浅析提高发电机氢气纯度降低能源消耗

方成荣 陈春亮

摘要：部分发电厂发电机在工作过程中，受到不可控因素的影响，会出现发电机内氢气纯度不高的问题，导致能源消耗过高，发电效率无法得到有效提升。本文针对大型发电厂发电机内氢气纯度不高的问题展开讨论，确定发电机内氢气纯度的相关影响因素，并结合应用实际，提出了对应的改进优化措施，旨在为解决发电机内氢气纯度低的问题，为汽轮发电机组的安全运行、长期维护提供参考性意见。

关键词：氢气纯度；密封瓦；密封油；提纯

前言：选取某发电厂1号、2号、3号、4号发电机组作为研究对象，其中1号与2号汽轮发电机组容量为300MW，投入使用日期为2003年，3号与4号发电机组在2013年投入使用，发电机组容量为600MW。4组发电机均采用水内冷的形式进行定子绕组冷却处理，氢气内冷应用于转子绕组，机组冷却氢气额定压力为0.4MPa。在发电机组运行过程中，氢气纯度必须高于96%，如果达不到氢气标准纯度标准的情况下，会影响发电机组的正常运行^[1]。4组发动机的转子两端采用密封油系统进行密封处理，避免出现氢气外泄或者空气侵入的问题出现。为了充分提升发电机氢气纯度，在实际发电过程中，需要阶段性进行氢气调换，在该过程中造成了重要的能源浪费，也影响了发电机组的工作效率^[2]。

1 密封原理

4组发电机采用的密封油系统均为双流环式油密封，通过对氢侧与密封油分空侧两个油路的作用，将油供应到环装配油槽中，当密封油按照轴向通过密封瓦的过程中，在转轴与内径的间隙位置排出，并通过氢侧密封油避免发电机出现氢气外泄的情况。在密封油路中，氢侧回油箱中的密封油来源于氢侧密封油泵，后续经过滤油器、冷却器、平衡阀之后，到达密封瓦的氢侧，并在间隙中进入消泡箱，处理之后沿着循环阀和平衡阀的流动实现对氢侧密封油压进行调节与控制，保证两侧密封油压保持一致。当空侧出现外界空气进入的情况下，密封油路会通过空侧回油箱获得密封油，在经过冷却器与滤油器之后，进入密封瓦的空侧部位，并全部流入回油密封箱之中，从而实现空气的隔绝，油侧的密封油来源于差压阀旁路，以此达到稳定空侧密封油压的效果，保持发电机内部气体压力小于密封油压的效果。

2 影响氢气纯度的因素

2.1 平衡阀

平衡阀是发电机组中的重要零部件之一，一般平衡阀可以分为汽端与励端两种类型，其平衡阀压力检测信号位置不同，其中汽端平衡阀压力检测来源于氢侧密封油压，而励端平衡阀的压力检测来源于空侧油压。平衡阀在工作过程中，压力检测传感器的信号变化会对齐开度产生改变，从而实现油压两侧的自动平衡与调整^[3]。一般而言，汽端与励端平衡阀的显示数值需要控制在±490Pa之间，并且平衡阀自身的信号管道阻力、调节进度、疲劳衰变、油质等相关问题均会影响平衡阀的实际工作效果。上述因素直接引起氢侧密封油压出现波动，导致密封瓦空侧与氢侧油压无法达到最终的平衡，对应串流量大大增大。在检修过程中，首先需要对引压信号管进行冲洗处理，减少堵塞的情况，也可以观察平衡阀内的油垢积累情况，确保弹簧、波纹筒等零部件的正常，在无法修复的情况下，考虑采用更换平衡阀的方式进行修复。

2.2 密封瓦间隙

一般而言，密封瓦的中间位置处其串油量与中间环和轴间所形成间隙之间个关系为三次方关系，当环与轴之间间隙不断增加的情况下，对应串油量也会有所增加，并且空侧的密封油流量会因此出现增大的情况，流动阻力不断减少，此时空侧密封油依然能够通过间隙与氢侧密封油之间形成联动，达成起亚平衡。减少环与轴之间的间隙，会减少串油量，并且密封瓦会在轴上产生浮动，轴间与中间环之间的间隙如果低于标准值的情况下，会导致发电机的两段轴承出现振动频率加大的情况^[4]。因此，在密封瓦间隙检修的过程中，需要重点对汽端励端密封瓦进行检查，判断密封瓦间隙是否保持在正常水平之内，如果出现间隙过大或者过小的情况，需要立即对密封瓦零部件进行更换处理。

2.3 密封油温度

密封油温度的变化最为直接的影响在于导致密封瓦与轴之间间隙产生变化，从而导致串油量的全面增加。此外，油气释放量也与密封油温度有着直接的关系。标准的密封油温度需要控制在38℃-49℃之间。对于部分机组转轴振动变化幅度较大的情况下，密封油温度可以在标准温度基础上±5℃。

2.4 氢侧回油箱排补油

回油箱的排油补油过程是通过浮球阀的工作来实现的，一般氢侧回油箱在进行排油补油的过程中，正常油位下浮球阀关闭，油位出现变化之后，对应的球阀打开，并产生对应的改变。一般情况下，当氢侧与空侧密封瓦的串油量出现降低的情况下，机器内的氢气纯度会维持较长时间。在机组检修过程中，1号与2号机组氢侧回油箱出现温度升高的情况，对应的补油管道触感发烫，表明此时浮球阀已经打开^[5]。在检修中，对1号和2号机组的氢侧回油箱排补油的浮球进行调整，避免同时出现排油与补油的过程。此外，在检查过程中还发现，3号机组排油管道温度上升，但是补油管道温度并没有明显变化，此时检修可以判定为空氢侧出现串流的情况，此时也会导致氢气纯度的下降。在修复过程中，可以通过对油氢差压调低的方式弥补串流对氢气纯度产生的影响。这种方式无法根本上解决该问题，但是有着一定的减缓作用。在氢侧密封油压较高的情况下，密封油计重在空侧，此时氢侧回油箱的油位出现显著降低，补油阀开始工作，调整之后可以适当将空侧密封油回流到油箱，但是这个过程会出现外部空气介入的情况，空气与水汽都会对密封油造成污染，尤其是在消泡箱中，杂质气体得到完全释放，对应氢气纯度无法得到提升。此外，当氢侧密封油压较低的情况下，空侧油压会流动到氢侧，并在消泡箱中出现积聚，扩容之后湿气与空气会导致氢气纯度出现迅速下降。

2.5 排烟风机

空侧密封油箱排烟风机工作效率不足或者停止工作的情况下，会导致空气杂质进入到密封油中，此时密封瓦中间环处的串油量会导致氢气纯度出现下降。在检测过程中，1号与2号机组的空侧密封油箱安装在运转层楼板下方，标高控制在11m，此时安装的排烟风机位置在密封邮箱下方6.3m位置处。风机工作压强3500Pa能够有效帮助密封油箱实现杂质清洁，但是在卧式布置的情况下，风机轴封以及壳体容易出现漏油的情况，需要进一步维修检查。此外，在风机排烟管道中，有一根规格为25mm的管道，为排污所用，其安装坡度不大，对应管径较小，当管道出现冷凝混合物在管道聚集的情况下，造成管径进一步缩小，也会导致风力机器工作降低。针对上述情况可以考虑加大管道直径为45mm，能够得到有效解决。

2.6 氢气湿度

氢气湿度产生变化是密封油在交换流动过程中不可避免出现的问题，由于水中的空气在不同温度下会析出，并且对应的氢气纯度也会出现显著下降。对于3号和4号机组而言，氢干燥装置属于冷冻式装置，在夏季温度显著升高之后，干燥器的内外温差会显著减小，其对应的工作效率也会出现明显下降，导致夏季状态下脱水效率无法得到保障，氢气纯度进一步受到影响。一般而言，在夏季温度较高的环境中，容易产生氢气湿度较高的情况。检修可以以维护控制氢冷器为主要手段，控制氢气湿度变化速率。

结语：综上所述，在外界因素影响下，大型电站发电机组出现氢气纯度不高的情况无法避免，但是因为密封瓦间隙变大、平衡阀迟缓等因素造成的氢气纯度不高可以得到有效解决。在发电机工作过程中，氢侧与空侧之间出现串油的情况较为常见，尤其是在密封瓦中间环处油压不平衡的状态是大型发电机组常见的一类检修故障，主要是受到双流环式密封瓦不足以及工作工况差所导致的。在实际应用过程中，检修工作需要对各个零部件以及影响因素进行检查，对不合格的部件进行及时更换，尽可能确保氢气纯度，提升发电机组工作效率。

参考文献：

[1]何天骄,陈跃明.燃煤电厂两种单流环式密封油系统对氢气纯度影响的分析[J].上海节能,2021,01:94-97.

[2]黄林燕.发电机氢气纯度快速下降的原因查找与处置[J].产业与科技论坛,2017,1618:73-74.

[3]梁学斌,刘永洛,郭海峰,王家国,王笑微,李烨峰.氢冷发电机单油环密封油系统改进[J].热力发电,2017,4610:106-110+118.

[4]喜静波,张燕滨.GE9F燃机发电机氢气纯度下降原因分析及对策[J].中国新技术新产品,2019,01:38-39.

[5]苏兴跃,张钊武,段赫.水氢氢发电机氢气纯度下降原因分析与处理[J].电力设备管理,2019,06:61-63.

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