论文部分内容阅读
【摘要】本文介绍了大型氢冷汽轮发电机运行中存在的氢气纯度和氢气湿度异常的原因、危害及防范措施。
【关键词】发电机氢气纯度；湿度；密封油进水；发电机绝缘；氢气干燥器
【中图分类号】TH【文献标识码】A
【文章编号】1007-4309（2014）03-0051-2
目前，600MW及以上大型氢冷发电机已成为我国电网的主力机组。其冷却方式绝大部分为水－氢－氢（即定子线圈水内冷，转子绕组定子铁芯及构件表面氢冷却），简称氢冷发电机。它们具有效率高，冷却效果好，安全可靠等优势。发电机氢冷系统中氢纯度和含氧量必须符合规定标准；氢气纯度应不低于96%，含氧量不应超过2%；制氢设备氢气系统中，气体含氢量不应低于99．5%，含氧量不应超过0．5%，如果达不到标准，应立即进行处理，直到合格为止。采用氢气冷却的发电机在运行和备用期间，发电机内腔充压0．3-0．5MPa，氢气与大气之间采用密封油系统隔绝。由于油氢之间的直接接触，若运行维护和控制不当，极易造成发电机进油，以及氢气纯度、湿度不合格，给大型发电机的安全稳定可靠运行带来潜在的危害。
一、发电机氢气纯度及湿度异常分析
（一）发电机氢气纯度下降原因分析
由于发电机内氢气压力比大气压力高（600MW机组氢压0．4MPa），外界空气不可能直接漏入发电机内；正常运行中，氢气压力比定冷水压力高，定冷水也不会漏入氢气中，只有密封油压力比氢气压力高（一般控制油氢差压在0．084MPa），所以造成氢气纯度低的主要问题都集中在双流环密封油侧。正常情况下，氢侧密封油箱应该保持稳定的油位，既不排油，也不补油。由于密封瓦空氢两侧不可能绝对的压力平衡，所以空氢两侧仍会有少量的油相互串流。溶解有空气的空侧油串入氢侧油后，在与发电机内氢气接触时，由于油压高于氢压，空气会释放到发电机内，导致机内氢气纯度下降。
如东方电机厂产的600MW发电机，容积约90方，氢气压力0．4MPa，每天漏进空气0．6方，整机漏氢8方，每天补气至额定压力，但不进行排气，则该发电机投产后的氢气纯度下降过程如下。
■
（二）发电机氢气湿度增大原因分析
发电机的油密封一般采用双回路供油系统，一路是供向密封瓦空侧油，另一路是供向密封瓦氢侧油，由于用油密封氢气，即使采用双回路供油，油中的水分和空气会逐渐进入氢气中，导致发电机密封油中含水超标。由于密封油取自汽轮机润滑油系统，在汽轮机运行中，由于各方面的原因，造成轴封蒸汽进入轴承油室，凝结成水进入油中。运行中密封油系统供油压力不正常，油压过高时油量大，带入发电机的空气和水分多导致氢气污染，含有较高水分的油在密封瓦中蒸发进入氢气内。发电机启动升负荷或低负荷运行，氢气冷却器冷却水量调整控制不当或冷却水温过低，流量过大，导致氢温过低产生凝露。内冷水系统机内接头和氢冷器微细渗漏也可能导致机内氢气湿度增大。发电机油水指示计失效或无远传报警功能，运行值班人员巡视检查维护不到位，未按规定进行排污排油水，造成油水长期沉积在发电机内蒸发，影响氢气湿度升高。
氢气干燥装置不够合理。目前氢冷大型发电机基本都是由转子两端的风扇随转子旋转产生风压差，在机内形成氢气封闭循环流动，当发电机在停运备用状态下，机内氢气差压消失，依靠压差进气的氢气干燥器氢气无法流动，干燥器不能对氢气进行干燥。氢气干燥器安装位置不合理，设备存在缺陷，发电机运行中干燥器投运不正常。大多数电厂的氢气干燥器设计安装在机零米层，由于管路长、管径小、阻力大、漏氢点多，自动装置不可靠，加之冷凝式氢气干燥器运行2小时后要停2小时进行除霜排湿，而设计配套是1机1台，便形成了停停开开的运行方式。
（三）发电机氢气纯度及湿度不合格的危害
氢气纯度及湿度不合格，混合气体的密度随氢气纯度的下降而上升，使发电机的通风摩擦损耗也随着氢气纯度的下降而上升，有资料认为，如果机壳内的氢气压力不变，氢气纯度每降低1%，通风损耗大约增加11%，降低了发电效率。氢气纯度不合格导致冷却效率降低，造成机内构件局部过热，同时有害气体的存在还会造成绝缘老化、铁芯及其金属部件腐蚀。若转子护环周围环境湿度在50%以下易引起转子护环产生腐蚀裂纹。氢气湿度过大对发电机定子绝缘的影响更大，一是水分在运行中蒸发为水蒸汽，使微细击穿点之间氢气介质导电率升高。二是水汽吸附在绝缘层上，侵入绝缘内部的水将造成内部导体与外部绝缘表面电位相等，成为等电位体，威胁发电机定子绝缘，诱发发电机绝缘事故。
■
二、发电机氢气纯度及湿度的异常处理及防范
（一）提高氢气质量
从氢气质量源头抓起，保证供氢站补向发电机的氢气纯度和湿度达到要求，干燥器能正常投入，确保进入储氢罐的氢气湿度，对补氢系统进行必要的完善，在机前补氢管道、输氢管道最低点适当增加排污放水点，在向发电机补氢前，先进行输氢母管的排污放水，并测定母管氢气纯度、湿度合格（常压下湿度≤2g/m3，露点≤-25℃）才能向发电机内补氢。保证发电机氢气干燥器正常投运，冷凝式氢气干燥器有条件时应将管径加大至50mm以上，并尽可能缩短管道长度，减少弯曲，减少管路阻力。最好每台机组安装2台干燥器，互为联动备用，在机组运行时，始终有1台干燥器随机运行。亦可采用开放式再生型的吸附干燥器，该双塔型干燥器将两个容器合并在一起，一个处于干燥模式而另一个备用或再生模式。用一个热吹风机和电动机的组合使氢气从发电机体内到干燥器组合中形成连续的流动。这就保留干燥器始终在线工作。
（二）防止密封油带水
防止密封油带水，关键是要使轴封系统经常处于最佳状态下运行，既要保持汽轮机真空不受影响，又要不让轴封蒸汽进入油中。检修时，轴封间隙必须调整合理。检修人员通过调整密封瓦间隙及平衡阀大小等措施来调整空侧油与氢侧油的互串问题，减小互串的程度，从而减缓氢气纯度下降速度。油净化装置要通过摸索规律，制订定期投运的周期，确保油中含水量不大于500mg/L；油的真空度不低于93．3-98．6KPa。排油烟（油汽）系统要正确合理，根据机组的特点，轴承室内保持一定的微负压。此外，轴封进汽自动调整装置要正常投入运行，并保证其在工况变化时，具有良好的跟踪性能。每当发生较大的变工况，如机组启动、停运过程或较大幅度变负荷时，运行人员都必须及时调整轴封进汽压力，运行中密封油系统应保持适当的供油压力。机组运行中要经常监视各回油窥视窗有无水珠和汽雾。每天取油样对油中含水情况进行分析，当油中含水超标时，应对油箱进行放水排污并投入润滑油净化装置运行。
（三）控制好发电机的运行风温和水温
切实控制好发电机的运行风温和水温，一般进风温度35-40℃，内冷水温42±2℃（大于冷氢温度）为佳。机组启动时，为防止机内湿度过高，可按氢压0．1MPa，内冷水压0．05MPa控制，但必须注意内冷水回路中不得发生断水现象，氢气冷却器冷却水先不投入运行，待机组并网带初始负荷再投入氢冷器自动调节装置，提高氢压和内冷水压，以避免低温状态下氢气凝露。
（四）加强对发电机冷却介质的监视
定期对发电机进行排油放水，完善发电机油水液位监测报警装置，创造条件配置在线监测仪表和远传液位报警装置。发电机氢冷系统和制氢设备中的氢气纯度和含氧量，在运行中必须按专用规程的要求进行分析化验。在供氢电解槽氢气出口管上应有带报警的氢中含氧量在线监测仪表。
（五）适当排补氢提高氢气纯度
因为要保持发电机内氢气压力稳定，所以某一段时间内，漏入或补入的气体方数应等于排出和泄漏的气体总方数。根据此，可对发电机氢气纯度变化过程做一些估算。发电机内氢气纯度下降后，需要通过氢气的排补来置换发电机内含有空气的氢气。若有一台发电机的氢气纯度已经很低，发电机在运行，不可能通过一次性大量排补来实现直接将纯度升至96%以上，需要一次性连续排补来实现。仍以东方电机厂生产的600MW发电机为例，原有氢气纯度为90%，分别计算每次排补15方、12方、9方（分别对应整机每天漏氢的合格、良好、优秀的限值）氢气纯度上升至97%的过程，结果如下图所示：
■
三、总结
近几年来，因为氢气纯度不合格，氢气湿度过大，已造成多次大型发电机绝缘损坏事故。充分认识氢气质量对大型发电机安全可靠运行的重要作用，并采取必要的行政、经济手段，督促有关人员共同努力，堵住油中进水的有形和无形通道。健全对氢气系统管理的责任制，加强对运行和备用发电机氢气质量检测、分析和监督。建议将大型发电机氢气质量监督纳入化学监督或绝缘监督考核的内容之中，与各厂经济责任制挂钩，兑现奖惩。各发电厂要因地制宜，结合设备系统特点和存在的问题，加大技改力度，尽快使设备系统完善合理，为发电机安全稳定运行创造条件。
【参考文献】
［1］李培元编著．发电机冷却介质及其监督［M］．北京：中国电力出版社，2008．
［2］卢洪坤主编．氢冷发电机的氢气纯度控制［M］．浙江省电力试验研究院科学技术文件，2011．
【关键词】发电机氢气纯度；湿度；密封油进水；发电机绝缘；氢气干燥器
【中图分类号】TH【文献标识码】A
【文章编号】1007-4309（2014）03-0051-2
目前，600MW及以上大型氢冷发电机已成为我国电网的主力机组。其冷却方式绝大部分为水－氢－氢（即定子线圈水内冷，转子绕组定子铁芯及构件表面氢冷却），简称氢冷发电机。它们具有效率高，冷却效果好，安全可靠等优势。发电机氢冷系统中氢纯度和含氧量必须符合规定标准；氢气纯度应不低于96%，含氧量不应超过2%；制氢设备氢气系统中，气体含氢量不应低于99．5%，含氧量不应超过0．5%，如果达不到标准，应立即进行处理，直到合格为止。采用氢气冷却的发电机在运行和备用期间，发电机内腔充压0．3-0．5MPa，氢气与大气之间采用密封油系统隔绝。由于油氢之间的直接接触，若运行维护和控制不当，极易造成发电机进油，以及氢气纯度、湿度不合格，给大型发电机的安全稳定可靠运行带来潜在的危害。
一、发电机氢气纯度及湿度异常分析
（一）发电机氢气纯度下降原因分析
由于发电机内氢气压力比大气压力高（600MW机组氢压0．4MPa），外界空气不可能直接漏入发电机内；正常运行中，氢气压力比定冷水压力高，定冷水也不会漏入氢气中，只有密封油压力比氢气压力高（一般控制油氢差压在0．084MPa），所以造成氢气纯度低的主要问题都集中在双流环密封油侧。正常情况下，氢侧密封油箱应该保持稳定的油位，既不排油，也不补油。由于密封瓦空氢两侧不可能绝对的压力平衡，所以空氢两侧仍会有少量的油相互串流。溶解有空气的空侧油串入氢侧油后，在与发电机内氢气接触时，由于油压高于氢压，空气会释放到发电机内，导致机内氢气纯度下降。
如东方电机厂产的600MW发电机，容积约90方，氢气压力0．4MPa，每天漏进空气0．6方，整机漏氢8方，每天补气至额定压力，但不进行排气，则该发电机投产后的氢气纯度下降过程如下。
■
（二）发电机氢气湿度增大原因分析
发电机的油密封一般采用双回路供油系统，一路是供向密封瓦空侧油，另一路是供向密封瓦氢侧油，由于用油密封氢气，即使采用双回路供油，油中的水分和空气会逐渐进入氢气中，导致发电机密封油中含水超标。由于密封油取自汽轮机润滑油系统，在汽轮机运行中，由于各方面的原因，造成轴封蒸汽进入轴承油室，凝结成水进入油中。运行中密封油系统供油压力不正常，油压过高时油量大，带入发电机的空气和水分多导致氢气污染，含有较高水分的油在密封瓦中蒸发进入氢气内。发电机启动升负荷或低负荷运行，氢气冷却器冷却水量调整控制不当或冷却水温过低，流量过大，导致氢温过低产生凝露。内冷水系统机内接头和氢冷器微细渗漏也可能导致机内氢气湿度增大。发电机油水指示计失效或无远传报警功能，运行值班人员巡视检查维护不到位，未按规定进行排污排油水，造成油水长期沉积在发电机内蒸发，影响氢气湿度升高。
氢气干燥装置不够合理。目前氢冷大型发电机基本都是由转子两端的风扇随转子旋转产生风压差，在机内形成氢气封闭循环流动，当发电机在停运备用状态下，机内氢气差压消失，依靠压差进气的氢气干燥器氢气无法流动，干燥器不能对氢气进行干燥。氢气干燥器安装位置不合理，设备存在缺陷，发电机运行中干燥器投运不正常。大多数电厂的氢气干燥器设计安装在机零米层，由于管路长、管径小、阻力大、漏氢点多，自动装置不可靠，加之冷凝式氢气干燥器运行2小时后要停2小时进行除霜排湿，而设计配套是1机1台，便形成了停停开开的运行方式。
（三）发电机氢气纯度及湿度不合格的危害
氢气纯度及湿度不合格，混合气体的密度随氢气纯度的下降而上升，使发电机的通风摩擦损耗也随着氢气纯度的下降而上升，有资料认为，如果机壳内的氢气压力不变，氢气纯度每降低1%，通风损耗大约增加11%，降低了发电效率。氢气纯度不合格导致冷却效率降低，造成机内构件局部过热，同时有害气体的存在还会造成绝缘老化、铁芯及其金属部件腐蚀。若转子护环周围环境湿度在50%以下易引起转子护环产生腐蚀裂纹。氢气湿度过大对发电机定子绝缘的影响更大，一是水分在运行中蒸发为水蒸汽，使微细击穿点之间氢气介质导电率升高。二是水汽吸附在绝缘层上，侵入绝缘内部的水将造成内部导体与外部绝缘表面电位相等，成为等电位体，威胁发电机定子绝缘，诱发发电机绝缘事故。
■
二、发电机氢气纯度及湿度的异常处理及防范
（一）提高氢气质量
从氢气质量源头抓起，保证供氢站补向发电机的氢气纯度和湿度达到要求，干燥器能正常投入，确保进入储氢罐的氢气湿度，对补氢系统进行必要的完善，在机前补氢管道、输氢管道最低点适当增加排污放水点，在向发电机补氢前，先进行输氢母管的排污放水，并测定母管氢气纯度、湿度合格（常压下湿度≤2g/m3，露点≤-25℃）才能向发电机内补氢。保证发电机氢气干燥器正常投运，冷凝式氢气干燥器有条件时应将管径加大至50mm以上，并尽可能缩短管道长度，减少弯曲，减少管路阻力。最好每台机组安装2台干燥器，互为联动备用，在机组运行时，始终有1台干燥器随机运行。亦可采用开放式再生型的吸附干燥器，该双塔型干燥器将两个容器合并在一起，一个处于干燥模式而另一个备用或再生模式。用一个热吹风机和电动机的组合使氢气从发电机体内到干燥器组合中形成连续的流动。这就保留干燥器始终在线工作。
（二）防止密封油带水
防止密封油带水，关键是要使轴封系统经常处于最佳状态下运行，既要保持汽轮机真空不受影响，又要不让轴封蒸汽进入油中。检修时，轴封间隙必须调整合理。检修人员通过调整密封瓦间隙及平衡阀大小等措施来调整空侧油与氢侧油的互串问题，减小互串的程度，从而减缓氢气纯度下降速度。油净化装置要通过摸索规律，制订定期投运的周期，确保油中含水量不大于500mg/L；油的真空度不低于93．3-98．6KPa。排油烟（油汽）系统要正确合理，根据机组的特点，轴承室内保持一定的微负压。此外，轴封进汽自动调整装置要正常投入运行，并保证其在工况变化时，具有良好的跟踪性能。每当发生较大的变工况，如机组启动、停运过程或较大幅度变负荷时，运行人员都必须及时调整轴封进汽压力，运行中密封油系统应保持适当的供油压力。机组运行中要经常监视各回油窥视窗有无水珠和汽雾。每天取油样对油中含水情况进行分析，当油中含水超标时，应对油箱进行放水排污并投入润滑油净化装置运行。
（三）控制好发电机的运行风温和水温
切实控制好发电机的运行风温和水温，一般进风温度35-40℃，内冷水温42±2℃（大于冷氢温度）为佳。机组启动时，为防止机内湿度过高，可按氢压0．1MPa，内冷水压0．05MPa控制，但必须注意内冷水回路中不得发生断水现象，氢气冷却器冷却水先不投入运行，待机组并网带初始负荷再投入氢冷器自动调节装置，提高氢压和内冷水压，以避免低温状态下氢气凝露。
（四）加强对发电机冷却介质的监视
定期对发电机进行排油放水，完善发电机油水液位监测报警装置，创造条件配置在线监测仪表和远传液位报警装置。发电机氢冷系统和制氢设备中的氢气纯度和含氧量，在运行中必须按专用规程的要求进行分析化验。在供氢电解槽氢气出口管上应有带报警的氢中含氧量在线监测仪表。
（五）适当排补氢提高氢气纯度
因为要保持发电机内氢气压力稳定，所以某一段时间内，漏入或补入的气体方数应等于排出和泄漏的气体总方数。根据此，可对发电机氢气纯度变化过程做一些估算。发电机内氢气纯度下降后，需要通过氢气的排补来置换发电机内含有空气的氢气。若有一台发电机的氢气纯度已经很低，发电机在运行，不可能通过一次性大量排补来实现直接将纯度升至96%以上，需要一次性连续排补来实现。仍以东方电机厂生产的600MW发电机为例，原有氢气纯度为90%，分别计算每次排补15方、12方、9方（分别对应整机每天漏氢的合格、良好、优秀的限值）氢气纯度上升至97%的过程，结果如下图所示：
■
三、总结
近几年来，因为氢气纯度不合格，氢气湿度过大，已造成多次大型发电机绝缘损坏事故。充分认识氢气质量对大型发电机安全可靠运行的重要作用，并采取必要的行政、经济手段，督促有关人员共同努力，堵住油中进水的有形和无形通道。健全对氢气系统管理的责任制，加强对运行和备用发电机氢气质量检测、分析和监督。建议将大型发电机氢气质量监督纳入化学监督或绝缘监督考核的内容之中，与各厂经济责任制挂钩，兑现奖惩。各发电厂要因地制宜，结合设备系统特点和存在的问题，加大技改力度，尽快使设备系统完善合理，为发电机安全稳定运行创造条件。
【参考文献】
［1］李培元编著．发电机冷却介质及其监督［M］．北京：中国电力出版社，2008．
［2］卢洪坤主编．氢冷发电机的氢气纯度控制［M］．浙江省电力试验研究院科学技术文件，2011．