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摘 要：某电厂660 MW汽轮发电机组自机组投产以来一直存在发电机氢气纯度偏低的情况，不仅影响发电机的效率，还不利于机组的安全运行。该机组系氢冷发电机，配有密封油系统，密封瓦为双流环配置。该文对造成发电机氢气纯度低的原因进行了分析与排查，剖析了密封油系统对氢气纯度的影响。根据分析结果，结合机组检修对相关设备进行了处理、调整、优化，最终取得了较好的效果，同时也为其他同类型电厂提供了经验借鉴。
关键词：氢冷发电机 氢气纯度 双流环密封油系统 密封瓦 分析处理
中图分类号：TM311 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）03（c）-0042-04
Cause Analysis and Treatment of Low Hydrogen Purity of Steam Turbine Generator in a Power Plant
CHEN Hao LI Longfeng NI Zhongjun
（Zhejiang Energy Yueqing Power Generation Co.， Ltd.， Wenzhou， Zhejiang Province， 320609 China）
Abstract： Since the 660 MW steam turbine generator unit of a power plant was put into operation， the hydrogen purity of the generator has been low， which not only affects the efficiency of the generator， but also is not conducive to the safe operation of the unit. The unit is a hydrogen cooled generator， equipped with a sealing oil system， and the sealing pad is of double flow ring configuration. This paper analyzes and investigates the causes of low hydrogen purity of generator， and analyzes the influence of sealing oil system on hydrogen purity. According to the analysis results， combined with the unit maintenance， the relevant equipment was treated， adjusted and optimized， and finally achieved good results. At the same time， it also provides experience for other similar power plants.
Key Words： Hydrogen-cooled generator; Hydrogen purity; Dual-flow ring sealing oil system; Sealing tile; Analysis and processing
某發电公司#1机组660 MW超临界燃煤发电机组，自机组投产以来一直存在发电机氢气纯度偏低的情况。由于氢气具有易燃、易爆的特性，如果氢气中含氧量大于3%，极有可能发生爆炸;氢气纯度下降，还会造成发电机绕组绝缘降低，不利于发电机的安全运行;同时，发电机氢气纯度过低，将影响其冷却效果[1]，影响发电机发电效率[2]。因此，一般要求发电机运行时内部氢气纯度要大于96%[3]。该文主要阐述了汽轮发电机组氢气纯度偏低的原因，及其相关的处理措施。
1 设备概况
某发电公司#1机组600 MW超临界燃煤发电机组于2008年9月投产发电，汽轮机系上海汽轮机有限公司引进美国西屋技术设计制造，是超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、反动凝汽式汽轮机，型号为N600-24.2/566/566，机组铭牌功率为600 MW。发电系发电机是上海汽轮发电机有限公司引进西门子技术制造的QFSN-600-2型发电机，为汽轮机直接拖动的隐极式、二极、三相同步发电机，采用水氢氢冷却方式，密封油系统采用双流环形式。
机组自投产以来一直存在发电机氢气纯度偏低的问题，只能通过频繁的排、补氢措施（一般1～2天需补氢一次），勉强维持氢气纯度符合96%合格标准。
2 原因分析
针对#1机组发电机氢气纯度偏低问题，首先对发电机氢气系统进行排查检测。通过测氢等相关仪器的检测，均未检测到机组存在氢气泄漏的情况，基本排除了氢气系统的存在问题的可能性。依据分析结果，密封油系统存在问题的可能性较大[4]。
2.1 密封油系统
2.1.1 密封油系统的作用
密封油系统也称为氢气密封油系统，它的作用主要体现在以下方面。
（1）向密封瓦提供压力油源，防止发电机内压力气体沿转轴逸出。
（2）保证密封油压始终高于机内气体压力某一个规定值，其压差限定在允许变动的范围之内。
（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相对运动而产生的热量，确保瓦温与油温控制在要求的范围之内。 （4）系统配有真空净油装置，去除密封油中的气体，防止油中的气体污染发电机中的氢气[5]。
（5）通过油过滤器，去除油中杂物，保证密封油的清洁度。
（6）密封油路备有多路备用油源，以确保发电机安全、连续运行。
（7）排油烟风机排除轴承室和密封油贮油箱中可能存在的氢气。
（8）系统中配置一系列仪器、仪表，监控密封油系统的运行。
（9）密封油系统采用集装式，便于运行操作和维修。
2.1.2 双流环密封瓦
由于氢冷汽轮发电机的转子轴伸必须穿出发电机的端盖，因此，密封瓦成了氢冷发电机密封的关键。密封瓦布置在密封瓦支座上，而密封瓦支座通过螺栓连接在支座法兰上并采取绝缘措施，防止轴电流流动。
双流环密封瓦密封油分空侧和氢侧两个油路，从密封瓦支座上的密封瓦室通过环上均匀密布的通流孔和环形配油槽注入空侧和氢侧密封间隙，油沿转轴轴向穿过密封瓦内径与转轴之间的间隙流出。密封油为获得可靠的密封效果，应保证环形油隙中的密封油压力高于发电机中的气体压力，且保持恒定[6]。
氢侧油路供给的油将沿轴和密封瓦之间的间隙，流向氢侧并流入消泡箱。而空侧油路供给的油则沿轴和密封瓦之间的间隙流往轴承侧，并汇同轴承回油一起进入密封油空侧回油箱，从而防止了空气与潮汽侵入发电机内部。在密封油系统中，油经过扩容释放气体、冷却和过滤后返回密封瓦。
在空側，通过一分支油路将压力油引入空侧环的外侧面对密封瓦产生一个作用力，称作浮动油，以保证当机内气体压力较高时，密封瓦在径向仍能自由活动。发电机双流密封瓦在结构上分成空侧和氢侧两个环，一方面，可缩短每个环轴向长度，减少转轴饶度对密封瓦的影响;另一方面，空侧压力油注入后可将两个环从中间分开，从而减小了密封瓦侧面与密封支座大间隙，以减少氢侧的径向油流量，保持氢气纯度的稳定[7-8]。
2.2 初步分析
在对发电机密封油汽端、励端平衡阀进行整定的过程中（投运提纯装置要求氢侧油压要稍高于空侧油压20 cm水柱的压差），通过调整氢侧油泵旁路门和平衡阀底部螺钉调整氢侧油压时，发现汽、励端平衡表均没有较明显的变化，随即对现场的平衡阀进行了更换（美国进口R-K公司生产的平衡阀），更换后汽励端空氢侧油压仍是无法调整，所以初步判断密封瓦内部空、氢侧油路已经存在“贯通”的情况，造成空、氢侧油压相等，故在外部进行油压的调整已经没有明显效果。
随后对#1机组发电机汽、励端氢侧密封油的进油流量以及氢侧密封油箱的补油流量进行了测量，并于相同工况下氢气纯度正常的#2机组的流量进行了对比，具体情况如表1所示。
对表1中#1、#2机组测量数据进行对比分析可知，#1机组汽励端的氢侧供油量和回油箱的补油量远大于#2机组，空侧向氢侧回油箱补油量达到40 L/min，表明密封瓦处氢侧油大量泄漏至空侧，进而导致发电机内氢气被带入空侧密封油，引起氢气纯度降低。
2.3 具体原因分析
从双流环密封瓦结构上分析（见图1），空侧密封油与氢侧密封油之间的密封隔断是通过氢侧密封瓦与密封瓦支座之间的轴向间隙来保障的。若氢侧密封瓦与密封瓦支座之间的轴向间隙过大（见图2），则空、氢侧的有效隔断将会破坏，造成氢侧密封油泄漏至空侧，进而影响发电机的氢气纯度。
3 检查分析及调整措施
3.1 检查分析
根据上述的分析判断，对#1机汽、励端的密封瓦进行了解体检查，解体情况见图3及表2。
通过对氢侧密封瓦的各部位数据的分析，其中汽、励端氢侧密封瓦与支座的间隙d均有较大幅度的超标现象（标准间隙为0.2～0.3 mm），表明密封瓦与支座之间密封失效，空、氢侧密封油未有效隔断，氢侧密封油夹带氢气从密封瓦与支座间隙处泄漏至空侧，造成发电机氢气纯度的降低。
3.2 调整措施及效果
针对氢侧密封瓦与支座配合间隙超标，氢侧密封泄漏至空侧引起氢气纯度下降的情况，在保证与空侧密封瓦配合要求以及径向配合要求的前提下，对氢侧密封瓦的各项装配间隙进行了浇筑、配磨调整。调整后，密封瓦与支座配合间隙均符合设计要求，见表3。
密封瓦经配磨、调整过后，机组运行期间对对#1机组发电机汽、励端氢侧密封油的进油流量以及氢侧密封油箱的补油流量再进行了测量，氢侧密封油流量及油箱的补油量均有明显下降。同时发电机的氢气纯度有了明显的好转，由原来的96%提高至97%，排、补氢频率也明显减少，由原来的1～2天一次减少至每月2～3次，具体数据见表4。
4 结语
对于汽轮发电机组氢气纯度低的问题，特别是针对密封油系统来说，一般情况下都比较关注密封瓦的密封性能问题，即密封瓦与发电机转子之间的径向配合间隙是否符合设计标准，杜绝氢气沿发电机转子轴向泄漏至密封瓦外部。
实际上，通过该文分析表明，对于双流环形式的密封瓦，氢侧密封瓦与支座之间的轴向间隙控制对保证发电机氢气纯度也至关重要。结合机组检修，对可能存在的原因进行了检查与验证，并通过有效地调整措施，彻底处理了该问题，保证了机组的安全性与经济性，对同类型机组氢气纯度低的问题分析有较大的借鉴意义。
参考文献
[1] 邵剑锋.秦二厂 4号机组发电机冷却效果分析和改进方法研究[D].华北电力大学，2017.
[2] 胡健.发电机转子过热原因分析探讨[D].浙江大学，2009.
[3] 国家能源局.汽轮发电机运行导则：DL/T1164-2012[S].北京：中国电力出版社，2012.
[4] 王辉.发电机氢气纯度超标的分析和防范措施[J].产业创新研究，2020（14）：152-153.
[5] 王笑微，刘永洛，尹文波，等.密封油含气量对氢冷发电机氢气纯度影响研究[J].热力发电，2021，50（4）：109-113.
[6] 吕庆举，周党锋.核电厂氢冷双流环发电机氢气纯度降低的分析与处理[J].电力设备管理，2020（7）：65-67，75.
[7] 吴庆军.双流密封油系统对氢气纯度的影响[J].电机技术，2017（3）：33-36，43.
[8] 徐新果，李丰均，姚坤.300MW氢冷机组氢气纯度下降的原因分析及处理[J].节能技术，2020，38（6）：565-568，574.
关键词：氢冷发电机 氢气纯度 双流环密封油系统 密封瓦 分析处理
中图分类号：TM311 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）03（c）-0042-04
Cause Analysis and Treatment of Low Hydrogen Purity of Steam Turbine Generator in a Power Plant
CHEN Hao LI Longfeng NI Zhongjun
（Zhejiang Energy Yueqing Power Generation Co.， Ltd.， Wenzhou， Zhejiang Province， 320609 China）
Abstract： Since the 660 MW steam turbine generator unit of a power plant was put into operation， the hydrogen purity of the generator has been low， which not only affects the efficiency of the generator， but also is not conducive to the safe operation of the unit. The unit is a hydrogen cooled generator， equipped with a sealing oil system， and the sealing pad is of double flow ring configuration. This paper analyzes and investigates the causes of low hydrogen purity of generator， and analyzes the influence of sealing oil system on hydrogen purity. According to the analysis results， combined with the unit maintenance， the relevant equipment was treated， adjusted and optimized， and finally achieved good results. At the same time， it also provides experience for other similar power plants.
Key Words： Hydrogen-cooled generator; Hydrogen purity; Dual-flow ring sealing oil system; Sealing tile; Analysis and processing
某發电公司#1机组660 MW超临界燃煤发电机组，自机组投产以来一直存在发电机氢气纯度偏低的情况。由于氢气具有易燃、易爆的特性，如果氢气中含氧量大于3%，极有可能发生爆炸;氢气纯度下降，还会造成发电机绕组绝缘降低，不利于发电机的安全运行;同时，发电机氢气纯度过低，将影响其冷却效果[1]，影响发电机发电效率[2]。因此，一般要求发电机运行时内部氢气纯度要大于96%[3]。该文主要阐述了汽轮发电机组氢气纯度偏低的原因，及其相关的处理措施。
1 设备概况
某发电公司#1机组600 MW超临界燃煤发电机组于2008年9月投产发电，汽轮机系上海汽轮机有限公司引进美国西屋技术设计制造，是超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、反动凝汽式汽轮机，型号为N600-24.2/566/566，机组铭牌功率为600 MW。发电系发电机是上海汽轮发电机有限公司引进西门子技术制造的QFSN-600-2型发电机，为汽轮机直接拖动的隐极式、二极、三相同步发电机，采用水氢氢冷却方式，密封油系统采用双流环形式。
机组自投产以来一直存在发电机氢气纯度偏低的问题，只能通过频繁的排、补氢措施（一般1～2天需补氢一次），勉强维持氢气纯度符合96%合格标准。
2 原因分析
针对#1机组发电机氢气纯度偏低问题，首先对发电机氢气系统进行排查检测。通过测氢等相关仪器的检测，均未检测到机组存在氢气泄漏的情况，基本排除了氢气系统的存在问题的可能性。依据分析结果，密封油系统存在问题的可能性较大[4]。
2.1 密封油系统
2.1.1 密封油系统的作用
密封油系统也称为氢气密封油系统，它的作用主要体现在以下方面。
（1）向密封瓦提供压力油源，防止发电机内压力气体沿转轴逸出。
（2）保证密封油压始终高于机内气体压力某一个规定值，其压差限定在允许变动的范围之内。
（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相对运动而产生的热量，确保瓦温与油温控制在要求的范围之内。 （4）系统配有真空净油装置，去除密封油中的气体，防止油中的气体污染发电机中的氢气[5]。
（5）通过油过滤器，去除油中杂物，保证密封油的清洁度。
（6）密封油路备有多路备用油源，以确保发电机安全、连续运行。
（7）排油烟风机排除轴承室和密封油贮油箱中可能存在的氢气。
（8）系统中配置一系列仪器、仪表，监控密封油系统的运行。
（9）密封油系统采用集装式，便于运行操作和维修。
2.1.2 双流环密封瓦
由于氢冷汽轮发电机的转子轴伸必须穿出发电机的端盖，因此，密封瓦成了氢冷发电机密封的关键。密封瓦布置在密封瓦支座上，而密封瓦支座通过螺栓连接在支座法兰上并采取绝缘措施，防止轴电流流动。
双流环密封瓦密封油分空侧和氢侧两个油路，从密封瓦支座上的密封瓦室通过环上均匀密布的通流孔和环形配油槽注入空侧和氢侧密封间隙，油沿转轴轴向穿过密封瓦内径与转轴之间的间隙流出。密封油为获得可靠的密封效果，应保证环形油隙中的密封油压力高于发电机中的气体压力，且保持恒定[6]。
氢侧油路供给的油将沿轴和密封瓦之间的间隙，流向氢侧并流入消泡箱。而空侧油路供给的油则沿轴和密封瓦之间的间隙流往轴承侧，并汇同轴承回油一起进入密封油空侧回油箱，从而防止了空气与潮汽侵入发电机内部。在密封油系统中，油经过扩容释放气体、冷却和过滤后返回密封瓦。
在空側，通过一分支油路将压力油引入空侧环的外侧面对密封瓦产生一个作用力，称作浮动油，以保证当机内气体压力较高时，密封瓦在径向仍能自由活动。发电机双流密封瓦在结构上分成空侧和氢侧两个环，一方面，可缩短每个环轴向长度，减少转轴饶度对密封瓦的影响;另一方面，空侧压力油注入后可将两个环从中间分开，从而减小了密封瓦侧面与密封支座大间隙，以减少氢侧的径向油流量，保持氢气纯度的稳定[7-8]。
2.2 初步分析
在对发电机密封油汽端、励端平衡阀进行整定的过程中（投运提纯装置要求氢侧油压要稍高于空侧油压20 cm水柱的压差），通过调整氢侧油泵旁路门和平衡阀底部螺钉调整氢侧油压时，发现汽、励端平衡表均没有较明显的变化，随即对现场的平衡阀进行了更换（美国进口R-K公司生产的平衡阀），更换后汽励端空氢侧油压仍是无法调整，所以初步判断密封瓦内部空、氢侧油路已经存在“贯通”的情况，造成空、氢侧油压相等，故在外部进行油压的调整已经没有明显效果。
随后对#1机组发电机汽、励端氢侧密封油的进油流量以及氢侧密封油箱的补油流量进行了测量，并于相同工况下氢气纯度正常的#2机组的流量进行了对比，具体情况如表1所示。
对表1中#1、#2机组测量数据进行对比分析可知，#1机组汽励端的氢侧供油量和回油箱的补油量远大于#2机组，空侧向氢侧回油箱补油量达到40 L/min，表明密封瓦处氢侧油大量泄漏至空侧，进而导致发电机内氢气被带入空侧密封油，引起氢气纯度降低。
2.3 具体原因分析
从双流环密封瓦结构上分析（见图1），空侧密封油与氢侧密封油之间的密封隔断是通过氢侧密封瓦与密封瓦支座之间的轴向间隙来保障的。若氢侧密封瓦与密封瓦支座之间的轴向间隙过大（见图2），则空、氢侧的有效隔断将会破坏，造成氢侧密封油泄漏至空侧，进而影响发电机的氢气纯度。
3 检查分析及调整措施
3.1 检查分析
根据上述的分析判断，对#1机汽、励端的密封瓦进行了解体检查，解体情况见图3及表2。
通过对氢侧密封瓦的各部位数据的分析，其中汽、励端氢侧密封瓦与支座的间隙d均有较大幅度的超标现象（标准间隙为0.2～0.3 mm），表明密封瓦与支座之间密封失效，空、氢侧密封油未有效隔断，氢侧密封油夹带氢气从密封瓦与支座间隙处泄漏至空侧，造成发电机氢气纯度的降低。
3.2 调整措施及效果
针对氢侧密封瓦与支座配合间隙超标，氢侧密封泄漏至空侧引起氢气纯度下降的情况，在保证与空侧密封瓦配合要求以及径向配合要求的前提下，对氢侧密封瓦的各项装配间隙进行了浇筑、配磨调整。调整后，密封瓦与支座配合间隙均符合设计要求，见表3。
密封瓦经配磨、调整过后，机组运行期间对对#1机组发电机汽、励端氢侧密封油的进油流量以及氢侧密封油箱的补油流量再进行了测量，氢侧密封油流量及油箱的补油量均有明显下降。同时发电机的氢气纯度有了明显的好转，由原来的96%提高至97%，排、补氢频率也明显减少，由原来的1～2天一次减少至每月2～3次，具体数据见表4。
4 结语
对于汽轮发电机组氢气纯度低的问题，特别是针对密封油系统来说，一般情况下都比较关注密封瓦的密封性能问题，即密封瓦与发电机转子之间的径向配合间隙是否符合设计标准，杜绝氢气沿发电机转子轴向泄漏至密封瓦外部。
实际上，通过该文分析表明，对于双流环形式的密封瓦，氢侧密封瓦与支座之间的轴向间隙控制对保证发电机氢气纯度也至关重要。结合机组检修，对可能存在的原因进行了检查与验证，并通过有效地调整措施，彻底处理了该问题，保证了机组的安全性与经济性，对同类型机组氢气纯度低的问题分析有较大的借鉴意义。
参考文献
[1] 邵剑锋.秦二厂 4号机组发电机冷却效果分析和改进方法研究[D].华北电力大学，2017.
[2] 胡健.发电机转子过热原因分析探讨[D].浙江大学，2009.
[3] 国家能源局.汽轮发电机运行导则：DL/T1164-2012[S].北京：中国电力出版社，2012.
[4] 王辉.发电机氢气纯度超标的分析和防范措施[J].产业创新研究，2020（14）：152-153.
[5] 王笑微，刘永洛，尹文波，等.密封油含气量对氢冷发电机氢气纯度影响研究[J].热力发电，2021，50（4）：109-113.
[6] 吕庆举，周党锋.核电厂氢冷双流环发电机氢气纯度降低的分析与处理[J].电力设备管理，2020（7）：65-67，75.
[7] 吴庆军.双流密封油系统对氢气纯度的影响[J].电机技术，2017（3）：33-36，43.
[8] 徐新果，李丰均，姚坤.300MW氢冷机组氢气纯度下降的原因分析及处理[J].节能技术，2020，38（6）：565-568，574.