洪小江，张照亮，石晓民

（赣浙国华（信丰）发电有限责任公司，江西 赣州 341000）

采用氢气冷却的发电机，为防止机组运行时氢气沿发电机转子轴向外漏，一般都设有密封油系统，该系统向发电机密封瓦提供压力略高于氢压一定数值的压力油，以实现对发电机内氢气的可靠密封，同时对密封瓦进行润滑和冷却。本文针对某新安装的660 MW机组单流环密封油系统出现的发电机氢气系统进油事故进行了排查、分析，确定了氢气系统进油的原因，并提出了改进措施，消除了发电机进油的安全隐患。

1.1 单流环密封油系统流程

如图1所示，典型的单流环密封油系统只有1套供油系统，且不分氢气侧和空气侧。

图1 典型的单流环密封油系统Fig.1 Typical single-ring sealing oil system

正常运行时，汽轮机来的润滑油进入密封油真空油箱，经交流密封油泵升压后由差压调节阀调节至大于机内气体压力0.056±0.02 MPa［1］，并经滤网过滤后进入发电机密封瓦。

单流环密封瓦纵向剖面如图2 所示，其中空气侧的回油进入空气抽出槽，氢气侧的回油进入扩大槽（也称“膨胀箱”）后再向下流入浮子油箱［2］，而后依靠压差流入空气抽出槽（也称“空气析出槽”），最后通过汽轮机润滑油套装油管回到主油箱，进入下一个循环。

图2 单流环密封瓦Fig.2 Single-ring sealing tile

系统还配置了1 台再循环油泵，正常运行时吸入来自真空箱内的密封油，经处于高度真空状态下的真空油箱顶部设置的喷头降压喷雾，析出油中的气体和水分。真空泵连续运行维持真空油箱中的真空度，并将空气和水分（水蒸汽）抽出并排放掉［3］。再循环泵工作时，通过管路使真空油箱中的油形成一个局部循环回路，从而使油得到更好的净化。扩大槽两侧和浮子油箱顶部分别引出细小排气管，用于密封油启动、发电机气体置换过程中排空气，两路排气管汇合后接入氢气系统排气管排至主厂房外。

扩大槽顶部和发电机底部分别引出细管，接至油水探测器，用于正常运行及气体置换时检查判断密封油进入发电机的程度，发现油水探测器有油时，应及时排放并查找原因予以消除。

1.2 密封油系统的油位控制

扩大槽安装于发电机底部，用于储存密封瓦氢气侧的回油，扩大槽油位高于预定值时发报警。扩大槽箱体中部由一隔板分开，防止发电机两侧风扇出口压力不平衡产生压差，造成油气在发电机两端之间循环流动［4］。箱体上部设有一根平衡管与浮子油箱连通，用以平衡扩大槽与浮子油箱的压力，保证扩大槽回油顺畅。隔板两侧底部回油通过一个U 型管连接，向下流入浮子油箱。

氢气侧回油进入浮子油箱，在此分离出的氢气通过油箱顶部的平衡管返回至扩大槽，密封油则通过油箱底部的浮子阀排入空气抽出槽。由于浮子的控制作用，油箱内始终维持一定的油位，防止氢气进入空气抽出槽。

浮子阀的控制原理如图3 所示，当油箱油位逐渐上升时，浮球带动浮子阀逐渐开大直至全开，以增大油箱排油量；
而当油箱油位逐渐降低时，浮球带动浮子阀逐渐关小，直至全关以减小油箱排油量［5］。当浮子阀故障时，易于出现油位失控的现象，此时可通过开关浮子油箱旁路一、二次手动阀，控制旁路观察窗油位在1/2处，暂时维持扩大槽正常回油。

图3 浮子阀的控制原理图Fig.3 Control principle diagram of float valve

发电机轴承的回油与密封瓦空气侧的回油混合后进入空气抽出槽，在此分离出的空气经抽出槽风机和外管线排出，回油通过汽轮机润滑油套装油管流入主油箱。

密封油真空油箱的油位也通过一个进油浮子阀自动控制，当油箱油位逐渐上升时，浮子阀逐渐关小直至全关以减小油箱进油量；
而当油箱油位逐渐降低时，浮子阀逐渐开大直至全开以增大油箱进油量［6］。当浮子阀故障时，易于出现油位失控的现象，此时可通过开关手动补油阀暂时维持正常的油箱油位。

2.1 问题描述

2021 年11 月13 日，该机组发电机密封油系统开始进行第一阶段管道冲洗，发电机密封瓦进油管断开，通过临时短管连接进油母管和扩大槽排油管，冲洗流程如下：

汽轮机润滑油系统→真空油箱→交流密封油泵→滤网→差压阀旁路→临时短接管→扩大槽排油管→空气抽出槽→汽轮机润滑油系统。［7］

2021 年12 月15 日，运行人员发现氢气汇流排安全阀有油轻微渗出，扩大槽出现油位高报警。经过仔细检查，氢气系统多处排污阀开启后能放出油，发电机密封油已经进入汽机房0 m 和6.9 m 层氢气系统的相关管道；
发电机底部油水探测器和排污口均未检测到油，确认发电机尚未进油。

2.2 氢气系统进油原因分析及处理

发电机氢气系统进油，可能造成氢气携带大量密封油进入发电机，影响定子线圈的绝缘性能，严重时使绝缘击穿，出现匝间或相间短路［8］，严重影响机组的正常运行。

根据单流环密封油系统的工作原理，结合设计、安装和运行的特点，初步确定了以下几种导致氢气系统进油的可能，并进行逐一排查和分析。

2.2.1 密封瓦进油压力过高

根据厂家说明书，密封油压应比发电机内气体压力高0.056±0.02 MPa，经检查密封瓦进油压力为0.04 MPa，满足设计要求，排除了密封瓦进油压力过高的可能。

2.2.2 浮子油箱工作异常导致氢侧回油不畅

浮子油箱工作异常的主要原因有：

1）浮子油箱油位自动控制失灵，浮子阀开启在某一开度卡住或浮子阀在较高油位时不能自动开启，使浮子油箱和扩大槽满油［9］。

2）发电机气体压低，导致浮子油箱浮子阀调节性能变差，浮子阀不能正常工作，使浮子油箱和扩大槽满油。

3）用以平衡扩大槽与浮子油箱压力的平衡管截止阀未开［10］，使浮子油箱上部憋压，导致浮子阀无法开启，使浮子油箱和扩大槽满油。

4）密封油回油系统浮子油箱进、回油门等阀门误关，使氢气侧密封瓦回油截断。

针对上述原因，现场进行了逐一排查分析：

1）经过逐一核对，密封油系统阀门状态正常，不存在平衡管截止阀误关的可能。

2）开启浮子油箱旁路一、二次阀，发现扩大槽和浮子油箱油位无变化，排除了浮子阀卡涩、失灵或调节性能差的影响。

综上，消除了浮子油箱工作异常导致氢侧回油不畅的疑虑。

2.2.3 设计或安装不合理导致氢侧回油不畅

通过查阅厂家说明书，核对密封油回油系统管道施工图，发现施工图中扩大槽和空气抽出槽的相对高不满足说明书的要求。经现场测量，扩大槽和空气抽出槽的高度差仅150 mm，与施工图一致，说明书中要求扩大槽和空气抽出槽的相对高度差不得小于380 mm［11］，故系统存在扩大槽和空气抽出槽的高度差不足导致氢侧回油不畅的问题。

2.2.4 密封油通过与氢气系统的连接管串油

如图4 所示，密封油系统与氢气系统连通的部分除发电机本体外，只有扩大槽和浮子油箱排气母管［12］。

图4 某660 MW发电机单流环密封油系统回油部分Fig.4 Oil return part of single-ring seal oil system of a 660 MW generator

发电机底部油水探测器和排污口均未检测到油，发电机尚未进油，密封油通过发电机本体进入氢气系统的可能性被排除。另外，扩大槽两侧排气管高于发电机油水探测器监测点，可排除氢侧回油进入扩大槽顶部排气管的可能。

在密封油启动初期需开启浮子油箱排气阀排空气，氢侧回油通过浮子油箱排气管串入氢气系统的可能较大，于是对其进行了进一步分析。

1）从流体动力学角度分析。

首先，取扩大槽液面、空气抽出槽液面2个断面进行分析，根据伯努利方程：

式（1）中，z1、u1、p1分别为扩大槽液面的标高、液体流速、绝对压力；
z2、u2、p2分别为空气抽出槽液面的标高、液体流速、绝对压力；
hw1为密封油从扩大槽流到空气抽出槽的阻力［13］；
ρ为密封油的密度；
g为当地的重力加速度。

密封油系统运行稳定后，扩大槽和空气抽出槽的油位基本稳定，可以近似认为这两个断面液体流速为0，即u1=u2=0。取两个箱体液位净高度差Δh1=z1-z2，p1、p2、Δh1与hw1之间的关系式为：

在发电机内压力未建立前，p1为0，Δh1=hw1+p2/ρg。

空气抽出槽风机运行时，p2约为-200 Pa 左右；
当抽出槽风机停运时，p2为0，Δh1取得最大值，即Δh1=hw1，此时扩大槽油位最高，发电机进油的风险最大。密封瓦氢气侧回油完全依靠扩大槽与空气抽出槽液面高度差（Δh1）来克服流动阻力（hw1），沿着扩大槽→浮子油箱→空气抽出槽的路径，进入空气抽出槽，最后通过汽轮机润滑油套装油管回到主机润滑油箱。

因流动阻力hw1>0，故Δh1>0，也即扩大槽油箱液面高于空气抽出槽液面。

根据流体力学范宁公式：

式（3）中，λ1为从扩大槽到空气抽出槽的流动阻力系数，l1为从扩大槽到空气抽出槽的管道长度，d1为从扩大槽到空气抽出槽的当量直径，u1为从扩大槽到空气抽出槽的液体流速。

同理，取扩大槽液面、浮子油箱排气管最高点液面两个断面，进行分析，可以得出：

式（4）中，hw2为从扩大槽到浮子油箱排气管最高点密封油的流动阻力，p1、p3分别是扩大槽、浮子油箱排气管最高点的压力，Δh2为扩大槽与浮子油箱排气管最高点的高度差。

因浮子油箱排气管、氢气系统排气管与主厂房外大气连通，p1=p3=0，Δh2=hw2。

现场测量浮子油箱排气管的安装高度，最高点的安装高度低于扩大槽底部，甚至比空气抽出槽底部低，Δh2≈400 mm，显然hw2>0。

根据流体力学范宁公式：

式（5）中，λ2为从扩大槽到浮子油箱排气管最高点的流动阻力系数，l2为从从扩大槽到浮子油箱排气管最高点的管道长度，d2为从扩大槽到浮子油箱排气管最高点的当量直径，u2为从扩大槽到浮子油箱排气管最高点的液体流速。

显然，λ2、l2、d2均大于0，由hw2=>0，可知>0，即此时如果浮子油箱排气阀开启，则密封油必然在扩大槽与浮子油箱排气管最高点之间流动［15］。因扩大槽液面高于浮子油箱排气管最高点，可以确定密封油由扩大槽流向浮子油箱排气管最高点，然后向下进入氢气系统，进而充满氢气系统的管道。

2）从流体静力学角度分析

密封油系统启动初期开启浮子油箱排气阀后，密封油在扩大槽→浮子油箱→浮子油箱排气管之间形成的油柱如图5所示，根据静力学基本方程［16］：

图5 扩大槽-浮子油箱排气管间的油柱Fig.5 Oil column between expansion tank and float tank exhaust pipe

式（6）中，p1、z1分别为扩大槽液面的压力和标高，p3、z3分别为浮子油箱排气管最高点的压力和标高。

密封油启动时，发电机压力为零，故p3/ρg=Δh2=z1-z3=400 mm>0，即浮子油箱排气管中油压大于0，密封油在此压力作用下流入氢气系统。

由此可见，无论从流体动力学，还是静力学角度分析，发电机内压力为0 时密封油都可以通过扩大槽经浮子油箱排气管流入氢气系统［17］，存在氢气携带密封油进入发电机的安全隐患。

如图6所示，为防止密封油系统回油不畅，将空气抽出槽安装高度下降230 mm，使之低于扩大槽380 mm。为防止密封油串入氢气系统，将浮子油箱排气管安装高度提高，使其最高点高于扩大槽顶部100 mm［18］。

图6 改进后的密封油系统回油部分Fig.6 Oil return part of improved sealing oil system

3.1 从流体动力学角度验证

取扩大槽液面、浮子油箱排气管最高点液面2 个断面［19］，进行分析，可以得出：

式（7）中，hw2为从扩大槽到浮子油箱排气管最高点密封油的流动阻力，Δh2为扩大槽液面、浮子油箱排气管的高度差，p1、p3分别是扩大槽［20］、浮子油箱排气管最高点的压力。

因浮子油箱排气管、氢气系统排气管与主厂房外大气连通，p1=p3=0，hw2=Δh2，此时，扩大槽液面比浮子油箱排气管最高点低，即hw2=Δh2=-100 mm＜0。

另外，根据流体力学范宁公式：

式（8）中，λ2为密封油从扩大槽到浮子油箱排气管最高点的流动阻力系数，l2为从扩大槽到浮子油箱排气管最高点的管道长度，d2为从扩大槽到浮子油箱排气管最高点的当量直径，u2为从扩大槽到浮子油箱排气管最高点的液体流速［21］。

因λ2、l2、d2/2任意一项均大于0，可知hw2>0，这与hw2=Δh2＜0矛盾。因此，密封油从扩大槽流向浮子油箱排气管最高点的可能性不存在。

3.2 从流体静力学角度验证

密封油系统启动初期，开启浮子油箱排气阀后，密封油在扩大槽→浮子油箱→浮子油箱排气管之间形成的油柱如图7所示，根据连通器原理，两个液面压力均为0［22］，浮子油箱排气管中的液面高度与扩大槽中的液面高度相等，低于浮子油箱排气管与氢气系统排气管的接口标高，密封油不可能从浮子油箱排气管最高点流入氢气系统。

图7 扩大槽-浮子油箱排气管间的油柱Fig.7 Oil column between expansion tank and float tank exhaust pipe

由此可见，改进后，无论从流体力学的动力学角度计算，还是静力学角度分析，密封油均不会从扩大槽经浮子油箱排气管流入氢气系统［23］。

3.3 改进后的实际效果

2021年12月20日，在改进措施实施后，启动密封油系统，扩大槽及发电机所有油水探测器均未检测到油，密封油回油不畅的问题得到解决。开启浮子油箱顶部排气阀，氢气系统所有排污口均未放出油，成功避免了发电机内压力为0时密封油从扩大槽经浮子油箱排气管流入氢气系统。

综上所述，密封油系统安装应保证浮子油箱排气管的最高点高于空气抽出槽一定高度，防止系统回油不畅。单流环密封油系统浮子油箱排气管直径只有14 mm，按照现行的设计规范，其安装标高和路径不在厂家和设计院的设计范围，由施工现场确定布置，存在一定的风险，因此在安装调试阶段防止密封油串入氢气系统应引起安装、调试人员的足够重视。但是只要掌握了单流环密封油系统的工作原理，分析清楚密封油回油不畅和氢气系统进油的原因，并在管道安装前确定合理的布置方案，就能有效避免发电机内部进油事故的发生［24］。以上是对某新安装660 MW机组的单流环式密封油系统调试阶段出现的氢气系统进油事故进行了理论的分析，希望对读者有所帮助。

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