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氢冷发电机漏氢分析与处理颜中科向朝晟东方电气股份有限公司, 成都 6136 摘要 : 采用氢气冷却的发电机漏氢分析与处理非常重要本文主要介绍了氢冷发电机漏氢的检查分析处理方法以及在静态和运行状态下气体漏量的计算, 探讨了密封油流量对漏氢的影响, 并以印度某电厂 6 MW 发电机组为例给予说明关键词 : 氢冷发电机 ; 漏氢 ; 计算 ; 密封油流量测量中图分类号 : TM36 文献标识码 : B 文章编号 : 11-96(215)4-37-4 Analysis and Treatment of Hydrogen Leakage of Generator YAN Zhongke, XIANG Chaosheng ( Dongfang Electric Corporation Limited, 6136, Chengdu, China ) Abstract: The root cause analysis and treatment of hydrogen leakage of the hydrogen-cooled generator is very crucial for the safe operation of the whole system. This paper mainly presents the hydrogen leakage inspection, cause analysis and resolutions, followed by description of effect of seal oil flow on hydrogen, leakage. A real example in a Indian power plant ( 6 MW) is given to analyze and calculate the hydrogen leakage both in static and running conditions where the leakage problem was sorted out. Key words: generator; hydrogen leakage; calculate; seal oil flow 氢气作为比重小流动性强的气体, 在很大程度上提高了传热和散热的能力, 因此大容量高参数的发电机普遍采用氢气作为冷却介质, 以便更好地带走发电机运行时所产生的热量但氢气的渗透性很强, 密封不好易发生漏氢, 一旦氢气漏量超标, 氢气与空气会在厂房内大量混合聚积, 容易发生着火氢爆等严重事故, 将直接影响发电机的安全运行采用氢气冷却的发电机漏氢量超标的因素很多, 涉及到生产安装调试运行等方面本文从工程建设阶段的角度出发, 重点介绍了调试运行阶段发现漏氢超标后采取的具体措施, 并以印度某电厂 6 MW 氢冷发电机组为实例进行分析 1 氢冷发电机漏氢方式根据氢冷发电机漏氢方式的不同, 一般分为外漏和内漏 1. 1 外漏氢气直接漏到大气环境中称为外漏, 主要是通过发电机内部本体结构和外部附属系统发生漏氢, 如 : (1) 与发电机本体结构有关的法兰密封 ; (2) 电气引出线的密封 ; (3) 与定子机壳连接的管道阀门连接管等处外漏是氢气通过发电机的密封间隙漏掉, 外漏点比较直观, 可以用肥皂液卤素检漏仪等多种设备和方法找到漏点, 易通过相应的措施予以处理 1. 2 内漏氢气漏到发电机油水系统中和封闭母线外壳内称为内漏, 发生氢气内漏的主要原因有 : 收稿日期 : 215-6 -24 作者简介 : 颜中科 (1982 - ), 男, 28 年毕业于西安交通大学电气工程专业, 硕士, 工程师现在东方电气国际工程分公司从事海外电力工程承包项目管理工作向朝晟 (1976 - ), 男, 21 年毕业于哈尔滨工业大学汽轮机专业, 大学本科, 工程师现在东方电气国际工程分公司从事火力发电站工程承包项目管理工作 37

(1) 发电机定子冷却水系统和氢气冷却水系统管道 (2) 发电机密封油系统设备 (3) 氢气漏进发电机的封闭母线内等内漏漏点的具体位置不明, 查找和处理都较为复杂, 且花费的时间也较长, 因此应提高发电机在生产安装调试上的精度, 尽量避免内漏现象的发生 2 氢冷发电机漏氢的初步分析处理及检验印度某电厂发电机, 型号 QFSN - 6-2 - 22F, 容量 6 MW, 采用定子绕组水内冷, 转子绕组氢内冷, 定子铁芯氢冷, 额定氢气压力. 45 MPa 在试运阶段发电机的漏氢量一直保持在合格范围内, 运行一段时候后发电机系统每天的漏氢量远远超标 2. 1 氢冷发电机组漏氢的初步分析对该机组发电机本体定子冷却水系统密封油系统氢气冷却器等系统进行初步查找, 未发现明显的外漏点但在厂房屋顶发电机侧排烟风机的排气口检测到氢气浓度超标, 迅速达到卤素检漏仪的峰值 ( > 1 ppm), 同时检测到发电机励端氢气浓度超标, 在采取调整密封油压差等措施后均不能有效降低漏氢量根据以上现象, 初步分析漏氢是发电机励端密封设备的密封出现问题, 有以下几种可能 (1) 密封瓦磨损变形或瓦与轴颈面的间隙不满足要求, 导致油密封氢气的性能降低 (2) 密封座上弹簧的弹性性能降低, 不能使密封瓦灵活复原 (3) 密封瓦与密封座配合不当, 造成密封瓦卡死 (4) 端盖上下中分面密封座与过渡环之间的密封胶失效, 出现间隙 (5) 发电机轴颈表面 ( 冷态时, 密封瓦与转子对应的接触面 ) 磨损, 造成密封瓦与轴颈的间隙偏大为了人员和设备的安全, 现场做出了立即停机检查的决定 2. 2 氢冷发电机组漏氢的初步处理在停机机组停机冷却后, 对发电机励端解体, 做了细致的检查后发现以下问题 (1) 励端密封瓦内圆有局部磨损 (2) 过渡环绝缘板粘接面可能存在间隙, 造成该位置密封油泄油漏氢 (3) 转子轴颈密封面整圈有磨损, 磨损面为氢侧至空侧一个斜面, 最深划痕尺寸 :. 18 mm( 深 ) 4 mm ( 宽 ) 根据检查结果, 电厂对轴颈缺陷部位进行了补焊处理, 同时更换了密封瓦弹簧, 重新粘接过渡环绝缘板等 2. 3 氢冷发电机组漏氢处理后的检验对漏氢点处理后, 一般是通过计算静态下发电机气体泄漏量来检验泄漏处理是否合格 2. 3. 1 发电机本体气体泄漏量的计算 ( 静态 ) 6 MW 单流环密封结构的发电机气体泄漏量按机内压力. 3 MPa 以下. 3 MPa 以上分别考核当机内压力在. 3 MPa 以下, 按公式 (1) 计算发电机气体的漏量 ( 换算到给定状态 P =. 1 MPa, t = 2 ): ΔV = V æ T ö ø 24 æ è Δt P1 + B 1 t 1 + 273 + P 2 + B 2 ö è t 2 + 273 ø (1) P 式中 : ΔV 发电机 24 h 气体的泄漏量, m 3 V 发电机充气容积, 东方电机 6 MW 发电机充气容积为 86 m 3 T 给定状态下大气绝对温度, T = 273 + t = 293 K P 给定状态下大气绝对压力,. 1MPa Δt 试验持续时间, h P 1 试验开始时机内气体压力, MPa B 1 试验开始时当地大气绝对压力, MPa t 1 试验开始时机内气体平均温度, P 2 试验结束时机内气体压力, MPa B 2 试验结束时当地大气绝对压力, MPa t 2 试验结束时机内气体平均温度, 当机内压力在. 3 MPa 以上时, 溶解在氢侧密封油回油中且被带走的气体量较大而需要考虑, 这部分气体漏量按公式 (2) 计算 : Q = 14. 4 P q V (2) 式中 : Q 24 h 气体在密封油中的溶解量, m 3 38

P 机内绝对压力, MPa q 氢侧密封油回油量, L / min V 溶解率 ( 空气和氢气在密封油中的溶解率时, 氢压. 45 MPa, 考核发电机 24 h 漏氢量应减去密封油溶解并带走的这部分氢气, 按公式 (4) 计算 : 见表 1),% ΔV = ΔV - Q (4) 表 1 空气和氢气在密封油中的溶解率 ( 部分温度 ) 按照公式 (4) 计算发电机本体的 24 h 的漏氢温度 / 空气溶解率 / % 氢气溶解率 / % 38 1. 244 5. 64 39 1. 31 5. 72 4 1. 376 5. 8 49 1. 97 6. 52 5 11. 36 6. 6 51 11. 12 6. 68 进行发电机气体泄漏试验 ( 静态 ) 时, 发电机内充入的空气基本处于静止状态, 很大程度上影响了压缩空气在密封油中的溶解在计算发电机的空气漏量时将溶解量减半, 即压力在. 3 MPa 以上时, 24 h 气体的漏量 ΔV 按公式 (3) 计算 : ΔV = ΔV -. 5Q (3) 参考相关技术参数要求, 如果值小于 1 m 3, 说明发电机本体静态气密性试验合格 2. 3. 2 发电机本体氢气泄漏量的计算 ( 运行 ) 6 MW 单流环密封结构的发电机正常运行量, 并参考相关技术参数要求, 如果值小于 14 m 3, 说明运行时发电机的漏氢量是合格的, 否则应重新分析查找, 并尽快处理漏点 2. 3. 3 发电机系统总补氢量的计算在国标 GB / T764 28 隐极同步发电机技术要求中说明以下的两项为正常氢气消耗 : (1) 氢气纯度分析仪尾气排至厂房外, 24 h 所消耗的氢气约为 1. 2 m 3 ; (2) 单流环式密封油系统中密封瓦氢侧回油所带走的氢气量发电机系统 24 h 实际的氢气泄漏量按公式 (5) 计算 : 总补氢量 = ΔV + 1. 2 + Q (5) 2. 3. 4 漏氢初步处理后的检验对该机组的缺陷部位进行了处理后, 在静态 ( 盘动转子的状态 ) 下充入空气, 对发电机本体进行气体泄漏气密性试验试验测得的各项参数见表 2 表 2 气密性试验起始结束数据 Δt / h P 1 / MPa B 1 / MPa t 1 / P 2 / MPa B 2 / MPa t 2 / P / MPa q / (L min - 1 ) V / % 24. 45 44. 1 36. 25. 451 52. 1 38. 96. 45 6. 177 1. 244 按照公式 (1)(2)(3) 及表 2 中的数据, 计算出 24 h 发电机本体空气的漏量为. 981 m 3, 空气漏量小于规定的 1 m 3 / 24 h, 由此判断静态发电机气静态气密性试验合格后, 恢复系统重启机组, 在负荷 42 MW 稳定运行后记录其中一次补氢区间的各项参数见表 3 密性试验合格表 3 一次补氢的起始结束数据 Δt / h P 1 / MPa B 1 / MPa t 1 / P 2 / MPa B 2 / MPa t 2 / P / MPa q / (L min - 1 ) V / % 1. 369 17. 1 5. 38. 349 92. 1 5. 87. 45 6. 21 6. 6 按照上述公式计算出 24 h 发电机本体的漏氢量约为 34. 6 m 3, 相对于处理前每天补氢量虽然有了明显改善, 但仍超过了规定的 14 m 3 的标准, 说明还需要在其它方面消除漏点, 电厂再次停机处理 3 发电机密封油流量对漏氢的影响印度电厂的 6 MW 级汽轮发电机油密封系统一直是以差压和就地压力来衡量油密封的性能, 总的来说以密封氢气同时防止发电机内部进油为主, 从未进行过油流量的检查和考核该机组密封油系统的差压和就地压力的整定都比较优良, 在静态下发电机的气密试验合格, 但在运行中漏氢量却远远超标 39

3. 1 密封油流量要求的理解印度电厂 6 MW 发电机的技术数据表中说明汽励各端密封油流量 9 L / min, 总流量 18 L / min, 对主机应该理解为发电机在额定工况最高差压密封瓦在最大间隙情况下的油流量, 也就是最大油流量 ; 对密封油集装 ( 辅机 ) 应该随时能保证对发电机供油辅机供油口处的油流量最小应具备 18 L / min 的能力很多人认为流量越大越好, 其实不然, 有些技术问题值得探讨 3. 2 运行中油流量的计算发电机在额定转速时优良的轴振动 ( 水平轴向 ) 值应小于. 76 mm, 即轴振的最大值为. 76 mm 为保证密封瓦不因振动碰撞轴颈, 密封瓦与轴颈的最小间隙取自. 76 2. 15 mm; 最大间隙取自油膜厚度, 油膜厚度一般为. 1 mm ~. 12mm 考虑密封油粘度, 密封瓦与轴颈的最大间隙取. 135 2 =. 27 mm, 密封瓦能密封氢时与轴颈的间隙一般是在. 15 mm ~. 27 mm 范围内同时 6 MW 发电机油密封差压要求整定在. 36 MPa ~. 76 MPa 范围内将每. 1 mm 的截面积视为等截面积, 忽略 ~. 27 mm 对轴直径的影响, 按流量公式等分原则 ( 按流量计算公式, 压力一定时单截面的流量与面积成正比 ), 在最大差压情况下, 每. 1 mm 截面的流量约为 : 9 / 27 3. 333 L / min 则最大差压情况下最小流量约为 15 3. 333 5 L / min 最大差压情况下最大流量约为 27 3. 333 9 L / min 因此在正常运行过程中, 在最大油密封差压下, 密封瓦需要的油流量是 5 L / min ~ 9 L / min 3. 3 运行工况下最合适的油流量在实际运行过程中, 若泵压差压在最高范围内运行, 那么设备寿命短, 在低参数范围内运行抗干扰能力低密封油系统也最好在中间偏上状态下运行最经济取差压按照最大值的 8% 整定, 密封瓦与轴颈的间隙取. 2 mm 考虑, 在实际运行中最合适的流量约为 : 2 3. 333 8% 53. 33 L / min 汽端轴颈相对略大, 最合适油流量略大于 53. 33 L / min 励端轴颈相对略小, 流量也可能略小于 53. 33 L / min 汽端励端需要的油流量最合适的流量都应该在 5 L / min ~ 6 L / min 3. 4 密封油流量对漏氢影响的处理分析该机组在漏氢量为 32. 8 m 3 的运行状态下, 记录差压为. 76 MPa 使用超声波流量测试仪, 测得零米层密封油集装系统上泵口流量 : 281 L / min ~ 289 L / min, 汽端密封油进油流量 : 52 L / min ~ 59 L / min, 励端密封油进油流量 : 34 L / min ~ 35 L / min 油集装系统上泵口流量 281 ~ 289 L / min, 说明泵的能力满足密封油总流量 18 L / min 的要求, 汽端测得的油流量在密封瓦所需要的油流量最合适的范围内, 而励端的进油流量小导致密封住氢气的能力偏低, 说明密封油管道有阻塞的可能停机拆除密封油管道后, 发现密封座进油孔处法兰 ( 端盖上 ) 加了滤网, 约 16 目 ~ 2 目, 且滤网上有明显的颗粒设计中是不允许在此处增加滤网, 滤网及滤网上的颗粒阻塞了进油在去除上述滤网冲洗密封油管道系统并回装后, 重新做了静态下气密试验为合格同时在静态下测得汽端进油流量是 19 L / min ~ 22 L / min, 励端进油流量是 29 L / min ~ 31 L / min 在负荷 42 MW, 差压. 64 MPa 的稳定运行状态下, 测得汽端密封油流量为 57 L / min ~ 6 L / min, 励端油流量 54 L / min ~ 56 L / min 记录其中一次补氢区间的各项参数见表 4 利用公式 (1)(2)(4) 计算出发电机漏氢量大约在 1. 4 m 3 / 24 h, 在合格范围内根据业主的统计, 整个发电机系统 24 h 的实际补氢量约为 15 m 3, 与根据公式 (5) 计算出的总补氢量 14. 3 m 3 数据基本吻合, 说明发电机漏氢量满足技术要求, 可以正常运行此次测量的油流量的结果说明密封瓦所需油流量在静态下远比在运行中要低, 即使在静态下发电机气密试验合格, 但机组在运行过程中也可能发生漏氢量超标, 该机组经过初步处理后仍然漏氢正是这种现象 ( 下转第 47 页 ) 4

需注意的是使用滑环式组合密封时, 允许内泄漏量为规定的 2 倍液压缸采用活塞密封时的内泄漏量的要求由制造商与用户协商确定采用沉降量检查内泄漏时, 沉降量不超过. 5 mm / min 除活塞杆处外, 其他各部位不得有渗漏, 并且活塞杆静止时不得有渗漏对于活塞式单作用液压缸的外泄漏有以下规定 (1) 当活塞行程 L 5 mm 时, 活塞换向 4 次, 活塞杆处外渗漏不成滴换向 4 次后, 活塞每移动 8 m, 活塞杆的直径 d 5 mm, 外泄漏量 q v. 5 ml; 当活塞杆的直径 d > 5 mm, 外泄漏量 q v. 1 dml (2) 液压缸的负载效率不得低于 9% (3) 液压缸的缸体应能承受其公称压力的 1. 25 ~ 1. 5 倍压力, 不得有外泄及零件损坏的现象 (4) 液压缸的装配应符合 GB / T7935 25 中 4. 4 ~ 4. 7 的规定装配后应能保证液压缸运动自如, 所有对外连接螺纹油口边缘等无损伤, 液压缸活塞行程长度公差应符合表 7 的规定 5 结语文章作者对火电汽轮机调节系统的几个重要环节进行了比较详细的分析, 并且对各个环节的关键性能指标给出了参考数据随着科学技术的行程 L L 5 5 < L 1 1 < L 2 2 < L 4 表 7 行程长度公差 mm 公差值 + 3. + 4. + 5. + 6. 迅速发展, 对汽轮机自动控制的要求也越来越高, 各项参数指标也将不断更新, 本文可为设计及校核该方面产品的技术人员提供一个参考参考文献 : [1] 倪维斗, 徐基豫. 自动调节原理与透平机械自动调节 ( 第二版 )[M]. 北京 : 机械工业出版社, 1988 [2] 王爽心, 葛晓霞. 汽轮机数字电液控制系统 [M]. 北京 : 中国电力出版社, 24 [3] 肖增弘, 徐丰. 汽轮机数字式电液调节系统 [M]. 北京 : 中国电力出版社, 23 [4] 汪首坤, 王军政, 赵江波, 等. 电液伺服阀静动态性能测试系统的研制 [J]. 液压与气动, 23(2) [5] 周渊. 基于 MATLAB 的双喷嘴挡板电液伺服阀动态仿真 [ D]. 武汉科技大学硕士学位论文, 211 [6] 刘迎春, 叶湘滨. 传感器原理设计与应用 ( 第四版 )[ M]. 长沙 : 国防科技大学出版社, 22 [7] 吴振顺. 液压控制系统 [M]. 北京 : 高等教育出版社, 28 ( 上接第 4 页 ) 表 4 一次补氢的起始结束数据 Δt / h P 1 / MPa B 1 / MPa t 1 / P 2 / MPa B 2 / MPa t 2 / P / MPa q / L / min V / % 14. 431 73. 1 51. 25. 422 15. 1 51. 41. 45 6. 21 6. 68 每个项目发电机的密封瓦与轴颈的间隙差压泵口压力等的整定值都不一样, 但测量密封油的流量可以大致判断出是否满足密封瓦的需求 4 结语发电机组氢气系统的范围比较广, 漏氢的原因比较复杂, 漏氢的现场处理除了应按通常对漏氢进行初步分析处理消除设备和系统缺陷外, 还应通过在静态和运行工况下的气体泄漏计算进行检验分析本案例还说明根据实测的密封油流量可以对密封系统的状况作出大致的判断, 密封油流量的测量是检查和验证漏氢及其处理结果的非常重要的手段和方法参考文献 : [1] DL / T67 1996 汽轮发电机漏水漏氢的检验 [S] [2] GB / T764 28 隐极同步发电机技术要求 [S] [3] 李伟清. 汽轮发电机故障检查分析及预防 [M]. 北京 : 中国电力出版社, 22 47