣抽出槽油中的水分和氫氣由排煙風(fēng)機(jī)排至大氣，空氣抽出槽里的油通過U形油封自流至主機(jī)油箱。

單環(huán)流式真空凈油型密封油系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，維持油箱油位穩(wěn)定是整個(gè)密封油系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要保障，其真空油箱油位在浮球閥和油箱真空度的綜合作用下維持穩(wěn)定，而排氫調(diào)節(jié)油箱油位在發(fā)電機(jī)氫壓和浮球閥的綜合作用下維持穩(wěn)定。

2.2 雙流環(huán)密封油系統(tǒng)

雙流環(huán)密封油系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè)密封環(huán)，雙流環(huán)密封結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)以采取西屋公司技術(shù)生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)為代表，國(guó)內(nèi)主要包括上海汽輪機(jī)廠和哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的300 MW和600 MW大型氫冷發(fā)電機(jī)。雙流環(huán)密封油系統(tǒng)對(duì)應(yīng)設(shè)置兩路密封油，分別由氫側(cè)密封油泵和空側(cè)密封油泵向氫側(cè)密封瓦和空側(cè)密封瓦供油，空側(cè)密封油用于隔離大氣，氫側(cè)密封油用于密封氫氣，空側(cè)密封油壓力通過油氫壓差閥調(diào)節(jié)，氫側(cè)密封油通過平衡閥調(diào)整壓力，使兩路密封油壓力相當(dāng)。正常運(yùn)行時(shí)，氫側(cè)油自成一個(gè)閉式循環(huán)系統(tǒng)，空側(cè)油是一個(gè)開式循環(huán)系統(tǒng)，兩路密封油獨(dú)立循環(huán)又互有聯(lián)系。

壓力油通過不同的油槽送入密封瓦，在轉(zhuǎn)軸和密封瓦的間隙處往相反方向分別向空氣側(cè)和氫氣側(cè)流動(dòng)，其油路流程如圖2所示?？諅?cè)密封油路來源為主油箱和空側(cè)回油箱，空側(cè)交流密封油泵取得油源，一部分經(jīng)主差壓閥、冷油器、過濾器進(jìn)入空側(cè)密封瓦，另一部分從油泵出口處引出向密封油箱補(bǔ)油用；空側(cè)密封瓦回油經(jīng)氫油分離器回至主油箱，在氫油分離器內(nèi)析出的氫氣和油煙排至機(jī)房頂部。氫側(cè)密封油路來源由氫側(cè)密封油泵從氫側(cè)密封油箱取油升壓后通過冷油器、過濾網(wǎng)、平衡閥進(jìn)入氫側(cè)密封瓦，氫側(cè)密封瓦回油回至氫側(cè)密封油箱。差壓閥取樣：氫側(cè)取自氫壓，油側(cè)取自空側(cè)密封瓦入口處油管；平衡閥取樣：一路取自空側(cè)密封瓦入處口油管，一路取自氫側(cè)密封瓦入口處油管。

圖2 空側(cè)、氫側(cè)油路流程

3 兩種密封油系統(tǒng)差異分析

(1) 單流環(huán)密封油系統(tǒng)只有一路供油回路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于廠房布置，設(shè)備成本較低，但油中空氣水分易跑入氫氣中，使氫氣受到污染的程度較大；雙流環(huán)密封油系統(tǒng)由于空、氫兩側(cè)分開，系統(tǒng)更復(fù)雜，造價(jià)更高，但氫側(cè)油系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，密封效果更好，氫氣純度更容易保持。

(2) 單流環(huán)密封油系統(tǒng)為了去除水分、雜質(zhì)氣體對(duì)氫氣的污染以及去除油中氫氣，配置有真空凈化裝置，需保證浮子油箱、真空油箱浮球閥和真空凈化裝置可靠運(yùn)行；雙流環(huán)密封油系統(tǒng)未設(shè)置真空凈化裝置，對(duì)空側(cè)油質(zhì)要求低，省去了主油泵的油處理功能，靠氫油分離箱和排煙裝置去除氫氣和雜質(zhì)氣體，相較真空浮球閥的可靠性高。

(3) 單流環(huán)密封油系統(tǒng)需依靠主機(jī)冷卻器冷卻，對(duì)主機(jī)依賴性較高，運(yùn)行操作靈活性差，一旦出現(xiàn)故障，氫氣純度難以保證；雙流環(huán)密封油系統(tǒng)配置有獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)，獨(dú)立性高，當(dāng)氫側(cè)回路故障停運(yùn)時(shí)，可以加大空側(cè)密封油油量，還能維持系統(tǒng)運(yùn)行。

(4) 單流環(huán)密封油系統(tǒng)密封瓦調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便，壓差采用自動(dòng)調(diào)節(jié)來保證密封系統(tǒng)的可靠性；雙流環(huán)密封油系統(tǒng)復(fù)雜，需要保證密封油泵、差壓閥、平衡閥及密封環(huán)的可靠運(yùn)行才能防止竄油或漏氫。

2.3 兩組咳嗽積分比較 治療后，兩組患者的日間咳嗽評(píng)分、夜間咳嗽評(píng)分均較治療前明顯降低，且B組均低于A組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見表2。

(5) 單流環(huán)密封油系統(tǒng)簡(jiǎn)單，當(dāng)浮子油箱浮子卡澀時(shí)危險(xiǎn)性較大，當(dāng)真空油箱浮球閥卡澀時(shí)，需就地及時(shí)手動(dòng)調(diào)整旁路，防止真空油箱油位太高時(shí)跑油或油位太低時(shí)影響密封油泵的安全運(yùn)行；雙流環(huán)密封油系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，安全可靠性較高，但平衡閥和差壓閥易發(fā)生故障，一旦空側(cè)油壓和氫側(cè)油壓相差較大，會(huì)造成空側(cè)和氫側(cè)油路互竄，使氫側(cè)油受污染，由于氫側(cè)密封油箱調(diào)節(jié)量有限，若設(shè)計(jì)不合理，發(fā)電機(jī)進(jìn)行充、排氫過程中可能造成發(fā)電機(jī)進(jìn)油，不僅污染氫氣還影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。

4 密封油系統(tǒng)對(duì)氫氣的影響及應(yīng)對(duì)措施

由于密封油中含有或多或少的水分、空氣等雜質(zhì)氣體，若運(yùn)行中參數(shù)控制不當(dāng)或油品質(zhì)量較差，不可避免地會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)的氫氣純度產(chǎn)生影響。盡管雙流環(huán)密封油系統(tǒng)可靠性較高，理論上認(rèn)為氫氣純度保持較好，油吸收而損耗的氫氣幾乎為零，但其實(shí)際上對(duì)氫氣也有一定的影響，一是由于差壓閥、平衡閥調(diào)節(jié)不合適導(dǎo)致空、氫側(cè)油互竄，油中的水分和空氣逐漸進(jìn)入氫氣中，使氫氣受到污染；二是機(jī)內(nèi)氫氣會(huì)隨油循環(huán)進(jìn)入油系統(tǒng)，造成氫壓下降，需增加補(bǔ)氫。

4.1 單流環(huán)密封油系統(tǒng)的影響及應(yīng)對(duì)措施

(1) 油中含水量的影響。單流環(huán)密封油系統(tǒng)中由于主油箱潤(rùn)滑油直接參與密封油系統(tǒng)循環(huán)，若密封油取自主油箱下部的污染區(qū)，則密封油的含水體積分?jǐn)?shù)會(huì)很高，在回油腔的局部區(qū)域，由于甩油以及油溫升高的熱作用，溶解在油中的部分水霧化形成油煙和蒸汽在風(fēng)扇作用下進(jìn)入機(jī)內(nèi)風(fēng)路，導(dǎo)致氫氣純度受影響。因此，需嚴(yán)格按照DL/T 705—2021要求將密封油中的水分控制在50 mg/L以下。

(2) 密封瓦和軸間隙的影響。軸瓦間隙過大會(huì)使得流經(jīng)密封瓦的油流量變大，油中釋放出的油煙和水汽變多，易造成機(jī)內(nèi)氫氣污染、氫氣純度降低。因此，需整定密封瓦間隙，調(diào)整軸向總間隙在0.13～0.20 mm，徑向總間隙在0.15～0.25 mm。

(3) 進(jìn)油溫度過高的影響。根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，油的黏度隨著油溫的升高而降低，隨著油黏度的降低，油中的含氣量增加，氫氣受污染的程度增大。因此，需控制油溫在合格范圍內(nèi)，一般密封瓦進(jìn)油溫度控制在25～50 ℃。

(4) 真空油箱真空度的影響。真空油箱通過真空泵使油箱內(nèi)保持一定的真空度，使密封油中含有的水分、空氣及煙氣逸出，從而降低油中雜質(zhì)氣體對(duì)氫氣純度的影響。真空凈化系統(tǒng)需要注意的問題，一是真空油箱浮球閥易卡澀，油箱油位高時(shí)會(huì)造成真空泵跳閘跑油，油位低時(shí)補(bǔ)不進(jìn)油，威脅密封油泵的安全運(yùn)行；二是真空泵抽出的水汽冷卻易在分離器聚集。因此，需要定期對(duì)分離器進(jìn)行排水注油，否則會(huì)導(dǎo)致漏真空。

(5) 差壓閥的影響。差壓閥用于調(diào)節(jié)密封油的壓力使油氫壓差維持穩(wěn)定，保證油壓高于氫壓0.05 MPa。壓差不穩(wěn)定會(huì)造成跑油或者跑氫，從而影響氫氣純度。因此，需對(duì)差壓閥設(shè)置旁路門，當(dāng)設(shè)備故障時(shí)可通過旁路手動(dòng)調(diào)節(jié)壓差以保證油氫壓差穩(wěn)定。

4.2 雙流環(huán)密封油系統(tǒng)的影響及應(yīng)對(duì)措施

(1) 平衡閥的影響。在雙流環(huán)密封油系統(tǒng)中，氫側(cè)與空側(cè)密封油互竄是影響發(fā)電機(jī)氫氣純度的一個(gè)重要因素，無論是氫側(cè)油壓高于空側(cè)油壓，還是空側(cè)油壓高于氫側(cè)油壓，都會(huì)導(dǎo)致空、氫側(cè)密封油互竄，造成油中污染氣體進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)，引起氫氣純度降低。氫側(cè)密封油壓力通過油壓平衡閥調(diào)整跟隨空側(cè)密封油壓力，當(dāng)平衡閥異常時(shí)會(huì)導(dǎo)致空、氫側(cè)油壓不平衡。一般需要保證氫側(cè)與空側(cè)密封油壓差不大于±1.5 kPa。

(2) 差壓閥的影響。差壓閥的任務(wù)是維持油氫壓差穩(wěn)定，平衡閥隨差壓閥改變而調(diào)整，若差壓閥異常，不僅可能出現(xiàn)密封油進(jìn)入發(fā)電機(jī)的現(xiàn)象，而且可能造成平衡閥跟隨做出異常調(diào)整，加速空、氫側(cè)油的互竄，引起氫氣純度下降。因此，需確保差壓閥調(diào)節(jié)空側(cè)密封油壓高于氫壓0.084 MPa。

(3) 密封瓦間隙的影響。密封瓦間隙增大，密封油流量會(huì)增加，進(jìn)而導(dǎo)致空、氫側(cè)密封油的交換量成倍增加，空側(cè)油中的污染氣體影響氫氣純度。

(4) 油中含水量及進(jìn)油溫度高的影響。雙流環(huán)密封油系統(tǒng)油中含水量、進(jìn)油溫度高等影響原理與單流環(huán)密封油系統(tǒng)相同，此外還有氫側(cè)油管供油不足、回油不暢，發(fā)電機(jī)排煙風(fēng)機(jī)出力不足，氫壓低時(shí)消泡箱滿油跑油等影響，均需要將各系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)調(diào)至最佳狀態(tài)。

4.3 密封油質(zhì)量的影響及應(yīng)對(duì)措施

不管在單流環(huán)還是在雙流環(huán)密封油系統(tǒng)中，密封油質(zhì)量對(duì)氫氣純度均會(huì)產(chǎn)生很大影響，除油中含水量影響外，油質(zhì)顆粒度、酸值等指標(biāo)不合格也可能導(dǎo)致軸瓦腐蝕、磨損等問題，造成氫氣污染。因此，需按DL/T 705—2021要求嚴(yán)格控制密封油質(zhì)量。當(dāng)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行參數(shù)對(duì)提高發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣純度作用不大時(shí)，可采取對(duì)密封油脫氣凈化處理方式來降低油中含氣量以保證機(jī)內(nèi)氫氣純度穩(wěn)定。

密封油中含氣量的影響。氫氣純度降低大多是油中雜質(zhì)氣體(主要是空氣)對(duì)機(jī)內(nèi)氫氣的污染所致?？刹捎庙斂丈V法原理(分配定律)和物料平衡原理測(cè)定油中的氣體組分含量，雜質(zhì)氣體主要為O2，N2，少量的CO，CO2以及微量的烴類氣體，可參照GB/T 17623—2017《絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測(cè)定法》以及DL/T 703—2015《絕緣油中含氣量的氣相色譜測(cè)定法》測(cè)定油中的含氣量。此外，通過在密封油系統(tǒng)中增加一套高效脫氣裝置保證密封油的低含氣量，從而長(zhǎng)久保持氫氣純度的穩(wěn)定。該方法在單流環(huán)、雙流環(huán)密封油系統(tǒng)中均有成功應(yīng)用的案例。

5 結(jié)束語

氫氣純度降低不僅有著火爆炸危險(xiǎn)，而且會(huì)降低發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率，大量補(bǔ)氫還會(huì)增加制氫或購(gòu)氫成本。單流環(huán)密封油系統(tǒng)與雙流環(huán)密封油系統(tǒng)兩種方式各有利弊，無論哪種方式控制參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)及密封油的質(zhì)量都會(huì)影響發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣品質(zhì)，需結(jié)合各自性能特點(diǎn)，調(diào)整至最佳的運(yùn)行控制參數(shù)。