趙國欽

(萬基宏遠電力有限公司,河南 洛陽 471800)

0 引言

隨著發(fā)電機組容量增加,發(fā)電機冷卻逐步由空冷、水冷方式發(fā)展至氫冷、水氫氫等冷卻方式,發(fā)電機轉子本體和定子表面采用氫冷方式。氫氣以其導熱系數(shù)遠遠高于其他氣體、制備相對較為廉價的特點,逐漸成為當前大容量發(fā)電機組主流冷卻介質(zhì)。

由于氫氣與空氣混合后容易發(fā)生爆炸,需在發(fā)電機轉子軸端部位設置動密封裝置,保證發(fā)電機內(nèi)氫氣不發(fā)生外泄,與外界空氣接觸。在發(fā)電機組事故狀態(tài)下,一旦出現(xiàn)大量發(fā)電機內(nèi)氫氣外漏,一般會伴隨著發(fā)電機著火、爆炸及汽輪機房爆炸等事故［1-2］。發(fā)電機內(nèi)氫氣密封在事故狀態(tài)下的可靠性直接影響整個汽輪發(fā)電機組安全性能。

1 密封油系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概況

發(fā)電機轉子軸端密封一般采用油密封的密封瓦結構,主要有環(huán)式(包括單流環(huán)、雙流環(huán))、盤式2種。密封瓦供油方式主要有半開式循環(huán)和開式循環(huán)2種。密封瓦供油方式不同,對發(fā)電機整體安全可靠性有著根本影響。

以1臺開式循環(huán)氫冷發(fā)電機組和1臺半開式循環(huán)氫冷發(fā)電機組為例,密封油系統(tǒng)主要型式如表1所示。

表1 發(fā)電機密封油系統(tǒng)對比

1.2 開式循環(huán)

開式循環(huán)主要依靠汽輪機潤滑油系統(tǒng)為發(fā)電機密封瓦提供油源。密封瓦供油一般由發(fā)電機密封油站提供,而密封油站油源由汽輪機潤滑油系統(tǒng)提供,密封瓦回油全部回流至汽輪機潤滑油系統(tǒng)。

開式循環(huán)型式主要包括密封油站(含密封油箱、供油泵、供油調(diào)節(jié)閥)、回油擴大槽、浮子油箱、空氣抽出槽等?？諝鈧然赜椭苯优c鄰近軸承回油混合,進入汽輪機回油系統(tǒng);氫氣側回油經(jīng)過回油擴大槽、浮子油箱、空氣抽出槽等回油裝置后回流至汽輪機回油系統(tǒng),最終進入汽輪機主油箱,如圖1所示。

圖1 開式循環(huán)發(fā)電機密封油系統(tǒng)

單流環(huán)結構密封瓦供油方式為開式循環(huán)。密封瓦空氣側回油直接與鄰近支撐軸承回油混合,密封瓦與軸承之間可設計成較小間距,而整體發(fā)電機轉子不需要預留密封瓦足夠長度,密封油系統(tǒng)簡單,制造成本大幅降低,見圖2。

圖2 單流環(huán)密封瓦結構

1.3 半開式循環(huán)

半開式循環(huán)供油方式為發(fā)電機氫側配備1套獨立密封油系統(tǒng),密封瓦供油、回油、油冷卻等全部由系統(tǒng)提供,不需要外部提供密封油源,空側采用與發(fā)電機潤滑油系統(tǒng)共用油源。

半開式循環(huán)供油方式主要包括氫側回油系統(tǒng)的回油消泡油箱、密封油箱、氫側供油泵、氫側冷卻器、空側供油調(diào)節(jié)閥及空側密封油系統(tǒng)的空側供油泵、空側供油調(diào)節(jié)閥、發(fā)電機回油箱、空側冷卻器。發(fā)電機潤滑油回油和密封油回油系統(tǒng)設置比較復雜,且在發(fā)電機轉子上密封瓦部位需要有足夠長度,以確保密封瓦回油腔室氫氣側足夠大,使供給密封瓦的氫側密封油能夠全部回流至密封油箱,不發(fā)生氫側密封油竄入空側現(xiàn)象,形成良好半開式循環(huán)型式,見圖3。

圖3 半開式循環(huán)發(fā)電機密封油系統(tǒng)

相對于開式循環(huán)發(fā)電機轉子,半開式循環(huán)供油方式發(fā)電機轉子較長,發(fā)電機兩端空氣側回油需要足夠的回油腔室,在發(fā)電機轉子上需要設計足夠距離,防止密封油與潤滑油進入密封裝置,見圖4。

圖4 雙流環(huán)密封瓦結構

2 正常運行狀態(tài)安全性分析

半開式循環(huán)和開式循環(huán)的密封油系統(tǒng)在發(fā)電機組正常運行和異常狀態(tài)下,兩者安全性有著根本差異。在正常運行狀態(tài)下,半開式循環(huán)和開式循環(huán)密封油系統(tǒng)主要安全隱患為密封瓦供油出現(xiàn)中斷。密封瓦在正常運行中出現(xiàn)供油中斷時,密封瓦出現(xiàn)燒損、發(fā)電機內(nèi)氫氣外泄,且密封瓦燒損時通常伴隨明火,容易在發(fā)電機軸端出現(xiàn)噴射式燃燒或在軸承座內(nèi)爆炸。但在實際密封油系統(tǒng)設計時已充分考慮了正常情況下密封瓦斷油風險,并設置多種備用方式。

2.1 供油調(diào)節(jié)閥

密封油供油調(diào)節(jié)采用自力式調(diào)節(jié)閥,在密封油壓力降低時,調(diào)節(jié)閥開度增大,以提高調(diào)節(jié)閥后密封油壓力。當執(zhí)行機構供油管路斷油時,調(diào)節(jié)閥在閥內(nèi)彈簧作用下自動開啟至最大,將密封油壓力調(diào)至最大。密封油供油調(diào)節(jié)閥在自身正常和異常狀況下,均不會導致出現(xiàn)密封瓦斷油問題。

2.2 供油泵

在半開式循環(huán)和開式循環(huán)密封油系統(tǒng)中,均布置1套以上備用供油泵,并設置直流事故油泵(在廠用電失去時使用直流系統(tǒng)驅動,為密封瓦提供油源)。各運行油泵、備用油泵、直流事故油泵之間有著良好低壓聯(lián)鎖關系,在調(diào)節(jié)閥后密封油壓力低時啟動備用油泵、直流事故油泵。2種供油泵在運行時的安全性沒有差異。

2.3 供油方式

a.半開式循環(huán)

半開式循環(huán)密封油系統(tǒng)基本不存在外部壓力供油,且該密封油系統(tǒng)配置多臺備用供油泵、直流事故油泵。當出現(xiàn)潤滑油系統(tǒng)斷油時,氫側密封油系統(tǒng)可以維持正常運行,由于潤滑油系統(tǒng)的回油為高位溢流回油,空側密封油系統(tǒng)回油量會逐漸減少至零,而全部回流至空側密封油系統(tǒng),空側密封油系統(tǒng)形成自循環(huán),可長時間為密封瓦供油,為操作人員現(xiàn)場應急處理提供足夠時間,使發(fā)電機內(nèi)氫氣不發(fā)生大量外泄。

b.開式循環(huán)

開式循環(huán)密封油系統(tǒng)由汽輪機潤滑油系統(tǒng)供油,潤滑油與密封油箱內(nèi)部浮球閥相連來控制密封油箱油位。當出現(xiàn)潤滑油系統(tǒng)與浮球閥相連部位故障導致密封油箱供油中斷時,會聯(lián)鎖啟動直流事故油泵,取用汽輪機潤滑油母管油源為密封瓦提供正常供油壓力的密封油;當直流事故油泵故障無法供油時,可以切換至汽輪機潤滑油系統(tǒng),提供壓力較低的密封油,但需人工快速將發(fā)電機內(nèi)氫氣壓力降低,如無法快速排放發(fā)電機內(nèi)氫氣,會出現(xiàn)大量氫氣沿密封瓦向潤滑油系統(tǒng)、汽輪機房排放情況,整個潤滑油系統(tǒng)、汽輪機房會存在爆炸風險。

在供油方式上進行比較,開式循環(huán)密封油系統(tǒng)對主機潤滑油系統(tǒng)依賴性很強,其氫冷發(fā)電機安全性能低于半開式循環(huán)密封油系統(tǒng)。

3 異常運行狀態(tài)安全性分析

3.1 汽輪機軸系斷裂

汽輪機軸系發(fā)生斷裂事故時,對發(fā)電機而言,存在發(fā)電機轉子斷裂和未斷裂2種情況。

3.1.1 發(fā)電機轉子斷裂

當發(fā)電機轉子發(fā)生斷裂時,轉子兩端支撐軸承、密封瓦均會出現(xiàn)不同程度損壞,密封瓦會出現(xiàn)密封失效情況,此時無論密封油系統(tǒng)(開式循環(huán)型式及半開式循環(huán)型式)是否正常,均不能阻止發(fā)電機內(nèi)部氫氣沿軸端排放,大量氫氣瞬時進入潤滑油系統(tǒng)、汽輪機房,易被汽輪機房內(nèi)高溫設備或明火引爆而發(fā)生爆炸。

3.1.2 發(fā)電機轉子未斷裂

當發(fā)電機轉子未發(fā)生斷裂,轉子兩端支撐軸承、密封瓦未受到破壞性沖擊,能夠維持正常狀態(tài),此時發(fā)電機是否發(fā)生內(nèi)部氫氣事故性外泄取決于密封油系統(tǒng)供油可靠性。由于汽輪機部分軸系發(fā)生斷裂,軸承座、汽輪機部分設備已被破壞,大量高溫設備裸露在外,甚至伴隨火災事故。為避免汽輪機潤滑油系統(tǒng)發(fā)生火災,應采取的緊急處理措施是將系統(tǒng)潤滑油全部排放至機組事故油池,出現(xiàn)潤滑油系統(tǒng)斷油。

a.半開式循環(huán)系統(tǒng)

對于半開式循環(huán)系統(tǒng),在汽輪機異常情況、潤滑油系統(tǒng)供油中斷時,氫側密封油系統(tǒng)可正常為密封瓦提供密封油,空側密封油系統(tǒng)也可維持系統(tǒng)正常運行。發(fā)電機此時有較充裕的時間計劃性排放氫氣、置換氫氣,確保氫氣不發(fā)生事故性外泄,此時汽輪機房內(nèi)不出現(xiàn)大量氫氣彌漫情況,就不會存在發(fā)電機著火、汽輪機房及油系統(tǒng)爆炸風險。

b.開式循環(huán)系統(tǒng)

對于開式循環(huán)系統(tǒng),由于潤滑油系統(tǒng)不再為密封油系統(tǒng)提供油源,密封油系統(tǒng)出現(xiàn)斷油情況,密封油箱僅能為密封瓦提供短時供油。

對于開式循環(huán)氫冷發(fā)電機組,密封油箱在正常油位時儲油量為2.406 m3,密封瓦與轉子半徑間隙為0.11 mm、轉軸直徑為530 mm、無偏心率,氫油壓差為0.056 MPa。在正常運行狀態(tài)下,密封瓦與轉子間油的流動狀態(tài)為縫隙層流［3-5］,根據(jù)式(1)計算氫側、空側總供油量為31.03 L/min。在發(fā)電機轉子停轉狀態(tài)下,密封瓦與轉軸間為縫隙節(jié)流運動,根據(jù)節(jié)流組件近似計算方法,氫側、空側總供油量為27.85 L/min。

(1)

式中:d為轉軸直徑,m;l為單個密封瓦長度,m;Δp為壓差,Pa;u為轉軸速度,m/s;h為密封瓦與轉軸的半徑間隙,m;ε為偏心率;η為密封油動力黏度,Pa·s。

由于密封瓦軸向、周向密封性能較差時,氫側、空側的總供油量會高于理論計算數(shù)據(jù)。根據(jù)對開式循環(huán)發(fā)電機單流環(huán)密封瓦氫側回油量現(xiàn)場試驗,靜態(tài)時兩端實際總回油量達13.6 L/min,相應根據(jù)壓差變化估算空側總回油量可達115.6 L/min,故其氫側、空側總回油量達129.2 L/min。

在單純使用密封油箱為密封瓦供油時,最大靜態(tài)、動態(tài)理論供油時間分別為86.4 min、77.5 min,實際靜態(tài)供油時間僅為18.6 min。在異常狀態(tài)下從發(fā)電機轉子開始惰走至停轉,主油箱為密封瓦供油時間應小于18.6 min,即發(fā)電機必須在18.6 min內(nèi)完成氫氣排放、氣體置換工作,該操作在現(xiàn)場基本不可能實現(xiàn),最多能完成發(fā)電機排氫泄壓工作,減少氫氣通過發(fā)電機軸端泄漏至汽輪機房、主油箱內(nèi)泄漏量,從而容易發(fā)生發(fā)電機端部起火及油系統(tǒng)、汽輪機房爆炸。在汽輪機發(fā)生軸系斷裂時,開式循環(huán)系統(tǒng)安全性會遠低于半開式循環(huán)系統(tǒng)。

3.2 油系統(tǒng)著火

當潤滑油系統(tǒng)發(fā)生著火且火勢不能快速撲滅并控制時,汽輪機最快處理方式是將潤滑油全部排放至事故油池內(nèi),避免發(fā)生油系統(tǒng)、軸承座爆炸等事故。該情況存在的最大問題依然是潤滑油系統(tǒng)斷油,對開式循環(huán)密封油系統(tǒng)有影響而對半開式循環(huán)密封油系統(tǒng)影響顯著降低。

當汽輪機主油箱潤滑油排放至事故油池后,開式循環(huán)密封油系統(tǒng)發(fā)生斷油,僅能為密封瓦提供不足18.6 min的供油時間,發(fā)電機軸端氫氣泄漏問題依然存在。由于氫氣泄漏進入發(fā)電機支撐軸承軸承座,并進入潤滑油系統(tǒng),潤滑油系統(tǒng)此時處于著火狀態(tài),泄漏進入氫氣與空氣直接混合并被明火引爆,發(fā)生油系統(tǒng)爆炸、汽輪機房爆炸。

當汽輪機油系統(tǒng)著火且汽輪機潤滑油被排放后,半開式循環(huán)密封油系統(tǒng)不受潤滑油系統(tǒng)影響,此時做好密封油系統(tǒng)防火工作,可很好地使發(fā)電機內(nèi)氫氣密封,且有較充足時間排氫、置換氫氣,保證不會發(fā)生氫氣泄漏進入潤滑油系統(tǒng)和汽輪機房,這樣不易出現(xiàn)油系統(tǒng)和汽輪機房爆炸。

當發(fā)生油系統(tǒng)著火時,開式循環(huán)密封油系統(tǒng)更容易發(fā)生潤滑油系統(tǒng)和汽輪機房爆炸。因而在該狀況下,開式循環(huán)密封油系統(tǒng)安全性遠遠低于半開式循環(huán)密封油系統(tǒng)。

3.3 潤滑油系統(tǒng)斷油

發(fā)生潤滑油系統(tǒng)斷油時情況與油系統(tǒng)著火時情況相同,開式循環(huán)密封油系統(tǒng)安全性也低于半開式循環(huán)密封油系統(tǒng)。

4 提高開式循環(huán)系統(tǒng)安全性措施

由于開式循環(huán)密封油系統(tǒng)在汽輪發(fā)電機組事故狀態(tài)(軸系斷裂、油系統(tǒng)著火、潤滑油系統(tǒng)斷油)時安全性很低,容易引發(fā)事故,需要對開式循環(huán)密封油系統(tǒng)進行系統(tǒng)性改進,以避免出現(xiàn)以上事故時發(fā)生事故擴大化。

4.1 減少密封瓦供油流量

在機組事故初期,發(fā)電機內(nèi)氫氣壓力較高時,發(fā)電機密封油進油壓力也相應較高,此時發(fā)電機密封瓦空側油-氣壓差就會很大,空側泄油量也會很大。因此在事故初期,需要快速實現(xiàn)發(fā)電機內(nèi)氫氣快速排放至接近大氣壓,減小空側油-氣壓差和泄油量,并通過調(diào)節(jié)供油調(diào)節(jié)閥降低密封瓦氫油壓差,可以有效降低密封瓦供油流量,在主油箱內(nèi)儲油量不變前提下,延長密封瓦供油時間。

以開式循環(huán)發(fā)電機密封瓦為例,發(fā)電機內(nèi)氣體容積為117 m3。當發(fā)電機內(nèi)氫氣壓力接近大氣壓(0.02 MPa),密封瓦氫油壓差由0.056 MPa降至0.015 MPa時,靜態(tài)氫側、空側計算總供油量可由27.85 L/min降至3.41 L/min,密封油理論供油時間可由86.4 min延至705.6 min,升至0.056 MPa氫油壓差下的8.17倍。由于密封瓦軸向密封問題存在實際總供油量大于理論值情況,但相比于較高氫油壓差,其供油時間仍可提高至壓差為0.056 MPa時的8.17倍(密封瓦狀態(tài)完全相同),達151.9 min,為發(fā)電機內(nèi)氫氣置換提供寶貴時間。

4.2 減少發(fā)電機排氫時間

降低汽輪機事故狀態(tài)下發(fā)電機內(nèi)氫氣外漏前提是如何快速排放掉發(fā)電機內(nèi)壓力較高的氫氣,并維持其內(nèi)部壓力略高于大氣壓。如氫冷發(fā)電機事故排氫管道內(nèi)徑為10 mm、閥芯直徑為5 mm,當發(fā)電機內(nèi)氫氣壓力由0.42 MPa降至0.02 MPa時,計算噴口氣體排放質(zhì)量流量(見式2),氣體排放時間約為120 min。在氣體總量不變前提下,氣體排放質(zhì)量流量與排放口面積成正比,如將事故排氫管道內(nèi)徑增至20 mm、閥芯直徑增至20 mm,則發(fā)電機內(nèi)氫氣壓力由0.42 MPa降至0.02 MPa,時間可降至原來的1/16,約為8 min。

(2)

式中:P0為發(fā)電機氣壓,Pa;p為環(huán)境壓力,Pa;A為排汽口面積,m2;R為氣體常數(shù),J/(mol·K);γ為絕熱指數(shù);T0為氣體絕對溫度,K。

為盡量縮短發(fā)電機內(nèi)氫氣排放時間,可將排氫管道、閥芯直徑加大,排氫時間縮短,從而可避免氫氣外泄,又可快速減少發(fā)電機密封瓦供油量,延長發(fā)電機靜態(tài)供油時間。

4.3 采用快速氣體置換方式

發(fā)電機內(nèi)氣體置換一般采用二氧化碳作為氫氣與空氣置換的中間氣體。二氧化碳置換氫氣時,工業(yè)用二氧化碳一般為固態(tài),釋放的二氧化碳氣體很容易在氣體管道內(nèi)冷凝固化、堵塞管道,造成二氧化碳釋放速度較慢、體積流量小。一般情況下,氫冷發(fā)電機中二氧化碳置換氫氣至少需要6 h,而發(fā)電機氣體置換爭取到的最大時間僅為151.9 min,無法完成發(fā)電機氣體置換。

因此采用氮氣替代二氧化碳作為中間氣體,用于置換發(fā)電機內(nèi)氫氣。氮氣具備以下優(yōu)點:易制備,純度高,工業(yè)儲存壓力大且儲量大;氮氣與氫氣反應條件比較苛刻,要求在高溫+高壓+催化劑或高溫+高壓+放電等條件下才能發(fā)生反應,但在氫冷發(fā)電機內(nèi)環(huán)境中不具備以上條件,在氣體置換過程中不存在氮氣和氫氣快速反應而釋放大量熱量、發(fā)生爆炸的風險;常規(guī)高壓氮氣瓶中儲存氣態(tài)氮氣,釋放速度快,可快速為發(fā)電機內(nèi)提供大量氮氣,在150 min內(nèi)實現(xiàn)將機內(nèi)氫氣置換為氮氣,降低發(fā)電機漏氫和爆炸風險。采用氮氣作為置換氣體時,由于氮氣釋放速度快、流量大,可在2 h內(nèi)完成發(fā)電機內(nèi)氫氣置換,降低廠房內(nèi)漏氫和爆炸風險。

4.4 增加系統(tǒng)供油能力

在密封瓦動態(tài)、靜態(tài)狀態(tài)下泄油量相對固定的前提下,提高密封油主油箱有效容積、增加密封油供油量,可有效延長密封油供油時間,還可為發(fā)電機提供較充足的氣體排放、置換時間。

4.5 設置局部自循環(huán)

自空氣抽出槽引流管路至密封油箱,建立密封油局部自循環(huán)。在正常狀態(tài)下,該管路處于關閉狀態(tài),需要發(fā)電機密封油系統(tǒng)建立自循環(huán)時,打開該管路,將發(fā)電機兩端氫側、空側回油直接引流至密封油箱,建立半開式循環(huán),可維持較長時間段發(fā)電機密封油系統(tǒng)局部自循環(huán),而不需要外部供給油源,從而延長發(fā)電機應急處理時間。

5 結語

對于氫冷發(fā)電機開式循環(huán)和半開式循環(huán)密封油系統(tǒng),在汽輪發(fā)電機組出現(xiàn)軸系斷裂、油系統(tǒng)著火、潤滑油系統(tǒng)斷油等事故時,開式循環(huán)密封油系統(tǒng)安全性低于半開式循環(huán)密封油系統(tǒng),更易發(fā)生發(fā)電機著火、油系統(tǒng)爆炸、汽輪機房爆炸等事故。應采取措施提高開式循環(huán)密封油系統(tǒng)安全性,在密封油主油箱內(nèi)儲油量耗盡前完成發(fā)電機內(nèi)氣體排放、置換,確保機組不會因為氫氣大量外泄引發(fā)事故。