300MW机组的氢水油冷却方式浅析

杨福成,袁 波,钱 海

(三河发电有限责任公司,河北 三河 065201)

1 概 述

三河电厂二期工程的汽轮发电机采用水氢氢冷却方式,发电机定子线圈水内冷却,转子线圈氢内冷却,定子铁心和结构件为氢气表面冷却。集电环采用空气冷却。发电机两端采用单流环式密封瓦,密封瓦的油量、油温和油压,均由密封油控制系统来保证。该机组投产近两年,现就发电机氢水油系统的运行特点及故障现象进行简要的分析。

2 氢气系统运行中的问题

2.1 漏氢问题分析

按照设计要求,机组正常运行中,发电机的漏氢量不超过10Nm3/d,但在机组启动和运行中却多次出现漏氢量超标。经分析,系统漏氢主要是由多个方面原因造成的。

(1)在机组充氢过程中,发电机浮子油箱旁路门关闭不及时,造成机组启动时大量氢气外漏。由于空气抽出槽的安装位置要高于浮子油箱,而浮子油箱回油进入空气抽出槽,是依靠浮子油箱内的压力,而该压力是与发电机内压力相同的。因此,在停机排氢时,当发电机内压力特别低的情况下,浮子油箱内压力不足以克服该静压,浮子油箱回油进入扩大槽比较困难,容易因回油不畅造成浮子油箱满油,继而使扩大槽满油,最终造成发电机进油。为此,当机内压力低于0.05MPa时,应及时打开浮子油箱旁路门,使回油扩大槽与空气抽出槽直接连通,利用回油扩大槽与空气抽出槽的高度差将油压回空气抽出槽。但进行风压试验或充氢时,如不及时关闭该旁路门,就会造成浮子油箱旁路没有油位进而失去密封作用,发电机内气体便会随着密封油进入空气抽出槽直接排到室外,因此当发电机内压力达到0.02 MPa时应逐渐关闭该门。

(2)氢气系统阀门不严或误开,造成氢气直接外漏。由于氢气系统比较复杂,所有与大气隔绝的阀门都有可能造成漏氢,因此应确定合理的查找顺序,以提高查找效率。首先应检查发电机漏氢检测仪的显示数据变化,该装置安装有8处测点,分别布置于发电机封闭母线(3个)、发电机中性点(2个)、定冷水箱(1个)、发电机汽端空侧回油(1个)、励端空侧回油处(1个),确认这些位置有无漏氢报警。其次应检查发电机油水检测器、回油扩大槽液位高报警开关的排放门、回油扩大槽和浮子油箱排氢门是否误开或阀门不严。再次针对系统运行方式的变化情况有针对性的进行查找,对新近操作过的阀门进行认真检查,确认有无误开情况。最后,可以采用关闭部分手动门将系统分段隔绝,缩小查找范围。例如关闭6.5m发电机补、排氢手动门后,可将6.5 m以下系统隔绝;关闭氢气除湿系统进出口手动门,可以将该系统隔绝。如部分系统被隔绝后,氢压不再下降,说明漏点在被隔绝系统部分,可在该范围内继续进行分段隔绝查找。当排除上述区域后,应联合检修人员在发电机端盖、氢冷器端盖、等位置较高的氢气系统内进行查找。

(3)发电机端盖、机壳等部件螺栓出现松动现象,造成氢气外漏。由于机组运行过程中始终存在振动,因此,一些螺栓固定件往往容易出现松动,氢气就会从这些地方向外泄露。3号机组就曾多次出现氢冷器螺栓松动,造成氢气外漏。可以利用漏氢检测仪和肥皂泡沫结合的方法进行逐一排查。

另外,还有可能发生氢气泄露的两个地方是定冷水线棒和氢冷器内部。虽然这种漏氧情况在三河二期并未出现过,但如果出现定冷水系统漏氢,可以通过检测定冷水箱内部氢气纯度来确定;如果氢气冷却器出现泄露,冷却器内部会积存一定量的氢气,可以通过打开氢冷器排气门检查有无气体排出,如有气体需要化验其成分。单台氢气冷却器泄露可以将其退出运行,进行隔绝,但机组负荷不应超过80%额定负荷。一旦确认漏点,应严格控制发电机氢压高于水压0.03MPa以上,加强监视氢气湿度和发电机零序电流,并尽快安排停机处理。

2.2 氢气湿度超标原因分析

从系统上分析氢气湿度是否超标,无外乎以下两方面原因:首先是从外部系统通过各种途径进入发电机的水分偏多,超出氢气除湿装置正常处理能力;其次是氢气除湿装置的除湿效果差甚至该装置失效。

水分进入氢气系统主要途径:

(1)密封油(即主机润滑油)中水分超标;

(2)补充的氢气湿度超标;

(3)氢冷器泄露;

(4)定子冷却水线棒有漏点。

氢气除湿装置效果差的主要原因为除湿装置未完全导通,干燥气体流量太小,导致除湿装置未达到满出力;如果除湿装置内进油,会导致吸收剂(氧化铝)失效;其次,除湿装置的自动排水器故障,不能将吸收的水分排出,干燥剂不能正常再生;如除湿装置(再生气流控制门)未按照使用说明书正确调整,造成再生效果差,影响除湿性能;在机组停机备用期间,未导通氢气循环风机回路,应开启循环风机,保障机组备用时氢气湿度合格;氢气除湿装置投运时,未投入压缩空气或冷却水,造成干燥塔不能切换或干燥剂再生效果不佳。运行中应严格监视除湿装置的前后湿度变化趋势,发现除湿效果降低及时分析查找原因。

当除湿装置故障时,应在氢气除湿机的任一干燥塔内循环风机故障停运后,退出该塔的加热器运行,防止干燥塔超温,维持另外一塔继续运行。干燥塔风机故障时,可以在线更换风机,但需要将该塔运行置换成二氧化碳方式才可进行,该塔自动投入运行时,对发电机氢气纯度的影响可以不予考虑。如果干燥塔内的三氧化二铝失效时,也可在线更换。

从二期工程的2台机组运行实际情况分析,造成氢气湿度超标的主要原因,是密封油中水分超标和除湿装置效果差,因此,建议在氢气湿度超标时重点从这两方面进行检查分析。

2.3 氢温调整无法投自动

机组投产时,发电机氢冷器冷却水仅在回水管路设置一气动调节门,用以实现氢温的自动调整,但在实际运行中发现,难以实现原设计意图。氢冷器出入口均设置为手动门,当其全开时,氢温调节阀在负荷较低时开度较小,由于闭冷水压力较高(0.6MPa),氢冷器冷却水压力很容易超过发电机氢气压力,而这是不允许的。当氢冷器出入口手动门开度较小时,如果负荷较高,冷却水量又往往不够,还需在就地将供水手动门开大。因此,氢温的调整都是靠运行人员就地调整氢冷器供回水手动门实现,氢温无法投入自动。

2008年4号机大修时,对氢温控制系统进行了改造,在氢冷器供水管路上,加装了基地式调节阀用以调整供水压力,设定压力0.25MPa,利用回水调节阀调节氢温。氢冷器供水手动门保持全开,仅在4台氢气冷却器出口氢温出现不平衡时进行微调,改造后,经过一段时间的观察,证明对氢温的调节准确到位,冷却水压力稳定,完全能够避免氢冷器冷却水压力超过氢压运行。

3 单流环式密封油系统的运行

3.1 单流环式密封油系统三种回路的应用

(1)正常运行回路

密封油系统正常运行时,应采用该回路向密封瓦供油。由交流密封油泵供油,设备稳定可靠,可保证在额定氢压下运行,并能最大程度地降低密封油中水、气杂质。

(2)事故运行回路

该回路有两种使用情况,即真空油箱因故退出运行或2台交流油泵不能工作(如设备故障或电源失去)。此时采用直流密封油泵向系统供油。当真空油箱故障退出运行而采用该回路时,应关闭轴承润滑油至真空油箱手动门,避免真空油箱油位调节阀故障造成油箱满油。

(3)紧急密封回路

3台密封油泵全部因故无法启动时,系统自动转入该回路供油。此时,由于轴承润滑油供油压力仅为0.25MPa,减去12.5m高度的静压(约0.11 MPa),要维持密封油与氢压0.05MPa的差压,再考虑系统阻力,因此规定采用该回路密封时,应快速降氢压至0.05MPa(实际可略高于此值),但最高不超过0.1MPa,并可带不超过200MW负荷,根据发电机转子、定子铁心和端部结构件温升情况,决定实际带负荷值。采用紧急回路时,应注意机房内的通风,防止氢气从密封瓦漏出产生着火爆炸的隐患。当采用紧急密封回路时,应关闭真空油箱补油门。

当厂用电全停时,如短时不能恢复,应快速排出发电机内氢气,因为蓄电池容量有限,不能保证直流密封油泵、主机直流润滑油泵长期运行,避免蓄电池供电不足造成密封油中断,使大量氢气漏入机房。

3.2 密封瓦漏油的预防

4号机在某次起动过程中,在发电机并网后,就地检查发现发电机油水检测器满油,打开放油门放出大量润滑油,并导致氢气除湿装置进油全部失效。浮子油箱管路系统图见图1所示。对故障情况进行分析后,认为原因可能为:

(1)密封油差压调节阀特性不好或有卡涩现象;

(2)油氢差压设定偏大;

(3)密封瓦间隙调整偏大或密封瓦有磨损;

(4)发电机并网后,对氢温调整幅度过大,造成机内氢压瞬间降低,密封油被“吸入”发电机;

(5)密封瓦回油不畅,可能原因为浮子油箱与回油扩大槽顶部联络门未打开,浮子油箱与回油扩大槽的压力无法平衡,产生背压,使得回油不畅。

图1 浮子油箱管路系统

在随后的运行过程中,发电机在各种工况下,氢压升高或降低时,都未出现密封油漏油现象,初步验证密封油差压调节阀动作特性良好。针对失效的第二点原因,将油氢差压由0.06 MPa调整至0.05MPa,这在一定程度上降低了密封油再次漏油的可能性。另外,在2008年机组大修过程中,对发电机密封瓦间隙进行了彻底的检查,没有发现损坏现象,且密封瓦完好。通过就地对阀门状态检查,确认浮子油箱与回油扩大槽联络门是打开的。目前此次漏油原因并未形成定论,但为了预防密封油再次漏入发电机,还是采取了一些措施,对油氢差压的设定,须严格按照制造厂要求,不能一味为了防止漏氢而提高油氢差压;定期利用停机检修机会,对密封瓦间隙和密封瓦进行检查,尽早发现密封瓦间隙超标或者密封瓦缺陷以便及时处理;调整发电机氢温时应缓慢,避免造成氢压波动;保证发电机油水检测器正常工作,并在平时的运行过程中加强监视,对发电机进油能够早发现早治理;由于密封油来自主机润滑油,当发电机大量进油时,主油箱油位会随之下降,因此定期记录主油箱油位并作对比,能够提早发现密封装置的漏油。当发电机排氢、充氢造成机内压力变化时,应严密监视油氢差压变化,发电油氢差压调节阀不能正常跟踪时,应及时停止排氢、充氢操作,并对差压调节阀进行处理。密封油系统运行时,应严格监视浮子油箱油位,防止浮子油箱满油继而造成扩大槽满油进入发电机。运行时,保持浮子油箱与回油扩大槽联络门全开,并挂禁止操作标牌,以免发生误操作。

3.3 对密封油系统中阀门状态的分析

单流环式密封油系统运行方式的正确与否,直接影响发电机组的安全运行和氢气系统的正常运行,必须保证系统中每一个阀门的状态正确。

(1)浮子油箱旁路门

该阀门在氢压比较低时打开,保证密封油正常回油。厂家规定开、关该阀门的依据就是当发电机氢压低于0.05MPa时适当打开,保持窥视窗内可见油位;当氢压高于0.05MPa时关闭。但从实际运行经验看,在发电机内压力高于0.02MPa时就应关闭该门,否则会造成氢气泄露。在发电机排补氢时,应以调整浮子油箱油位和旁路管视窗油位为依据操作该阀门,既要保证浮子油箱油位不高,否则回油扩大槽满油甚至发电机进油,又要保证旁路管油位不低(可以满油),否则氢气外漏。

(2)浮子油箱至真空油箱回油手门

这2个手动门具有逆止作用,正常运行时打开,自主机润滑油引来的供油不会进入浮子油箱,但在主机润滑油彻底中断时,能保证密封油回油直接进入事故密封油泵入口,保证密封油系统短时间继续运行,避免氢气大量外泄造成事故扩大。

(3)密封油泵再循环门

3台密封油泵均为磁力泵,禁止关闭出口门运行。由于启动密封油系统时,发电机内没有氢压,因此油氢差压调节阀开度很小,进入发电机密封瓦的供油量也很小,此时应保持密封油泵再循环手门全开,防止油泵憋压。

(4)浮子油箱与回油扩大槽联络门

这2个联络门打开后,浮子油箱与回油扩大槽就构成了一个连通器,能够保证回油扩大槽内的油不断流进浮子油箱,如果被关闭,浮子油箱内压力就会随着油位的变化波动,进油量就会产生波动,可能造成回油扩大槽满油,因此,密封油系统运行时必须打开这两个门。

4 定冷水运行中的问题及措施

4.1 定冷水温度调节效果差

机组投产时,定冷水温控装置为成套设备自带机械式温度调节阀,其原理是通过感应定冷水冷却器出口温度,自动实现调门的开度,用以控制冷却水(开冷水)的流量来调节定冷水温度。在实际运行过程中发现,感温元件特性较差,调节迟缓,静态偏差很大,造成定冷水温度时高时低,只能通过人为干预开关该调节阀前后手动门调节,大大增加了运行人员工作量,且定冷水温度波动较大。后经改造,将原感温机械式基地调节阀,改造为带PID控制的基地调节阀。经过运行实践证明,此种调节阀特性灵敏,调节品质优秀,定冷水温度始终维持在设定的42℃。

4.2 定冷水冷却器脏污

由于开冷水使用的是中水,水质较差,机组各处冷却器较容易脏污,定冷水冷却器也不例外。2009年6月,在运行过程中,发现定冷水温度持续超过规定值,就地温控阀全开,但开冷水出水温度与定冷水出水温度差值较大,经过分析为冷却器脏污,导致换热效果下降。后切换至备用冷却器后冷却效果恢复正常。

建议利用机组检修机会对定冷水冷却器定期进行清洗,保证冷却器的良好换热效果。

4.3 离子交换器改造

自投运以来,定冷水系统长期存在水质pH值低于标准值的问题。这是因为定冷水系统不能完全与大气隔绝,大气中的CO2、SO2等酸性气体长期与定冷水接触,形成弱酸。而原有的离子交换器只能降低导电度,对pH的控制并不理想。为维持pH值达标,避免设备腐蚀,只能采取定期进行换水的方法。这种运行方式对化学监督要求高,设备运行风险大,且浪费了大量除盐水。因此,在2008年,先后对2台机组其进行了改造,采用了带有加碱装置的超净化装置。该装置采用特殊类型树脂和特殊结构,并配合PID控制加碱装置,既保证了定冷水的导电率达标,同时满足了pH值的要求。自该系统投运以来,定冷水水质一直十分稳定,导电率＜0.5 us/cm,pH维持在7.5～8之间。

4.4 定冷水补水管路反水

定冷水的补水由凝汽器补水泵出口引至定冷水箱底部,当定冷水箱需要补水时可以启动补水泵,打开补水电磁阀进行补水(见图2)。后来发现当补水泵停止时,定冷水箱的水位持续下降。其原因为补水泵停止时,泵出口压力瞬间降低为常压,系统内的水会短时反向流动,这是离心泵的常见特性。由于补水管路设计的不合理,这种短时间的反水,却形成了虹吸,使得定冷水箱内的水不断反向流回补水泵出口,而补水泵再循环管路布置在出口逆止门后,因此系统形成了通路,又因为补水电磁阀不严,即使关闭仍然会有水不断反回除盐水箱。所以只得关闭补水电磁阀前后的手动门来避免反水,这就使定冷水箱水位低自动补水功能无法实现。

图2 定冷水箱补水系统图

目前该问题还未得到解决,在停止补水后仍需关闭补水手动门。建议更换补水电磁阀或者在补水管路加装逆止门,都可以避免反水现象的出现。

4.5 定冷水流量低开关误操作

某日,3号机组带负荷300MW,定子冷却水流量低开关突然启动了保护动作,发电机跳闸,大连锁跳汽轮机(MFT)。就地检查发现操作人员误开定冷水流量低开关放水门取样,造成定冷水流量低开关动作,见图3所示。事后,对该流量低开关各短路门、放水门加锁并悬挂禁止操作标牌,防止他人再次误操作。

4.6 定子线棒堵塞和泄漏的预防

图3 定冷水流量开关

在定冷水正常运行中,应加强对线棒温度和线棒出水温度的监视与对比。因为线棒温度(54个)和线棒出水温度(54个)的测点都是一一对应的,正常运行时线棒温度略高于线棒出水温度(2～3℃)。当任意线棒的两个温度偏差超过这个范围时应及时分析。当线棒脏污时,线棒温度上升,线棒出水温度下降,两者温差不正常增大;当线棒堵塞时,该线棒温度和线棒出水温度都会升高,且两者温差几乎降为零,通过对比其它线棒温度偏差幅度可判断堵塞程度;当线棒有漏点时,由于氢压大于水压,会有氢气通过漏点进入线棒,形成气塞,线棒温度会有所上升,同时会伴随氢压快速下降,检测定冷水箱内氢气含量超标。需要注意的是当定子线棒温差达14℃或定子引水管出水温差达12℃,或任意槽内温度超过90℃或出水温度超过85℃时,在确认测温元件无误后,应立即停机处理,停机后需对定子线圈进行反冲洗。

5 结束语

三河电厂二期机组自投产以来,发电机氢水油系统出现了较多问题,主要原因是设计不合理和设备质量不达标,目前都已进行改造,系统运行稳定。建议新建机组对成套设备加强系统分析,避免采用不合理的设计和过时的工艺,降低投产后机组运行风险和后期的技改费用。

[1]三河发电有限责任公司.300MW机组集控运行规程[S].2007.

[2]华北电力科学研究院.三河发电有限责任公司二期调试报告[R].2007.