浅谈9F级机组的氢气及密封油系统

【摘　要】华兴电力有限公司现有的9FA燃机(GE制造)的燃气-蒸汽联合循环多轴机组，发电机的内部冷却是靠内部气体的对流将热量带走，而氢气的热传导系数和对流系数都比空气高，因此能更有效地冷却发电机的转子和定子。而且氢气分子质量较小，在高速旋转时摩擦阻力较小，机械功损耗小，产生的热量也较少。同时氢冷发电机的密封系统既保持了发电机内气体压力的稳定，也提供了一个清洁干燥的隔绝环境，提高了发电机的运行寿命。当然，氢冷技术也并非毫无缺点，氢气是活泼的气体，当空气中的氢气含量达到4.1%-74.2%时，可能造成爆炸。另外由于氢气分子质量小，更容易穿过微小的细缝，造成泄漏。为了充分利用氢冷技术的优点，同时解决诸多的不利，需要配套安装一些辅助设备系统。现对GE公司300 MW氢冷发电机(9H2型)的氢气及密封油系统的相关设备进行介绍。

【关键词】燃气轮机；氢冷发电机；密封油系统

1.氢气系统的密封

1.1发电机氢气系统密封的机械结构

发电机氢气密封采用的是双层密封环。密封环与轴之间的间隙只有0.076-0.381mm。密封油从两层密封环的中间进入，从两端流出。一端与发电机内的高压氢气接触，此处回油间隙较小，外加一个油挡也可减小油流量。而且密封油压与氢气压力的压差基本恒定(一般在38.5-49.0 kPa)，因此保持了稳定的流场，也就保持了密封的稳定性。另一端与外界空气接触，回油间隙较大，因此大量的密封油从空气侧回油。同时由于大气压力基本恒定，而密封油压随发电机内氢气压力进行调节，因此发电机内气体压力越高，空气侧回油的压差越大，也就意味着空气侧的回油量增大，导致密封油整体流量增大。

1.2发电机氢气密封油供应与回油

燃机发电机密封油与润滑油为同种油，因此共用一个油箱。燃机有2台交流润滑油泵、1台直流润滑油泵、1台交流密封油泵和1台直流密封油泵。因为润滑油泵出口压力高于密封油系统的需求压力(49-490kPa)，因此一般正常运行时只要一台交流润滑油泵就能保证润滑油和密封油的供应。

从润滑油母管上引出一路通过调压阀就能供应密封油系统。当润滑油系统有低油压信号时，将会启动备用状态的交流润滑油泵，如果低油压信号继续存在则启动直流润滑油泵。润滑油的低油压信号仍比密封油的需求压力高，因此一般低油压信号只会启动备用的润滑油泵。但如果油压持续降低到密封油压力低信号产生时，交流密封油泵将启动。若仍无法满足密封油压需求则会启动直流密封油泵。在多台交直流油泵逻辑上多层次保护下，燃机发电机的密封油供应将得到最大限度的保证。

与密封油的供应来自于润滑油一样，密封油的回油也与润滑油的回油有关。空气侧的密封油直接回油到润滑油的回油消泡箱，而氢气侧的密封油回油要通过一个特殊的密封油浮球回油阀再回到润滑油的回油消泡箱。

2.氢气/二氧化碳系统的常规操作

2.1氢气/二氧化碳系统置换原理

氢冷发电机正常工作时，发电机内部是400kPa左右的高纯度氢气。而在初次安装完以及对发电机本体大修或者对氢气、密封油管道动用明火时，发电机内为大气压的空气。在这两种状态间进行切换时，需要进行气体置换。由于氢气与空气达到一定混合比会导致爆炸，因此为了避免氢气与空气接触，需要一个中间介质。这种介质需要易于获取、便宜、有利于气体置换，GE推荐使用二氧化碳。

GE氢冷发电机内气体置换利用气体自身比重差使其自然分层。轻的气体置换重的气体时，轻的气体从发电机顶部进入，重的气体从发电机底部排出。重的气体置换轻的气体时则相反。因此虽然一共3种气体，共有4种不同置换状态，但是阀门位置摆放方式只有轻气体置换重气体和重气体置换轻气体两种。氢气分子质量为2，空气平均分子质量为28，二氧化碳分子质量为44，据此选择不同的阀门位置即可。

由于气体置换时是使用自身密度差使其自然分层，所以要尽量避免气体混合。降低气体置换速度、降低转子转速等都能降低置换气体的使用量。GE一般推荐在盘车状态下置换，纯度分析仪能更快获得发电机内的气体纯度。但是实际上，如果经验丰富，在盘车全停的情况下进行气体置换，在估计已完成气体置换时再开启盘车获得准确的气体纯度，这样能使置换所消耗气体尽量少，而且使置换后的纯度尽量高。

2.2密封试验

在整个氢气/二氧化碳系统首次安装或者经过改动后，为了确定系统没有泄漏点，需要做密封试验。密封试验可以使用空气或者氢气，当转子在低速盘车(5r/min)或者完全静止的工况下进行。但是，无论从经济性和安全性来讲，都宜选择使用压缩空气，在静止转速下做此试验。发电机内气体损耗主要有两个途径，一是通过各种法兰联结、焊接缝、砂眼等处泄漏，二是溶解在密封油被带走。因此密封试验要将试验时间内的气体总损耗量减去通过计算得到的溶解损耗量，从而算出通过各种法兰联结、焊接缝、砂眼等处的泄漏量。

但是，由于空气与氢气本身的特质不同，在空气状态下做的试验需要进行一定修正才能用于正常的氢气运行工况。这是因为:首先，氢气通过前一种方式泄漏的能力是空气的好几倍(在氢气98%纯度下，是空气泄漏量的3.38倍)；其次，氢气溶解在密封油内的量是同工况下空气的1.4倍；再次，正常运行工况下密封油流量远大于转子处于低速盘车或静止状态下的密封油流量。

2.3常规补氢

充在发电机内的氢气并非能长期保持一个稳定的压力和纯度。除了在密封试验中计算出的实际系统缺陷导致的泄漏气量以及通过溶解在密封油内而损耗的之外，氢气还因为必须保证通过氢气在线纯度仪的流量而造成的损耗(通过纯度仪后的气体是放空的)。

3.问题探讨

3.1密封环的安装间隙

如果密封环安装间隙过大，会导致油流增大。油流增大，也就意味着更多的电力损耗以及更大的气体损耗。

3.2二氧化碳备量以及在直流密封油泵没电

前要能完成二氧化碳的置换工作当燃机发电机内充满氢气后，为确保安全必须有足够置换发电机内氢气的二氧化碳的储备，并且随时在可用状态。一旦发生交流失电，要估计交流电源恢复时间，如果不确定能否及时恢复，必须在蓄电池直流放电耗尽前用二氧化碳将氢气置换出来。否则在失去密封油压的情况下，发电机内气体将从密封环向外大量泄漏，可能酿成事故。

3.3为什么氢气纯度会下降

氢气纯度下降意味着有杂质气体混入发电机。由于密封油与氢气直接接触，因此会有氢气溶解在密封油中被带走，同时由于燃机使用的密封油与润滑油为来自同一油箱的同种油，整个油系统并非完全密封状态，会与空气接触，因此密封油中也会溶解有空气等杂质气体。当密封油携带这些气体进入燃气轮机密封系统与氢气接触时，由于溶解与析出是双向动态过程，所以会有空气等杂质气体混同进入发电机，从而在一段持续效果下会降低发电机内氢气纯度，导致冷却效果下降以至到达氢气纯度偏低的危险区域。针对此点，GE公司设计了氢气保持一定的代谢率。

3.4置换过程中浮球回油阀的操作

浮球回油阀是稳定密封油与发电机内气体压差的重要角色。如果在气体置换时过早切换至旁路，或者太晚投入，都会导致无法保持密封油压差，以至于无法保持发电机内气体压力。如果在气体置换时，太晚投入，这个问题可以用浮球回油阀的旁路液位计来解决。当旁路液位计能显示出液位时就可将浮球回油阀投入，如果投入太晚，发电机内气体将通过旁路逃走，从而无法保持发电机内压力。

浮球回油阀除了控制密封油流量，同时也能在密封油回到油箱前，将含有的氢气排出。

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