GE 9F燃机发电机氢气纯度下降原因分析及对策
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摘 要：该文通过对GE 9F燃机发电机密封油系统的深入分析，探讨了燃机发电机密封瓦磨损使发电机氢气纯度劣化速度加快的机理，提出了发电机运行中稳定氢气纯度且降低人员操作量的发电机补氢提纯方法。
关键词：燃气轮机;发电机;密封瓦;氢气纯度
中图分类号：TM31 文献标志码：A
0 引言
氢气具有较快的扩散速度和很好的导热性，作为发电机的冷却介质其换热效果好，通风损耗低，同时经过严格处理的氢气可以保证发电机内部清洁、通风散热效果稳定。但氢气渗透性强，易扩散泄漏，与空气混合后易燃易爆，氢冷发电机对氢气质量控制及运行维护水平的要求较高。
1 机组概况
某电厂采用GE S209FA型燃气-蒸汽联合循环热电联产机组，配备2台燃机发电机及一台汽轮发电机。汽轮机发电机型号为哈电QFSN-300-2。燃机发电机型号为GE324LU。2台燃机发电机氢气纯度下降速度明显比汽轮机发电机快，为提高发电机氢气纯度，机组运行中必须频繁地进行发电机补-排氢置换操作，用氢成本提高，操作量增大。2016年汽轮机发电机因氢气纯度下降补氢提纯操作次数仅为1次，#1燃机补氢提纯操作次数22次，#2发电机补氢提纯操作次数35次。燃机发电机为单流环密封，汽轮机发电机采用双流环密封。燃机发电机补氢提纯次数明显偏高。经过多次实验分析，排除氢站氢气纯度不合格、发电机纯度分析方法不当等原因，将问题的焦点锁定在密封油系统上。
2 燃机发电机氢气纯度下降快原因分析
2.1 燃机发电机密封油系统简介
2.1.1 燃机发电机密封油流程
9F燃机发电机密封油系统供油来自润滑油系统。润滑油系统有2台交流电泵，向轴承润滑系统和密封油系统供油。正常运行时1台润滑油泵运行，另1台备用，交流密封油泵和直流密封油泵均为备用。润滑油系统提供的密封油源首先进入密封油模块，经密封油模块调压后进入发电机两端的密封组件内，对发电机内氢气进行密封。密封油流经密封组件后沿2个方向排出，氢气侧的油排向密封油回油消泡箱和密封油回油组件（浮球收集器），并在密封油回油消泡箱及浮球收集器中除去氢气，然后继续流向润滑油回油消泡箱。发电机空气侧密封油则直接排向润滑油回油消泡箱。密封油在润滑油回油消泡箱内除去所有残余的氢气后，再返回主润滑油箱。
2.1.2 GE K46130型密封瓦介绍
9F燃机发电机采用GE K46130型密封瓦，K46130型密封瓦采用双层密封环。密封油从端护罩上方引入，由于密封油压力大于氢气压力，因此密封油流入两密封环之间后，沿轴向从2个密封环与轴之间的间隙流出。由于氢气侧密封环与轴的间隙比空气侧密封环与轴的间隙小且氢气侧密封环后装有油挡，油挡进一步减小密封油流量，因此流向氢气侧的密封油量较小，流向空气侧的密封油量较大。空气侧大流量密封油也起到冷却密封环的作用。密封油流经密封环的过程使发电机转轴和密封环之间形成油膜，此油膜就像一个液体屏障，阻止氢气沿轴向泄漏。
2.1.3 消泡箱
9F燃机发电机密封油系统在发电机集电端和透平端各有一个消泡箱，从发电机氢气密封环流出的密封油进入消泡箱，通过消泡箱的增容促使密封油中的氢气析出。由于密封油中含有的气体杂质也会析出进入消泡箱，所以消泡箱是发电机氢气系统氢气纯度最低的地方。每个消泡箱都装有氢气代谢放气管。
9F燃机发电机氢气分析仪有三路取样管道，分别对发电机本体（壳侧）、发电机集电端、发电机透平端3个位置的氢气进行取样测量。其中发电机透平端及集电端氢气纯度测量的取样管分别与各侧的消泡箱氢气代谢放气管相连，所以氢气分析仪测量的发电机端部的氢气纯度实际上是发电机2个消泡箱内的氢气纯度。
将低纯度的氢气排出，向发电机内补充高纯度的氢气，从而提高发电机内的氢气纯度，此方法提纯速度较慢，用氢量较大，但此方法为发电机运行中提高氢气纯度的唯一方法。提高发电机端部氢气分析仪取样流量，增加消泡箱内低纯度氢气的排放量也可以降低发电机内氢气纯度的劣化速度。
2.2 发电机内氢气纯度下降原因分析
由于密封油来自润滑油箱，整个油系统并非完全封闭，密封油中会溶解空气等杂质气体。当密封油通过密封环与氢气接触时，根据分压定律，密封油中析出的气体杂质会进入发电机，造成发电机内氢气纯度下降。
对于K46130型密封瓦，正常情况下氢气侧密封环流出的油量很小，若运行中氢气侧密封环的密封齿磨损较严重，则从氢气侧密封环流出的密封油量将增大，密封油带入发电机内的气体杂质增多，发电机内氢气纯度劣化速度加快。
根据GB261641—2010电业安全工作规程中发电机氢气纯度的相关要求并结合实际情况，本厂发电机运行中要求保持3台发电机纯度>97 %，含氧量<1.2 %，当不满足要求时需进行提纯操作。2014年#1燃机发电机提纯57次，2015年仅有9次，原因为2015年春检进行#1燃机密封瓦间隙调整，之后未进行密封瓦间隙调整，2016年#1燃机发电机补次数升至22次。2015年#2燃机发电机提纯55次，2016年为35次，原因为2016年春检进行#2燃机密封瓦间隙整。
进行密封瓦间隙调整后，燃机发电机充氢次数仍明显多于汽轮机发电机。但本厂对3台发电机进行多次漏氢实验，均满足实验要求。由于燃机发电机端部氢气纯度小于93 %，或本体氢气纯度小于95 %时控制逻辑才会联开2个大流量排放电磁阀，增加消泡箱内低纯度氢气的排放量。怀疑燃机发电机补氢提纯操作比汽轮机发电机频繁可能与燃机发电机密封油系统特性有关。
3 应对措施
在发电机运行中需要将发电机内氢气压力和纯度保持在一定范围，只能通过排出纯度较低的氢气同时补充高纯度的氢气才能实现，为了避免燃机补氢提纯操作过于频繁，减轻操作强度，需要通过对燃机发电机氢气纯度随时间下降、补氢过程中发电机氢气纯度上升以及氢气用量进行统计分析，从而得出发电机氢气纯度下降情况与时间的关系，以及补氢过程中氢气纯度上升与氢气用量的关系制作计算表。在计算表中氢气使用压力即为补氢提纯操作过程中一组共20瓶氢气（每瓶氢气量为标况下6 M3）同时开启后氢气瓶组压力下降值。根据计算结果，将燃机发电机补氢提纯操作改为每星期进行一次，操作方法也进行明确规定。采用上述操作方法，可以将单台燃机发电机补氢提纯操作由每星期2～3次减少为每星期一次，且操作更有计划性和针对性。
4 结语
综上所述，密封瓦间隙异常将使发电机氢气纯度劣化速度加快，機组检修时如果条件允许应对燃机发电机密封瓦进行检查调整。在机组运行中保持润滑油的洁净，对于提高调压阀的控制精度，防止密封瓦及轴颈磨损，延长密封瓦的使用寿命是十分必要的。
对GE 9F燃机发电机氢气纯度随时间的变化趋势以及氢气纯度与补氢量的相互关系进行统计分析，根据分析结果有计划地定期对发电机进行补氢提纯操作，可极大地减少人员的操作量。
参考文献
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