双油环密封油结构汽轮发电机补氢量大的原因分析.doc

双流环密封油结构汽轮发电机补氢量大的原因分析 双油环密封油结构汽轮发电机补氢量大的原因分析一、简介1 、氢气特性氢气是一种无色、无味的气体，在标准状况下的体积质量为0.08987g/L。氢气的分子运动速率最快，从而有最大的扩散速度和导热性，其导热能力是空气的7倍，因此在大型发电机组中普遍采用氢气作为冷却介质。另外氢气较其他气体的粘度较小，这样可以降低转子的阻力，从而大大提高发电机的效率。保持氢气的纯度接近100可最大限度地提高发电机的效率。氢气是一种无色、无味的气体，在标准状况下的密度是0.08987g/L。氢气的分子运动速率最快，从而有最大的扩散速度和导热性，其导热能力是空气的七倍，因此在大型发电机组中普遍采用氢气来作为冷却介质。另外氢气较其他气体的粘度较小，这样可以降低转子的阻力，从而大大提高发电机的效率。保持氢气的纯度接近100是对冷却优化的要求，这会最大限度地提高发电机的效率。然而氢气与空气的混合物超过一定范围（当氢气浓度在474，而且氢气的最小着火能量仅为0.02mJ）后会发生爆炸，所以对于发电机安全运行来说，保持合格的氢气纯度至关重要。2、双流环密封油系统简介2.1汽轮发电机密封油系统由空侧和氢侧两个各自独立又互有联系的的油路组成，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。来自汽轮发电机组轴承的回油，经空侧密封油泵升压后，通过空侧密封油冷油器、滤网到发电机汽、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0.085Mpa。空侧密封油的回油排至发电机支持轴承的回油系统。氢侧密封油经氢侧密封油泵升压后，通过氢侧密封油冷油器、滤网，再分成两路分别通过发电机汽、励端平衡阀到发电机汽、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50mm水柱,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。2.2密封油系统功能2.2.1向密封瓦提供二个独立循环的密封油源 2.2.2保证密封油压力高于发电机内气体压力某一个规定值，并确保密封瓦内氢侧与空侧油压相等，其压差限定在允许变动的范围之内。 2.2.3通过热交换器冷却密封油，从而带走因密封瓦与轴之间的摩擦损耗而产生的热量，确保瓦温与油温控制在要求的范围之内。 2.2.4通过滤油器，去除油中杂物，保证密封油的清洁度。 2.2.5通过发电机消泡箱和氢侧回油控制箱，释放掉溶于密封油中的饱和氢气。 2.2.6空侧油路备有多路备用油源，以确保发电机安全、连续运行。 2.2.7利用压差开关、压力开关及压差变送器等，自动监测密封油系统的运行。 2.2.8空、氢侧各装有一套加热器，以保证密封油的运行油温始终保持于所要求的范围之中。 2.2.9密封油系统大部分部件集中安装于一块底板中，便于运行巡检和维修。2.3密封油系统原理图2.4发电机密封油箱的结构从图中我们不难看出，1、3是由浮子控制的自动排油阀、补油阀；2、4是强制开启自动排油阀、补油阀的顶针，它们是在自动排油阀、补油阀失去控制，需强制开启自动排油阀、补油阀对密封油箱进行强制的排油、补油时，旋转手轮将自动排油阀、补油阀顶起，在正常运行中2、4这两个手轮应是在旋出退出位置；5、6手轮控制的螺杆是用来在自动补油阀、排油阀故障时，强制关闭自动补油阀、排油阀的，在正常运行中5、6手轮也是在退出位置。（在我厂只有5、6机的密封油箱顶部装有5、6手轮）三、双油环密封油结构汽轮发电机目前存在的问题目前，国内双流环密封油结构的氢冷发电机存在不同程度的补氢量大问题。氢冷发电机的氢气消耗除了增加氢气本身的成本外，还因氢冷发电机氢气纯度下降而导致发电机效率低、线圈温度升高到问题，严重影响发电机的安全经济运行。另外由于设备结构、运行、检修方面的原因，造成发电机内进油，引起发电机线圈绝缘下降，给发电机安全运行带来隐患。因此，解决双流环密封油结构的氢冷发电机补氢量大的问题十分重要。四、发电机补氢量大的原因分析1、氢气纯度不合格，将会直接影响机组的安全。如果氢气纯度下降至爆炸范围内，在一定的条件下可能会引起发电机内氢气爆炸；氢气纯度不合格将导致冷却效率降低，造成机内构件局部过热；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。由于发电机氢气额定压力在为0.3MpPa，所以常压空气是进入不到不可能进入发电机中。在密封油系统中，空气进入发电机的唯一途径是氢侧密封油携带的空气释放到发电机氢气中。2、实际运行中很难控制空侧密封油和氢侧密封油压力的平衡按照双流密封油结构密封瓦设计原理来讲，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、氢侧密封油的交换，才能防止空侧油系统中夹带的空气等进入氢侧密封油系统。但实际运行中由于设备结构等方面很难控制空侧密封油和氢侧密封油压力的平衡。 造成空侧密封油和氢侧密封油压力不平衡的第二个主要原因是空、氢侧密封油压力的测量误差。机组运行中只有维持密封瓦与转轴之间的油压平衡，才能减少空、氢侧密封油的互相窜动，但由于设备结构的原因，目前只能测量密封瓦上的空、氢侧密封油进油处的压力作为平衡阀的调节信号，因此必然造成测量误差，平衡阀不能有效维持空、氢侧密封油压力的平衡，从而引起发电机补氢量增大。1、平衡阀因素1.1 平衡阀原理：平衡阀分汽端和励端二只，其信号分别取之于各自密封瓦处的空、氢侧油压，通过空、氢侧油压的变化自动调节平衡阀开度的大小，从而使空、氢侧在密封瓦处的油压差始终保持在50mmH2O之内。平阀工作失常首先表现在空氢侧微差压计上，其值偏差较大的原因有以下几点： 1.1.1油质脏，活塞被卡住。 1.1.2传压管较细，通常应加大到181.5mm左右,以提高平衡阀的工作灵敏度和平衡精度。（于密封瓦处空、氢侧密封油压压差仅几个mmH2O，油路或信号管稍有堵塞或杂质均会使平衡阀调节不灵敏现象的发生。）1.1.3平衡阀杆间隙、活塞间隙加工或密封不好，存在漏油现象。若是平衡阀杆间隙漏油，那么氢则工作油将进入到氢侧信号油室，使氢侧信号油压力升高，造成氢侧油压低于空侧油压，使微差压计的偏值增大。其影响程度取决于从平衡阀出口至密封瓦之间的氢侧供油管产生的阻力压降、平衡阀杆的漏流间隙以及氢侧压力信号管的通径等。 1.1.4平衡阀有调节能力是有限的，若发现微差压计偏差较大，应首先调节氢弹侧油泵出口旁路阀，使其汽、励端空气侧的差压尽可能的达到最小，然后再分别调节各自的平衡阀，使空氢侧的压差达到小于500Pa。 1.2由于平衡阀不可能保持空氢侧油压的绝对平衡，因此空氢侧密封油发生窜油将会不可避免。当空侧油压高时，空侧油窜到氢侧，再经密封油内油档被发电机风扇吸卷，将油中携带的空气释放到发电机内，同时氢侧油箱油位升高，自动排油阀打开排油；当氢侧油压高时，氢侧油窜到空侧，氢侧油箱油位降低，自动补油阀打开，使含空气量较高的空侧油补充到氢侧油箱，并进入氢侧油循环，最终将空气释放到发电机内。因此无论是氢侧还是空侧油压高，都将导致发电机内氢气受到污染，氢气纯度下降，补氢量增大。尤其是当空氢侧密封油存在较大的不平衡时影响更大。停机时，释放到发电机内的空气因受重力作用，还将逐渐下沉到发电机底部，聚集到发电机死角和低点处，造成发电机局部将油纯度不合格，产生局部氢爆的危险。因此如何尽可能的保持空氢侧油压平衡，是解决该问题的关键所在。运行中要求空氢侧油压差在50mmH2O，一般以密封油系统上的调端和励端的平衡表为判断油压平衡的依据，辅之以汽轮机运行平台就地空氢侧油压表。但由于现场压力表计的误差，以及平衡表取压信号存在误差，往往平衡表调平衡了，而实际空氢侧油压并没有平衡。个人觉得调整平衡阀应以平衡表为粗调信号，而以氢侧油箱补排油管道的温度为细调信号。这是因为正常运行时空氢侧回油温度在5060左右，若空氢侧油压比较平衡，就会出现氢侧油箱补油和排油量很微小的情况，补排油管道就会是冷的或者微热。若运行中补油或排油管道很热，说明氢侧油箱在补油或排油，那么空氢侧密封油一定存在着较大的不平衡，因此即使是表计平衡了，还是需进一步调整平衡阀。1.3提高平衡阀的调节精度和运行可靠性的措施1.3.1防止平衡阀卡涩，调节失灵：检修后密封油系统运行初期，可采取用平衡阀旁路阀手动调节，防止检修后因系统不清洁造成的平衡阀部件卡涩。1.3.2 采用新型平衡阀：据悉国内某单位研制成功了阀芯连续旋转的平衡阀，这种平衡阀采用密封油做为动力油推动阀芯以一定速度旋转，可防止密封油中杂质造成阀芯卡涩。（有待考证）1.3.3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。通过试验可找出规律，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。2差压阀因素2.1差压阀介绍：差压阀的执行机构实际上是一个内置式波纹筒，波纹筒上部接有发电机内氢气压力信号，波纹筒内部接有空侧密封油泵出口压力油信号，氢气压力和油压差值的变化造成波纹筒的上下移动，从而带动下部阀门的移动，氢气压力变化时，密封油也相应变化，始终保持油压大于机内氢压0.084Mpa。但在实际过程中经常发现油氢差压发生变化，尤其在低氢压时变化更大，其原因大致有以下几点： (1)由于产品本身质量所造成的。调试过程中常发现差压阀在额定氢压时调节性能较好，而在偏离额定工况时调节性能就不是太好，这说明调节弹簧的线性不理想，运行过程中要经常调整。 (2)波纹筒破裂。 (3)波纹筒内空气未放尽。因为空气为可压缩性气体，部分吸收了油压的变化，对调节性能影响较大。 (4)腔体内杂质较多，特别是新建机组，安装前需对传压管仔细清理以保证油质的清洁。 3、密封瓦间隙因素3.1发电机转子与密封瓦之间间隙对串流量的影响如下式所示：Qdpc3（12l）（1） 其中Q密封油间的串流量 p空、氢侧密封油微差压 d转子轴径 c中间环和轴间的间隙 透平油的动力粘度 l中间环长度 由上式可见，密封油间的串油量与密封瓦中间环与轴的间隙成三次方关系，间隙越小，氢气越容易密封，空、氢侧密封油间的串流量也会越小。但密封瓦与发电机轴之间的间隙是一个比较难协调的矛盾，由于密封瓦是浮动在轴上的，该间隙太小，极容易引起发电机两侧轴承振动的增大。该间隙太大，不但引起串流量的增加，同时由于空侧密封油流量大，流阻小，空侧油直接通过中间间隙流至氢侧油处，会造成氢侧油的虚假油压，此时虽然空、氢侧密封油微差压计上显示空、氢侧密封油已达到较好的平衡，但实际上密封瓦中间环的串流量还是很大。因此密封瓦检修时应严格按照标准，保证密封瓦的间隙尽量靠近下限，以减少密封油流量，并保证密封瓦不被磨损；另外就是采用高精度密封油滤网，降低密封油中的颗粒度，从而减少密封油中的微小颗粒与密封瓦及轴颈的相对流动产生的研磨。对于300MW汽轮机（我厂一期为西门子-西屋公司的350MW机组），密封瓦直径间隙为0.23-28mm（我厂发电机密封瓦径向间隙0.230.28mm），当运行中密封瓦间隙从0.15 mm增大到0.28 mm时，密封油流量将大大增加，而由于空、氢侧密封油之间不可避免的存在压差，密封油流量的增加将导致空、氢侧密封油的交换量成倍增加，空侧密封油中携带的空气、水分等通过交换进入氢侧密封油中，再通过氢侧密封油与氢气的接触进入到发电机氢气中污染氢气，降低氢气纯度。密封油量的增大将会造成静压回油管路不畅，发电机氢侧回油腔室（消泡箱）油位升高到超过轴颈最低位置时，将造成发电机进油。3.2现300MW密封油系统的空氢侧密封油均采用刮片式滤网，但实际上这种刮片式滤网只能起算作粗滤网，不能有效过滤掉密封油中的微小颗粒。正是由于密封油流中的微小颗粒与密封瓦及轴颈的相对流动产生的研磨，加剧了密封瓦与轴颈的磨损，导致了运行密封瓦间隙的增大。据悉国外已淘汰刮片式滤网，国内有电厂以过滤精度0.01mm或以下的纤维滤网替代刮片式滤网的运行实例。（有待考证）4、密封油温度因素4.1密封油温度对氢气纯度的影响主要表现在密封油温度的改变使密封瓦与轴之间的间隙改变，从而使油的串流量改变。油温改变对间隙的影响关系式如下：c1sealdt（2）c2rotor dt cc1c2 其中c间隙改变量 seal密封瓦线形膨胀系数 rotor轴线形膨胀系数 d轴径 t温度改变量 同时油温的改变使得油的动力粘度改变，油的流动特性改变使油的串流量改变。4.3发电机密封油温度高密封油的粘度随油温的升高而降低，在同样的流通面积内，要维持一定的密封油压力，当密封油温度高时，就需要较大流量的密封油。同样密封油温度的升高，将导致密封瓦间隙增大，这同样需要增大密封油流量才能维持一定的密封油压力。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在27-50之间。在密封油冷却水量充足的情况下，为了减小空氢侧密封油交换量，可尽量控制密封油温保持低限运行，原则是发电机轴承振动不受影响。对于300MW汽轮发电机集装式密封油系统，其空、氢侧密封油系统的冷油器的出口油温有一个调节门控制，一般维持在42左右。油温在42时的粘度比27时小，要维持一定的密封油压，则需要较大的密封油流量。同样，由于密封油温的升高，密封瓦的内径将增大，这样要保证发电机内氢气不外泄，同样需要增大密封油流量来维持一定的压力。因此密封油温度过高将导致密封油流量增大，按照上边的分析，同样会引起发电机内氢气纯度下降。5、排烟风机因素5.1烟风机出力小以及氢冷器泄漏对氢气纯度的影响从300MW汽轮发电机密封油系统看，空侧密封油泵油源取自氢油分离器，氢油分离器的排烟风机主要作用是抽出空侧油中的微量氢气，以免氢气随润滑油回到主油箱。增大氢油分离器排烟风机的出力，使氢油分离器形成大的负压，使空侧油中的空气会同氢气一起被抽出，这样，将减少空侧密封油中空气含量，按照上边的分析（发电机氢气污染主要是空侧密封油携带的空气等通过与氢侧密封油交换进入氢侧密封油，再通过氢侧密封油与氢气交换污染氢气），将会避免氢气纯度下降过快。5.2氢冷器的泄漏或渗漏主要造成氢气湿度的恶化，但由于物理交换的不可避免性，水中的空气会析出，氢气纯度势必下降。6、氢侧供油管路节流对氢气纯度的影响氢侧密封油供油管路的意外节流造成氢侧油供油不足，密封瓦氢侧油腔内油压无法正常建立，使得中间密封环空、氢侧密封油压无法达到平衡，从而使空侧密封油向氢侧密封油中串流。但不同的节流点表现出来的现象是不同的，由于空、氢侧密封油微差压管路取样点是取在发电机端盖处的，在取样点前出现节流时，表现在调节氢侧油母管压力时空、氢侧密封油微差压计上反映迟钝。当取样点后有节流时，调节氢侧密封油压，则微差压计上的动作幅度会很大。7、平衡阀信号管管路有节流时对氢气纯度的影响平衡阀时刻处于跟踪空侧密封油压调节氢侧密封油压，使得空、氢侧密封油压基本一致，因此平衡阀信号管内一直有微量油流动。当管路中有节流时，会造成油压信号传递失真，平衡阀调节滞后，影响调节品质，使空、氢侧间的串流增加，氢气纯度下降。小修或临停时不具备检查轴瓦条件时，可采取如下临时措施：在空侧回油管至氢侧油箱的管路上增加临时滤油机，可以缓解氢气污染的程度，但不能最终解决根本问题。附件：#3机空侧密封油油压波动分析一、 问题提出：2010年7月18日发电部提出异常：“3号发电机2号液位监测器（发电机出线）每次排污均有大量油，7月13日执行定期工作有两纸杯油，7月17日执行定期工作有1纸杯油”。原因分析为1）密封瓦漏油。2）发电机励端空侧油压波动（0.57-0.63）。我们随即对密封瓦渗漏油及发电机空侧密封油油压波动的原因进行了分析。二、 原因分析 密封瓦渗漏油的原因有：1）密封瓦间隙过大，氢侧密封油沿着大轴进入发电机；2）空侧密封油油压波动剧烈，在调整油氢压差过程中有部分油进入发电机；3）其他原因。 发电机空侧密封油油压波动的原因有：1）空侧密封油泵出口压力波动；2）差压阀调节性能不好；3）差压阀氢压或油压信号管有轻微堵塞或信号管内存有空气；4）由于其他原因导致差压阀氢压或油压信号管压力真实波动。1、 我们首先调阅了异常出现当天空侧密封油压的SIS曲线。（见下图）由图得知：发电机空侧密封油压确实有波动，而且是有规律性的波动。（一天内空侧密封油油压升高2次，随后油压开始缓慢下降，油压升高时间分别为7月17日10:20左右与7月18日0:00左右。通过下面的补排氢时间数据，我们发现发电部在7月17日10:27补氢29立方米，7月17日23:59补氢11立方米，补氢时间与空侧油压升高时间正好吻合。）2、 随后我们调阅了发电机空侧油压、发电机膛内氢压及油氢差压的SIS数据曲线进行分析。(如下图。时间：7月1日至现在)由图得知：发现空侧油压随发电机膛内氢压有规律的波动。当发电机膛内氢压升高时，差压阀调整空侧油压随之升高，以保持油氢差压；当膛内氢压降低时，差压阀调整空侧油压随之降低，以保持油氢压差。许昌龙岗发电