浅析 200MW发电机密封油系统存在的问题

时间：2024-07-28

苗晓冬,徐涌超,殷佩山

(中国华电集团富拉尔基发电总厂,黑龙江齐齐哈尔 161041)

0 引言

氢具有分子运动速度快、扩散速度和导热性高、密度小、流动阻力小的特性,因此,大型发电机多采用氢冷方式。中国华电集团富拉尔基发电总厂(以下简称富电总厂)6台 200MW机组均采用氢冷方式,用氢气作为内部部件的冷却介质,在收到高效率的冷却效果的同时也出现了一些问题(如密封油中的水分挥发致使氢气湿度超标、因油温过高引起密封油流量过大导致的系统工作异常等)。这些问题的存在严重威胁了机组的安全运行。

1 氢气湿度超标

1.1 氢气湿度超标的危害

(1)氢气湿度超标造成发电机定子线圈端部短路事故。

(2)氢气湿度超标造成发电机转子护环产生应力腐蚀。

(3)氢气湿度超标增加了发电机通风损耗,降低了发电机的运行效率。

1.2 密封油系统工作原理

氢冷发电机组密封油系统的功能是防止内部氢气外泄和外部气体进入发电机。其原理是利用油液在轴颈与密封瓦之间形成高于内部氢气的压力油膜,阻止内外部气体交换,同时,油液也对动静部分形成有效润滑。哈尔滨汽轮机厂生产的 200MW发电机组密封油系统采用双流环式密封瓦,具体工作原理为:汽轮发电机密封油系统由空侧和氢侧 2个各自独立又互有联系的油路组成,空侧和氢侧密封油同时向发电机两端的双流环式密封瓦供油。来自主油箱的油,经空侧密封油泵升压或减压阀减压后,通过空侧密封油滤网压差阀到发电机汽、励端双流环式密封瓦的空气侧油环。空侧密封油压力的控制依靠压差阀的泄油来控制,当发电机内氢气压力变化或空侧密封油压力波动时,压差阀将调整空侧密封油泄油量以维持空侧密封油压力大于发电机内氢气压力 0.04～0.06MPa。空侧密封油的回油与润滑油一起回到主油箱。氢侧密封油经氢侧密封油泵升压后,通过氢侧密封油滤网平衡阀,再分成 2路分别回到发电机汽、励密封瓦的氢侧油环中。汽、励平衡阀的作用是跟踪汽、励端密封瓦内空侧油环内压力,调整汽、励密封瓦内氢侧油环内压力与空侧油环压力差不大于 0.0015MPa,氢侧密封油回油到密封油箱,密封油箱油位通过空侧密封油泵出口补油或向空侧密封油泵入口排油来控制。

1.3 发电机氢气湿度超标原因分析

发电机内部氢气湿度超标的原因是氢气接触了水,现利用正推法将发电机内部氢气与水接触的所有环节列出并进行分析。

(1)氢侧密封油中所含水分。氢侧密封油全程与氢气接触,油中水分挥发进入氢气,此过程时刻都在进行。

(2)氢气冷却器内漏水分与氢接触。运行时,氢压高于水压,即使冷却器内漏,也是氢气进入水中,漏入氢气的水分也是微量的,而且容易查出。

(3)真空置换时将水带入发电机。间断非持续进入,在无其他水分持续进入发电机时,干燥器很快能将其析出,湿度会明显下降直至合格。

经以上分析,发电机内氢气湿度持续超标的主要原因是由于氢侧密封油中水分超标,在与氢气接触的时候,水分与氢气迅速结合,致使氢气湿度超标。那么,密封油中的水是从何而来的呢?

1.3.1 氢侧密封油中水分的来源

根据双流密封瓦设计原理,只有维持密封瓦内空侧密封油与氢侧密封油压力基本相等,减少空、氢侧密封油的窜油,才能防止空侧油系统中夹带的水分进入氢侧密封油系统。在实际运行中,由于设备结构等原因很难控制空侧密封油和氢侧密封油压力的平衡。当空侧密封油压力大于氢侧密封油压力时,空侧密封油在密封瓦内向氢侧窜油,空侧密封油夹带的水分进入氢侧密封油。当氢侧密封油压力大于空侧密封油压力时,氢侧密封油在密封瓦内向空侧窜油,将引起氢侧密封油箱油位降低,氢侧密封油箱浮球阀将打开,空侧密封油泵出口的压力油通过浮球阀补入氢侧密封油箱。因此,无论空侧密封油压力大于氢侧密封油压力,还是氢侧密封油压力大于空侧密封油压力,都将使从主油箱来的空侧密封油夹带的水分通过与氢侧密封油交换而进入氢侧密封油系统。由此分析可以得出结论,氢侧密封油中的水分是与空侧密封油的窜油交换来的;另外,密封油箱自动补排油阀装置调整不好,使补、排油同时进行,也加大了空、氢侧油的交换。1.3.2 空侧密封油中水分的来源

空侧密封油直接由主油箱供油,主油箱接受各个轴瓦的回油,各轴承室内含水的润滑油回到主油箱,含水的油经过空侧密封油泵减压阀进入空侧密封油。1.3.3 轴承室中水分的来源

汽轮机在运行时,高、中压缸内的蒸汽压力高于大气压力,而汽轮机的轴封系统不可能达到理想的严密程度,肯定有一部分蒸汽沿轴封漏出,在排烟机的作用下,各轴瓦腔室内建立的是负压,一部分蒸汽会被吸入轴承室。

经以上分析,氢气湿度超标的主要原因是氢侧密封油中的水分挥发进入氢气,而氢侧密封油中的水分主要来源于轴封漏汽。

1.4 氢气湿度超标的整改方案

经分析,氢湿度超标是由一系列环节导致的,从理论上讲,将任何一个环节破坏掉,都能阻止氢气湿度超标,力争将所有环节都打断,以达到湿度不超标目的。

(1)加强氢侧密封油箱补排油阀的调整,要求无内漏、无卡涩,动作灵敏,尤其要杜绝补、排油同时进行这种空、氢侧换油。

(2)在各轴端加装柔性汽封。因为柔性汽封的间隙可以调整到 0.3mm,即使柔性汽封与轴相接触也不会伤轴,而且柔性汽封有自我复原功能,密封效果很好。同时,恢复各轴端挡汽板。

(3)各轴承室加装接触式油挡。油挡与轴颈间实现零间隙,合理维持轴承室负压在 150～250Pa之间,尽可能采用变频排烟机,既能保证轴承室负压在合理范围,同时可节电。

(4)在主油箱上加装在线滤油机,降低油中含水量,确保清洁可靠的供油源。

(5)提高平衡阀的调节精度和运行可靠性。提高平衡阀的调节精度可有效减少空、氢侧密封油的窜动量,防止密封油进入发电机。

1)防止平衡阀卡涩,调节失灵。检修后密封油系统运行初期,可采用平衡阀手动调节的方式,以防止检修后因系统不清洁造成的平衡阀部件卡涩。

2)检修后进行平衡阀调节试验,保证空、氢侧密封油压力平衡。平衡阀的目的是控制密封瓦内空、氢侧密封油环内的空、氢密封油不交换。基于这个原理,可关闭密封油箱补、排油门,观察并根据密封油箱油位变化对平衡阀进行调整,最终使密封油箱油位基本稳定,达到减少空、氢侧密封油在密封瓦内交换的目的。在机组正常运行中,根据密封油箱是在补油或排油,微调平衡阀,同样可减少空、氢侧密封油在密封瓦内交换。这种方法只适用于波纹筒式的平衡阀。

1.5 整改效果

富电总厂#4机组氢湿度原来经常严重超标,即使每天换硅胶并同时运行 2台吸附干燥器都不能保证氢湿度合格。但采用上述措施后,取得了良好的效果,#4机组近 1年再没有氢湿度超标现象发生。

2 密封油流量过大

2.1 密封油流量过大导致的危害

(1)密封油流量过大将导致密封油泵供油不足。

(2)密封油流量过大,超出平衡阀压差阀的调节范围,造成系统不稳定,发生油压摆动、窜油等一系列问题。

(3)氢侧密封油属于闭式循环,密封油流量过大,氢侧密封油的循环倍率增大,导致油质劣化。

(4)密封油流量过大,易造成发电机进油事故,直接危害发电机,而且油中水分更容易挥发,会导致氢气湿度超标。

2.2 密封油流量过大原因分析

密封油流量过大的原因一方面是由于系统部件损坏,间隙过大,使油量增加,它引起的油量增加易于判断;另一方面是由于密封油温度高,引起透平油黏度下降,导致流量增加,它是一种隐性、不易判断的过程。

发电机制造厂一般规定氢冷发电机空、氢侧密封油温度正常值为 40℃左右,而富电总厂 6台机组密封油温度大大超过了正常值。根据调查所得结果(见表 1),富电总厂氢侧密封油温度在 60℃左右,空侧密封油温度在 50℃左右。

表1 #1～#6机组密封油系统压力、温度

2.2.1 氢侧密封油流量计算

现对 40℃和 60℃时氢侧密封油经过密封瓦的流量进行计算。

由#22透平油的黏度 -温度图(如图 1所示)可以查出:#22透平油 40℃时的恩氏黏度 Et40=5,60℃时的恩氏黏度 Et60=2.25。

图1 #22国产透平油黏度 -温度图

根据恩氏黏度的定义,Et40,Et60可表达为

式中,t40,t60,tz分别为 200 cm3该流体在自重作用下流过直径为 2.8mm小孔所需的时间。

将式(1)和式(2)相比可得

式(3)中的环境是相同的,时间之比就是速度之比,即

式中:v40为密封油在 40℃时的流速;v60为密封油在60℃时的流速。

因为管路相同,则流量公式可以表达为

式中:qV40为密封油在 40℃时的流量;qV60为密封油在 60℃时的流量;A为管道的截面积。

40℃时候氢侧密封瓦的流量为

式中:μ为流量因数,一般取 0.5～0.7;A0为密封瓦的泄油面积;Δp为密封油经过密封瓦前后的压差;ρ为密封油的密度。

同理,60℃时氢侧密封瓦的流量 qV60=2.7×58.72=158.56(L/min)。

平衡阀的流量调节范围是 20～100L/m in,由计算结果可知,当氢侧密封油温在 60℃时,氢侧密封瓦的流量正常工作流量超出了平衡阀的调节范围。

2.2.2 空侧密封油的计算

现对 40℃和 50℃时空侧密封油经过密封瓦的流量进行计算(密封瓦间隙为 0.20mm)。

由#22透平油的黏度 -温度图可以查出:#22透平油 40℃时的恩氏黏度 Et40=5,50℃时的恩氏黏度Et50=3.25。

根据恩氏黏度的定义,Et40,Et50可表达为

将式(4)和式(5)相比可得

式(6)中的环境是相同的,时间之比就是速度之比,即

因为管路相同,流量公式可以表达为

40℃时候空侧密封瓦的流量

同理,50℃时空侧密封瓦的流量 qV50=158.56×1.54=244.18(L/min)。

密封瓦间隙若取 0.30mm,则 qV40=234L/min,qV50=359.33L/min。

通过计算可以看出,当空侧密封油在 50℃时,空侧密封瓦的工作流量为 244L/min,超出密封油泵额定输出流量(217 L/m in)和压差阀的额定流量(20～240L/min)。

以上密封瓦流量计算均以密封瓦与轴颈间隙为0.20mm时进行的,由于机组均为已运行 20～30年的老机组,轴颈表面粗糙度差,密封瓦磨损情况较严重,瓦间隙经常超标(一般为 0.30mm左右),流量也将大幅增加,以至于密封油泵和系统部件无法满足要求。

2.3 密封油流量过大的整改方案

(1)在密封油系统加装冷油器,使密封油温度在规定范围内运行。

(2)提高轴颈表面粗糙度,加强油质监督,防止密封瓦磨损。

2.4 补充说明

富电总厂原机组设计是有密封油冷油器的,但在机组投产初期,由于其内漏严重无法使用均已拆除。以前密封油压经常低,也未想到是油温高的影响因素。后期机组进行 DEH改造,调节系统的富裕动力油经减压后用于密封油,由于其油量充足,掩盖了密封系统用油量过大的问题,但在启、停机过程没有动力油的时候,这一问题就凸显出来。经过上述论证,为了保证机组的安全和调节精度,还是有必要加装冷油器。