发电机氢气纯度下降的原因分析及治理

李阳

摘要：我公司汽轮发电机系QFSN-660-2型汽轮发电机，发电机采用水氢氢冷（定子绕组水内冷，转子绕组气隙取气氢内冷，定子铁芯和定、转子表面及端部结构件氢气表面冷却）冷却方式。正常运行时额定氢压0.5MPa，露點-5℃～-25℃， 氢气纯度正常维持98%以上，当氢气纯度<96%时通过排污、补氢来提高氢气纯度。为了防止发电机内的氢气外泄，采用了双流环式密封瓦，通过密封油系统的油压进行密封，以确保汽轮发电机组的安全经济运行。我公司在生产过程中发现#1发电机氢气压力基本保持平稳而氢气纯度缓慢下降，发电机只能通过频繁的排污、补氢置换的方法来维持机内氢气纯度合格，自2011年投产以来，发电机月平均氢气纯度从97.8%降至96.6%，为了维持发电机的氢气纯度，日补氢量从17m3/d增加至22m3/d，月平均补氢次数从11次/月增加至23次/月，这不仅增加了氢站设备的工作压力和运行人员的工作量，而且造成了氢气的浪费，同时影响了机组的安全、经济、可靠的运行，解决氢气纯度低的问题迫在眉睫。

关键词：发电机；氢气纯度下降；原因

设备简介：

由于氢冷发电机的转子轴必须穿过发电机的端盖，因此这部分成了氢内冷发电机密封的关键。密封油分为空侧和氢侧两个油路将油供给轴密封瓦上的两个环状配油槽，油沿转轴轴向穿过密封瓦内径与转轴之间的间隙流出。如果这两个油路中的供油油压在密封瓦处恰好相等，油就不会在两个配油槽之间的间隙中窜流，通常只要密封油压始终保持高于机内氢气压力，便可防止氢气从发电机内逸出。空侧油路供给的油则将沿轴和密封瓦之间的间隙流往轴承侧，并同轴承回油一起进入空侧密封油箱，从而防止了空气与潮气侵入发电机内部。氢侧密封油则沿轴和密封瓦之间的间隙流往发电机内侧，落入消泡箱，最后回到氢侧密封油箱。空侧油为主密封油，通过差压阀将调节空侧密封油压力始终保持在高出发电机内氢气压力0.084Mpa的水平上。氢侧密封油始终跟踪空侧油而达到平衡，并使之自动跟踪与空侧密封油压差保持±0.49kPa，限制两路油相互窜流，以达到基本平衡的目的。油与空气和氢气之间的隔绝是采用两道迷宫式油挡来实现的，氢侧为了防止油进入发电机内，还有一道迷宫式外油挡阻止油进入发电机。

我公司氢气干燥器对氢气进行干燥处理的原理是利用活性氧化铝对水分子具有吸引力特性，还有它的化学惰性和无毒特性。当活性氧化铝吸收水分达到饱和后。再生-通过加热来清除干燥剂自身束缚的水分，从而恢复它的吸湿能力，并且活性氧化铝的性能和效率并不受重复再生的影响。设备设计有两个干燥塔，当一个干燥塔处于吸湿状态时，另外一个处于再生状态。所以吸附式干燥器能连续对氢气干燥。

图2 氢气干燥器工艺流程图

吸湿过程：湿氢气从发电机高压端出来，流经油水分离器。通过干燥器底部的四通阀V8，氢气气流到干燥塔A 的底部，在内部风机帮助下给氢气施加压力，使其通过干燥剂脱掉水分，干燥的氢气通过上部的四通阀V7 回到发电机低压入口。

再生作用：通过内部风机，氢气被加压使其上升通过正在被加热器加热的干燥剂，带走干燥剂束缚水分因加热汽化的水蒸汽，使湿的气流通过气流控制阀V1，暖湿的氢气流，继续通过温度低于摄氏38度的冷却器，水份开始冷聚。一种离心型汽水分离器把水从氢气中分离出来，水被分离系统流向疏水阀，冷却的氢气继续通过底部的四通阀，再返回进入容器的底部，加热过程在那里又重新开始。

梳理原因：

1 阀门和设备的内漏或外漏

利用BJZ5-8800A氢气检漏仪对发电机整体、密封油系统、氢气系统进行实地检测，发现4处漏氢部位都属于很轻微的漏点，同时发电机内氢气压力一直很稳定。

2 氢气源纯度、湿度超标

根据制氢站运行人员报表记录，氢气源（储氢罐）的纯度为99.99%和湿度（露点均值-51.9℃），因而氢气源引起氢气纯度下降的原因可排除。

3 油中含水量

跟踪近6个月的密封油化验报告，油质均合格，油中含水量平均值为10.9mg/L（标准值≤50.0mg/L），密封油中的含水量不足以造成氢气纯度的下降。从投产以来我们一直加强油品监督工作，定期滤油。

4 油氢压差

当氢侧油压过高于发电机内氢压，氢侧油将通过油挡进入发电机内，油品蒸发后油气混入氢气中，导致发电机内氢气纯度下降；氢侧油压过低于发电机内氢压，密封油阻挡氢气的能力下降，氢气随油外泄，使氢气纯度下降。通过对油氢压差调整后，随着油氢压差的提高，日补氢量有所减少，氢气的纯度只有很小幅度的提升，但是在97.5%以下。油氢压差提高过程中，一直严密监控发电机浮子检漏仪，检漏仪中未发现油迹。

5 密封瓦处空氢侧密封油交换。

密封瓦间隙过大，平衡阀跟踪不好或工作失常，空侧密封油压与氢侧密封油压不平衡，都会造成密封瓦处空氢侧密封油交换，使得氢侧密封油污染，会造成氢气纯度下降。通过对发电机油氢压差调整，随着油氢压差的提高，空、氢侧密封油油压有所提升，发电机汽、励两端密封油平衡表基本没有变化，说明汽励两端空、氢密封油压差不变，汽、励两端的平衡阀工作正常，没有发生空、氢侧密封油交换。

6 氢侧回油箱补、排油浮球阀状态

氢侧密封油箱中的补排油浮球阀故障导致氢侧密封油箱中的空侧和氢侧油大量交换，使含有大量空气的空侧密封油进入氢侧密封油箱，引起氢气纯度下降。通过对氢侧密封油箱液位和氢侧油箱补、排油管温度的监测记录，油氢压差基本平稳，氢侧密封油箱油位没有变化，氢侧密封油箱温度、氢侧油箱补油管温度和氢侧油箱排油管温度基本没有变化，氢侧油箱补油管温度<空测密封油泵出油母管温度，氢侧油箱排油管温度<空测密封油泵进油母管温度，说明氢侧回油箱补、排油浮球阀工作正常，同时佐证密封瓦处没有发生空、氢侧密封油窜油的现象。

7 氢气置换不彻底

根据上一次停机，发电机氢气系统充氢过程中氢气纯度的监测记录得到氢气纯度能长时间的维持在100%，说明不存在氢气置换不彻底的现象。

8 氢气干燥器除湿不利

因为密封油中含有少量的水分，密封油在密封瓦处循环的过程中，油和油中的水分以气体型式析出混入氢气中，对氢气纯度有一定的影响，氢气干燥器就是用于除去氢气中的水分。

1.首先对氢气干燥器前置油水分离器和氢气干燥器进行内部检查，发现油水分离器中的活性炭和氢气干燥器中的AL2O3颗粒表面油滑，Al2O3有些许的淡黄色，说明活性炭的除油功能已大大降低，Al2O3已被油污染，达不到额定的除湿效果。

2.将上述中污染的活性炭和AL2O3进行更换后，将设备投入运行，继续监测氢气纯度变化，发现活性炭和AL2O3更换后，氢气纯度提高明显，但是运行10天左右后，氢气纯度又回到96.9%。我们对氢气干燥器疏水阀进行检查发现疏水阀中存积了大量的水，没有及时排尽。疏水阀为浮球式自动排水阀，排水孔尺寸为0.03mm，如果排水孔被堵，疏水阀中必定积攒大量的疏水，氢气干燥器再生过程中，冷却器中的冷凝水无法排放，势必造成水分又再次蒸发，在干燥器中打循环，使得干燥器除湿效果大大减弱。

对策实施：

1.对于查出的氢气漏点，我们将能处理的漏点及时进行处理，对需要停机处理的漏点在停机以后也及时进行了处理，通过检测，所有漏氢点已检测不出氢气。

2.将氢气干燥器的浮球自动疏水阀改为手动排污的疏水器（有可视视窗），疏水器后增加手动排污阀，每1天进行一次手动排污。

对策实施后，我们进行了3个月的氢气纯度、发电机氢气系统月提纯次数和日均补氢量统计：

氢气纯度提升到97.75%左右，日补氢量已降低到12.2m3/d，月补氢次数降低到14次/月（三个月的平均值）。

结论

由于氫气热容量大，导热性比空气高6倍多，流动性比空气好，重量不到空气的1/10，使得发电机内的通风摩擦损耗大大减小，所以在现代单机大容量发电机中被普遍应用。为使机组能够安全、可靠、经济、稳定地运行，严格地保证机内氢气的纯度是十分必要的。

¤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，会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，直接影响机组的安全。

¤氢气纯度下降时，混合气体的密度随氢气纯度的下降而上升，将导致发电机的通风摩擦损耗增加，降低发电机的效率。

¤仅靠发电机排污、补氢置换的方法维持机内的氢气纯度，这对机组的安全运行构成潜在威胁，同时也造成了一定经济损失。

（作者单位：宁夏京能宁东发电有限责任公司）