390H型發電機進潤滑油的危害性淺析
2016-08-29王平
（福建晉江天然氣發電有限公司，福建晉江，362200）
摘 要：本文簡述390H型發電機的密封系統，淺析其進入潤滑油的原因及其造成的危害，提出了防止發電機進入潤滑油的防范措施。
關鍵詞：油氫壓差；全氫冷卻；水氫氫冷卻；氫氣純度；氫氣濕度；油泥；腐蝕
0 引言
390H型發電機，引進GE公司技術，由國內制造，采用全氫冷卻方式。全氫冷卻發電機和水氫氫冷卻發電機相比，氫氣密封更為困難，且較易進入潤滑油。390H發電機定子膛內氫氣壓力0.414MPa（氫溫40℃時），電力行業規定油氫壓差0.0345MPa。和300MW水氫氫冷卻發電機相比，水氫氫冷卻發電機定子膛內氫氣壓力0.31MPa，油氫壓差0.085MPa。可以看出全氫冷發電機定子堂內氫氣壓力較高，而油氫壓差反而較低，所以全氫冷發電機的密封比水氫氫冷卻發電機的更為困難，全氫冷發電機內更容易進入潤滑油。GE公司TIL文件規定390H發電機油氫壓差正常范圍在0.038MPa以上，對上限定值沒有規定。使用390H發電機的電廠為了控制發電機氫氣泄漏量不超過規定值，往往采用提高發電機油氫壓差的辦法來控制氫氣泄漏量。由于油氫壓差過高，潤滑油比較容易進入發電機內部，對發電機造成危害。本文簡述了390H發電機密封系統的結構和工作原理，進入潤滑油的原因和防范措施，簡要說明了發電機定子進入潤滑油后造成的危害。不言而喻，要采取一切措施防止發電機定子進入潤滑油。
1 390H發電機密封油系統
1.1發電機密封系統簡介
發電機密封油系統由密封油控制裝置、油氫分離器、密封油回油擴容器及浮子閥、軸承回油擴容器、氫氣分離器、密封組件等組成，其中密封油控制裝置和密封組件對氫氣密封起到關鍵性的作用。密封油控制裝置的主要部件是一個儀表盤和一個油氫壓差調節閥。油氫差壓調節閥為隔膜閥，其上部位連接發電機氫氣壓力，下部位連接密封油油壓，通過螺母設定恒定的油氫差壓值。油氫差壓閥根據發電機內氫氣壓力的變化，自動調整進入發電機密封組件的密封油油壓，維持油氫差壓的穩定，使密封油油壓略高于發電機的氫氣壓力。油氫壓差調節閥出口油壓力和發電機氫氣壓力之差稱為油氫壓差。
1.2發電機密封系統工作原理
整個發電機是一個密封的腔室，在前后軸端各設置了一個如圖1所示的雙層密封環，俗稱密封瓦，每個軸的密封瓦分為上密封瓦和下密封瓦，密封瓦和發電機軸之間有密封齒，密封齒與發電機軸頸有約0.076～0.381mm左右的徑向密封間隙。密封油從兩層密封環的中間進入，從兩端流出，一端與發電機定子內的高壓氫氣接觸，此處回油間隙較小，外加一個油擋也可減小密封油流量，充入高于氫氣壓力38.5～49.0kPa的密封油，發電機內氫氣壓力在運行中有一定的變化量，因此要求跟蹤這一變化情況，始終保持密封油壓力略高于發電機內的氫氣壓力，防止氫氣外漏；另一端與外界空氣接觸，回油間隙較大，因此大量的密封油從空氣側回油。由于大氣壓力基本恒定，而密封油壓力隨著發電機內氫氣壓力的變化進行調節，因此發電機內氫氣壓力越高，空氣側回油的壓差就越大，空氣側的回油量增加，整個密封油系統的密封油流量也隨著增大。
圖1 發電機氫氣密封的機械結構
2 發電機進油原因淺析
2.1油氫壓差偏高
油氫壓差設定值偏高或者因為操作使密封油壓力短時突然升高，使密封油進入發電機。由于GE公司TIL文件未規定油氫壓差上限值，所以值班員往往會抬高油氫壓差值，以控制發電機的氫氣泄漏量。值班員操作不當也會引起油氫壓差短時偏高。密封油系統投運過程中，油氫差壓閥前后手動門開啟過快，油氫差壓閥跟蹤滯后，會使油氫差壓閥后油壓力突升；油氫差壓閥隔離檢修，進行油氫差壓閥主路、旁路切換時，主、旁路閥門開啟程度調整配合不當，也會使油壓力突升。
2.2發電機氣體置換操作方式
檢修前進行發電機氫氣置換，如果定子膛內氣體壓力下降過快，油氫壓差閥跟蹤滯后，潤滑油就會進入發電機。發電機檢修后進行氣體置換，如果先投發電機密封油，然后在通入置換氣體，那么在發電機定子膛內沒有壓力的這段時間可能就會進入潤滑油。
2.3回油浮球閥卡澀
密封瓦氫氣側的油回到密封油回油擴容器，在回油擴容器內氫氣被分離出來排出，從回油擴容器出來的油則繼續流到回油浮球閥進一步分離出氫氣排到廠房外。如果回油浮球閥卡澀，導致回油不暢，氫側回油擴容器的油位異常升高，會引起發電機進油。
2.4其它原因
密封瓦與大軸的間隙過大，密封齒缺損或者變形，相同的油氫差壓，進入密封瓦氫側的油量增加，也會使潤滑油進入發電機。油氫差壓閥控制失靈，或者跟蹤發電機氫壓的變化反應不靈敏，也會使發電機進油。
有的電廠對發電機進油可能不太注意，往往認為把油污清除干凈就可以了，而不去考慮發電機進油后所產生的危害。現就對發電機進油產生的危害作具體說明，在說明之前有必要簡述一下潤滑油的腐蝕機理。
3 潤滑油的腐蝕機理
所謂腐蝕是指潤滑油中所含的侵蝕性物質和金屬零部件、絕緣材料等發生化學反應引起的損壞。
潤滑油具有腐蝕性是因為在制取和貯存的過程中混入了水份，氧氣，無機物，機械雜質等物質。氧氣進入潤滑油就會受到氧化作用的影響產生新的物質，比如脂肪酸，它就具有腐蝕性。潤滑油中的基本組分（烷烴、環烷烴）對金屬、絕緣材料等是沒有腐蝕的，對金屬、絕緣材料有腐蝕作用的是潤滑油中的酸類物質（水溶性無機酸類、油溶性有機酸類、水溶性低分子有機酸類等）。成品潤滑油本身不含無機酸，引起金屬、絕緣材料腐蝕的無機酸，一是來自潤滑油加工過程中未除盡的酸類物質，二是在使用、貯存、運輸過程中混入的。無機酸可以直接和金屬作用生成相應的無機酸鹽，造成化學腐蝕。有機酸包括油溶性的高分子有機酸和水溶性低分子有機酸類兩種、在加工過程中，潤滑油基礎油中所含的有機酸類絕大部分都已被除去，引起金屬、絕緣材料腐蝕的有機酸類，主要是潤滑油使用過程中產生的氧化產物，比如低分子有機酸。低分子有機酸在有水份存在的情況下對金屬、絕緣材料的腐蝕作用十分強烈，其腐蝕性隨分子量的增大而減弱。潤滑油的腐蝕性用腐蝕度來表示。
潤滑油中的腐蝕性物質以及氧化產物對發電機零件的腐蝕程度，用潤滑油的腐蝕度加以評定。腐蝕度是通過腐蝕度試驗得到的，測定原理是利用粘附在金屬表面的潤滑油薄膜，間斷地與空氣接觸發生氧化并引起對金屬的腐蝕。測定時，試驗油的溫度保持在140℃，將已知重量的標準尺寸的金屬片，以15次/min浸入試驗油的速度連續試驗50h，Z后測出金屬片減輕的重量，以g/m2表示，這個Z后減輕的金屬重量就是該試驗潤滑油的腐蝕度。
4 390H發電機進入潤滑油的危害淺析
4.1使發電機的氫氣純度降低
沿大軸漏入發電機內部的潤滑油，混入氫氣后形成油氫混合物，然后被高速旋轉的轉子甩出形成霧化狀態的油霧。霧化程度不高的油氫混合物附著在發電機端部的繞組、氫氣冷卻器、端蓋等部件上，然后凝集流入發電機底部；霧化程度較高的油氫混合物跟隨發電機膛內的氫氣彌漫于發電機內部，使發電機膛內的氫氣純度降低。電力行業規定：“一般要求發電機內氫氣純度保持在96%以上，低于此值時，應進行排污”。一般情況下，當發電機膛內的氫氣壓力不變時，氫氣純度每降低1%，其通風摩擦損耗大約增加11%，從而降低發電機的效率。發電機損耗增加，產生的熱量隨之增加。霧狀的油氫混合物跟隨氫氣走過一段距離后，可能有部分或者全部潤滑油從氫氣中分離出來。只要發電機的運行狀態不變、漏油的狀態也不變，那么就會在發電機的某個局部形成一個氫氣純度比較低的區域，這個區域的散熱條件變差，出現熱量滯留累積，Z終導致發電機局部過熱。發電機局部過熱會引起發電機定子線棒絕緣或鐵芯絕緣老化甚至擊穿。
4.2使發電機的氫氣濕度超標
潤滑油里的水分會使發電機膛內的氫氣濕度超標，氫氣濕度超標有3個方面的危害：
（1）氫氣濕度超標造成發電機定子線圈端部短路事故。氫氣濕度越高，氫氣中的水分越多，氣體的介電強度就越低，定子繞組受潮，絕緣電阻降低，從而降低了絕緣表面的放電電壓，發電機端部引線的瓷絕緣套管容易發生沿面閃絡造成端部短路事故。在電力行業，類似的事故是發生過的。
（2）氫氣濕度超標造成發電機轉子護環產生應力腐蝕。氫氣濕度高，將對其接觸的金屬產生應力腐蝕，而應力腐蝕與金屬氫脆相互起到催化作用，使發電機轉子護環的腐蝕加劇，嚴重時會導致發電機轉子護環出現應力腐蝕裂紋。據有關資料介紹，對非18Cr18Mn材料的護環，氫氣相對濕度在50%以上是，對其應力腐蝕將急劇加速；即使是采用18Cr18Mn材料的護環，氫氣相對濕度在80％以上時，同樣會使發電機轉子護環產生應力腐蝕。由于應力腐蝕使護環產生裂紋，同時絕緣瓦松動，引起絕緣瓦與護環端部轉子線圈摩擦，有可能引起發電機轉子線圈接地或短路。
（3）影響發電機的運行效率。由于氫氣中濕度大，水分高，使氣體密度增大，增加了發電機通風損耗，降低了發電機的運行效率。
4.3產生油泥賭賽發電機冷卻通道
油霧跟隨氫氣進入發電機定子繞組、定子鐵芯、轉子繞組的通風道（或通風孔）中，沉積為油泥賭賽冷卻通道，影響發電機的通風和散熱。嚴重時會引起定子繞組、定子鐵芯、轉子繞組的通風道賭賽，出現局部過熱，導致發電機局部絕緣事故。油泥是一種比較穩定的油水乳狀體與多種雜質的凝聚物。390H發電機在制造的時候難免會在一些衛生死角留有灰塵和制造垃圾，發電機在運行中會因為微振而引起絕緣材料和鐵芯產生摩擦，產生絕緣粉末，電力行業俗稱“黃粉”。發電機在運行中，帶黏性的油霧在氫氣帶動下卷走發電機內部的部分灰塵、制造垃圾和絕緣黃粉，Z終形成黑色的凝聚物-油泥。
發電機的黑色油泥屬于低溫沉積物，390H發電機正常運行時定子線棒溫度在60℃左右，處于低溫運行狀態。和轉子相比，發電機定子線棒、鐵芯的冷卻通道被黑色油泥堵塞的可能性要大得多，因為轉子在運行中處于高速旋轉狀態，沉積的油泥會被高速甩出。
4.4腐蝕發電機絕緣材料和端部部件
潤滑油附著在發電機定子端部繞組、絕緣墊條、波紋板、密封圈等表面上，會對定子繞組環氧云母帶，定子線棒的絕緣墊條、側面波紋板，定子端部密封條等部件產生溶解侵蝕作用，這種溶解侵蝕作用是一個漫長的腐蝕過程，這些部件長期受到潤滑油的侵蝕，慢慢地也會降低甚至失去它應有的作用。390H發電機端部的密封圈受到潤滑油腐蝕后，它的伸縮性就會變差，密封圈的直徑會變大，出現局部隆起現象，密封性變差。
5 發電機進油的防范措施
5.1確定合理的油氫壓差上限值
GE公司TIL文件規定390H發電機油氫壓差正常范圍在0.038MPa以上，但是對0.038MPa以上的上限定值沒有規定。油氫壓差的上限值需要根據390H發電機實際運行工況由燃氣電廠自己確定，每臺發電機的合適油氫壓差的上限值可能會各不相同。為摸索并確定390H發電機油氫壓差的上限值，在發電機檢修前和檢修后，建議用戶對每臺發電機的油氫差壓、密封油總流量、氫側回油量以及進油檢查情況等進行統計和對比，制作統計表，根據統計表調整油氫壓差的上限值。經過多次調整和檢查發電機的進油情況，Z終確定合適的發電機油氫壓差上限值。
5.2調整密封油系統的投退操作方式
在發電機氣體置換，密封油投退的操作過程中，避免在發電機定子膛內沒有氣壓（標準大氣壓）的情況下投密封油，應該始終保證在投密封油前，發電機膛內有高于標準大氣壓接近額定氫壓的氣體壓力。發電機檢修前置換氫氣，Z后氫氣置換成空氣后，保持發電機定子膛內有一定壓力的壓縮空氣，然后停運密封油系統，讓膛內壓縮空氣自由外泄降壓。發電機檢修后發電機定子堂內置換成CO2，當發電機定子膛內沖到有一定壓力的CO2氣體后，在有微量CO2氣體外泄的情況下投入發電機密封油把CO2氣體封住，然后再沖入氫氣把CO2置換掉。這種操作置換方式，在置換過程中會有少量的空氣和CO2從發電機定子膛內泄漏出來，但是可以保證在置換過程中，潤滑油不會因為操作的原因進入發電機內部。
5.3做好發電機密封系統的點檢定修工作
定期檢查發電機密封環、測量密封間隙，保證發電機密封環的完好性和密封間隙在合格范圍內。定期檢查密封系統的油氫壓差控制閥、回油浮球閥、各種信號探測器等部件，保證發電機密封油系統所有部件的完好性和工作的靈敏性。只有保證了發電機密封系統的完好性和工作的可靠性，才能有效的防止潤滑油進入發電機。
6 結語
全氫冷卻390H發電機在氫氣密封的環節不如水氫氫冷卻的發電機已有的多年運行經驗，比較容易進入潤滑油。使用390H發電機的燃氣輪機發電廠為了控制氫氣泄漏量不超標，往往毫無顧忌地提高油氫壓差，這可能也是發電機進入潤滑油的主要原因。抬高390H發電機油氫壓差的思想根源，可能就在于GE公司只對油氫壓差下限值作了規定，但對0.038MPa以上的上限定值并未作規定和說明。油氫壓差的上限定值多少為合適，這可能要靠國內使用390H發電機的燃氣輪機發電廠長時間地摸索與總結，在實踐中不斷試用油氫壓差的多個上限值并每次檢查發電機內部的進油情況，Z終確定合適的油氫壓差上限值。
潤滑油進入發電機造成的傷害是非常嚴重的，會引起發電機端部繞組短路，定子繞組局部過熱，轉子護環開裂，定子鐵芯局部過熱損壞等事故，這些事故分別是《防止電力生產事故的二十五項重點要求及編制釋義》第10.2、10.6、10.8、10.10條規定需要注意防止的，所以要采取一切措施防止潤滑油進入全氫冷發電機。
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