QFSN-600型氫冷發(fā)電機密封油系統(tǒng)存在問題分析及優(yōu)化

趙國欽，鄭桂波

（廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 515223）

0 引言

QFSN-600型氫冷發(fā)電機密封油系統(tǒng)的主要功能是對發(fā)電機膛內(nèi)氫氣進(jìn)行有效密封，防止發(fā)電機氫氣外漏和發(fā)電機進(jìn)油，包括供油系統(tǒng)、回油系統(tǒng)、氣壓平衡系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)。密封油系統(tǒng)的工作可靠性與發(fā)電機密封瓦、密封油系統(tǒng)進(jìn)回油系統(tǒng)的平衡能力密切相關(guān)。

1 密封油系統(tǒng)概述

密封油系統(tǒng)主要包括供油系統(tǒng)、回油系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、氣壓平衡系統(tǒng)等，見圖1。

供油系統(tǒng)為整個密封油系統(tǒng)提供動力油源，主要包括密封油泵、油氫差壓裝置等。密封油油源可以由汽輪機潤滑油系統(tǒng)提供，或由自有封閉式供油系統(tǒng)提供。

回油系統(tǒng)由密封瓦回油腔室、回油擴大槽、浮子油箱、空氣抽出槽等組成。密封瓦回油腔室、回油擴大槽、浮子油箱內(nèi)液位面以上的氣壓均為發(fā)電機膛內(nèi)氫氣壓力，三者之間存在高度差，回油依靠重力自流?？諝獬槌霾蹆?nèi)液位面以上為微負(fù)壓空氣，浮子油箱至空氣抽出槽的回油依靠壓差回油。

發(fā)電機密封瓦工作后的密封油進(jìn)入密封瓦回油腔室A內(nèi)，并經(jīng)腔室底部的6個回油孔通過與之相連的回油總管進(jìn)入回油擴大槽的汽端和勵端，見圖2?；赜颓皇褹的容積越大、回油孔孔徑越大，其腔室內(nèi)的油液液位面越低，回油越順暢。

圖2 密封瓦回油腔體結(jié)構(gòu)

回油擴大槽被中間隔板分隔為汽端和勵端回油腔室B1和B2，兩者通過底部的U型油封管路聯(lián)絡(luò)，U型管路起到連通和隔離作用，見圖3。

圖3 密封油回油擴大槽結(jié)構(gòu)

真空系統(tǒng)由真空油箱、真空油泵、再循環(huán)泵等組成。主要將進(jìn)入密封瓦的潤滑油進(jìn)行消泡、除水，提高密封油的品質(zhì)。

氣壓平衡系統(tǒng)由氫油壓差裝置、回油擴大槽、浮子油箱燈相連的氣壓平衡管路組成，使三者保持均衡壓力，保證氫油壓差調(diào)節(jié)閥的正常工作和回油系統(tǒng)的正常重力自流回油。

2 密封油系統(tǒng)存在的主要問題分析

2.1 密封瓦進(jìn)油壓力

發(fā)電機密封瓦進(jìn)油壓力不穩(wěn)定的主要表征為：當(dāng)密封瓦的進(jìn)油壓力出現(xiàn)高、低波動或氫油壓差較大幅度的高、低波動時，發(fā)電機進(jìn)油量出現(xiàn)較大波動，回油量突增時導(dǎo)致的發(fā)電機進(jìn)油問題。

密封瓦進(jìn)油的穩(wěn)定性取決于密封油泵和氫油壓差調(diào)節(jié)閥的可靠性。由于密封油泵的性能相對穩(wěn)定且存在備用泵，其動力源相對穩(wěn)定。密封瓦進(jìn)油的穩(wěn)定性主要取決于氫油壓差調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能和抗干擾能力。

2.2 密封油回油系統(tǒng)

回油系統(tǒng)的不順暢主要分為結(jié)構(gòu)設(shè)計問題引起的回油不順暢及出現(xiàn)干擾或異常時的回油不順暢。

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計問題引起回油不暢

密封瓦座設(shè)計問題。QFSN-600型氫冷發(fā)電機密封瓦座底部的回油孔采用多個直孔回油并匯流至回油母管，該種回油孔結(jié)構(gòu)在密封瓦回油量增加時，回油孔部位容易出現(xiàn)“氣堵”現(xiàn)象。即由于密封油回油量突增時出現(xiàn)所有回油孔被封閉后，在回油孔邊緣部位形成明顯的氣—液—固分界線，回油孔上部的油無法通過回油孔向下流動，而導(dǎo)致密封瓦座內(nèi)回油量富集，腔室內(nèi)的液位面升高直至出現(xiàn)發(fā)電機進(jìn)油問題。

密封瓦結(jié)構(gòu)問題。單流環(huán)4瓦塊結(jié)構(gòu)的密封瓦在發(fā)電機轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)不穩(wěn)定跳動時，由于密封瓦塊與轉(zhuǎn)軸間油膜壓力的存在，轉(zhuǎn)軸跳動方向的密封瓦環(huán)會隨著發(fā)生位移。此時轉(zhuǎn)軸反方向的密封瓦塊由于受到緊固彈簧的作用會跟隨轉(zhuǎn)軸跳動方向移動。密封瓦塊的側(cè)面在彈簧壓緊作用下緊貼在密封瓦殼上，與密封瓦殼之間有較大的摩擦力，該密封瓦環(huán)的位移會發(fā)生滯后作用或出現(xiàn)瞬時的卡澀；此時該半周密封瓦塊與轉(zhuǎn)軸就會存在突然增加的半徑間隙，該部位的密封油泄漏量急劇增加，見圖4。當(dāng)密封瓦塊恢復(fù)至正常位置時，密封瓦的泄漏量才能恢復(fù)正常狀態(tài)［1］。

圖4 轉(zhuǎn)軸跳動時密封瓦環(huán)的單邊間隙分布

汽端和勵端回油系統(tǒng)混合問題。QFSN-600型發(fā)電機汽端和勵端回油擴大槽共用1個浮子油箱；回油擴大槽分為汽端和勵端兩部分且在底部的聯(lián)絡(luò)管道上設(shè)置U型管（見圖3），主要是為了避免回油擴大槽因兩端氫氣連通而出現(xiàn)的油霧向較低壓力一端移動。由于兩者共用1個浮子油箱，在回油擴大槽出現(xiàn)某側(cè)液面的氣體壓力較高時，會迫使另一側(cè)液位面上升，當(dāng)液位面淹沒回油母管管口時，會出現(xiàn)該端密封油氫側(cè)回油不暢的問題，發(fā)電機出現(xiàn)持續(xù)性少量進(jìn)油。

密封瓦座回油腔室容積較小。發(fā)電機設(shè)計時為減少轉(zhuǎn)子的長度，往往將密封瓦回油腔室的軸向距離設(shè)計的比較小，整個回油腔室的容積設(shè)計也相對較小。密封瓦工作時產(chǎn)生的油煙和油霧會彌漫在狹小的空間內(nèi)，不能快速地凝結(jié)和凝聚，腔室內(nèi)的濃度會升高；部分油煙和油霧會通過密封瓦的內(nèi)擋油環(huán)向發(fā)電機定子內(nèi)部擴散，并通過發(fā)電機轉(zhuǎn)子端部風(fēng)扇的“空吸”作用進(jìn)入發(fā)電機內(nèi)部凝結(jié)，產(chǎn)生的油污集聚在發(fā)電機通風(fēng)風(fēng)道的表面。

2.2.2 出現(xiàn)干擾或異常時的回油不暢

密封油系統(tǒng)出現(xiàn)的干擾或異常主要發(fā)生在供油壓力不穩(wěn)定、浮子油箱浮球閥卡澀、發(fā)電機兩端氣壓差較大等問題。

供油壓力不穩(wěn)定。密封油供油系統(tǒng)出現(xiàn)供油壓力不穩(wěn)定主要是由氫油壓差調(diào)節(jié)閥工作異常引起。氫油壓差調(diào)節(jié)閥主要的異?，F(xiàn)象有閥門后壓力波動頻繁、閥后壓力無法控制等，發(fā)生該類問題的主要原因是調(diào)節(jié)閥受干擾時頻繁動作或調(diào)節(jié)閥卡澀、調(diào)節(jié)性能較差等。

浮子油箱浮球閥卡澀或浮球破損。柱塞結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥在工作時，由于動靜之間的接觸面積較大，很容易出現(xiàn)動靜碰磨、卡澀或異物進(jìn)入動靜間隙內(nèi)出現(xiàn)卡澀；而空心浮球破損后密封油會進(jìn)入空心球內(nèi)導(dǎo)致浮球不能正常浮動。

浮球閥卡澀時出現(xiàn)以下兩種情況：浮子油箱至空氣抽出槽流量小于浮子油箱進(jìn)油量，浮子油箱內(nèi)液位快速上升→回油擴大槽內(nèi)液位上升→密封瓦回油腔室內(nèi)液位升高→發(fā)電機進(jìn)油；浮子油箱至空氣抽出槽流量大于浮子油箱進(jìn)油量，浮子油箱內(nèi)液位快速降低→浮子油箱內(nèi)氫氣泄漏至空氣抽出槽→發(fā)電機漏氫。由于浮子油箱內(nèi)浮球閥通徑較大（一般為50 mm），出現(xiàn)發(fā)電機漏氫時膛內(nèi)壓力會快速降低。

浮球閥浮球破損時，密封油進(jìn)入浮球內(nèi)，浮球懸浮高度降低→閥門開度減小→浮子油箱內(nèi)回油量小于進(jìn)油量→浮子油箱內(nèi)油位持續(xù)升高→浮子油箱滿油→發(fā)電機進(jìn)油。

3 密封油系統(tǒng)的優(yōu)化措施

3.1 供油系統(tǒng)優(yōu)化

3.1.1 氫油壓差調(diào)節(jié)閥引壓管道加裝節(jié)流孔

氫油壓差調(diào)節(jié)閥為自力式調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機構(gòu)動力源分別取自調(diào)節(jié)閥出口母管（油側(cè)壓力）和回油擴大槽底部（氫側(cè)壓力），A與B兩個腔室充滿密封油。當(dāng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)動力源出現(xiàn)波動或取壓點壓力變化時，調(diào)節(jié)閥對應(yīng)腔室的容積會快速發(fā)生變化，容積的變化迫使彈性橡膠隔膜向壓力較低一側(cè)變形移動，帶動閥桿向壓力較低一側(cè)移動，調(diào)節(jié)閥的閥位發(fā)生變化。該種狀態(tài)的變化會持續(xù)至執(zhí)行機構(gòu)的取壓點兩側(cè)出現(xiàn)新的平衡狀態(tài)，見圖5［2］。

圖5 氫油壓差調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)

為減弱壓力跳動或干擾對調(diào)節(jié)閥閥位的影響，在調(diào)節(jié)閥引壓管道上加裝節(jié)流孔，能夠起到很好的油壓振蕩阻尼作用，引壓管道的壓力出現(xiàn)波動或瞬時跳動時，調(diào)節(jié)閥后的壓力能夠比較容易調(diào)整到一個平衡狀態(tài)，確保供油壓力的穩(wěn)定［2］。

3.1.2 選擇整圈固定的密封瓦環(huán)

為避免單流環(huán)4瓦塊密封瓦工作時出現(xiàn)的徑向間隙不穩(wěn)定問題，可選擇整圈固定的密封瓦環(huán)，該類型密封瓦環(huán)在結(jié)合面緊固后屬于整圈一體化結(jié)構(gòu)。在密封瓦自身結(jié)構(gòu)參數(shù)如氫油壓差、密封瓦長度、內(nèi)徑、運行偏心率等確定后，其實際泄漏量與密封瓦半徑間隙成正比關(guān)系［3］。

式中：d為轉(zhuǎn)軸直徑，m；l為單個密封瓦的長度，m；δp為氫油壓差，Pa；h為密封瓦與轉(zhuǎn)軸的半徑間隙，m；ε為相對偏心率；η為油的動力粘度，Pa·s。

當(dāng)轉(zhuǎn)軸跳動出現(xiàn)跳動時，4瓦塊結(jié)構(gòu)的密封瓦局部半徑間隙h增大或卡澀后不能回位出現(xiàn)的h增大，密封瓦泄漏量Q會急劇增加。而采用整圈固定結(jié)構(gòu)的密封瓦環(huán)，在轉(zhuǎn)軸跳動時，密封瓦的半徑間隙在任何工況下均不發(fā)生變化，其回油量就能維持穩(wěn)定［4］。

3.2 回油系統(tǒng)的優(yōu)化

3.2.1 密封瓦回油腔室優(yōu)化

增加密封瓦氫側(cè)回油腔室有效容積。在密封瓦出現(xiàn)回油量瞬時增加時，較大的回油腔室可以容納較多的回油量，減少腔室內(nèi)液位面升高而出現(xiàn)發(fā)電機進(jìn)油的概率。

增大密封瓦回油腔室底部回油孔或?qū)⒒赜涂滋幚沓刹灰壮霈F(xiàn)“氣堵”現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)形式，如帶有坡口結(jié)構(gòu)且圓弧過渡避免有棱角存在，以增加回油孔延伸面積及使回油孔上方不能形成穩(wěn)定的氣—液—固分界線，見圖6?；赜颓皇业撞炕赜涂椎目偯娣e應(yīng)不小于回油母管截面積，且整個回流階段不出現(xiàn)有局部節(jié)流的現(xiàn)象［1］。

圖6 回油腔體回油口處理結(jié)構(gòu)

回油擴大槽內(nèi)回油管口設(shè)置為高低不規(guī)則形狀。在氫側(cè)回油量突增時，會導(dǎo)致回油擴大槽內(nèi)的液位快速上升，甚至出現(xiàn)快速淹沒回油管口的情況，見圖3中高位回油管口。由于回油擴大槽與浮子油箱內(nèi)氣壓相同，在液體表面張力的作用下，高位回油管管口位置會出現(xiàn)“氣堵”現(xiàn)象，使回油擴大槽內(nèi)密封油不能順利向浮子油箱內(nèi)流動，甚至其液位持續(xù)出現(xiàn)上升而淹沒回油母管管口，使整個回油系統(tǒng)出現(xiàn)擁堵［5］。

為避免回油擴大槽內(nèi)高位回油管管口出現(xiàn)的“氣堵”問題，將高位回油管管口設(shè)置成高低不規(guī)則形狀，見圖7。在回油擴大槽內(nèi)液位升高時，使密封油分段從高位回油管管口向下流動，避免突然封閉回油管口而發(fā)生“氣堵”的情況［1］。

圖7 回油擴大槽高位回油管管口結(jié)構(gòu)

發(fā)電機汽端和勵端回油擴大槽各設(shè)置1個浮子油箱（雙浮子油箱），即汽端和勵端形成獨立的回油系統(tǒng)。

由于汽端和勵端回油共用1個回油浮子油箱，且兩端回油擴大槽底部U型管道相連。當(dāng)汽端和勵端氣壓出現(xiàn)不均衡時，氣壓較低的回油擴大槽內(nèi)液位會升高；當(dāng)其差值產(chǎn)生的油柱高度大于高位回油管口與回油母管之間的高度差時，氣壓較低的回油擴大槽內(nèi)液位會淹沒回油母管管口，使該端回油出現(xiàn)不順暢，甚至出現(xiàn)持續(xù)性的發(fā)電機進(jìn)油［6］。

為避免發(fā)電機汽端和勵端氣壓偏差對回油系統(tǒng)的影響，將汽端和勵端回油擴大槽各對應(yīng)1個浮子油箱，隔離回油擴大槽底部聯(lián)絡(luò)管道，汽端和勵端的回油不會出現(xiàn)相互影響。

浮子油箱內(nèi)浮球閥設(shè)置為旋擺結(jié)構(gòu)實心填充浮球閥。為提高浮球閥的可靠性，選型時需要注意以下兩種情況：選擇動靜配合部位面積較小或轉(zhuǎn)軸帶有滾動軸承的型式，如旋擺結(jié)構(gòu)浮球閥、旋轉(zhuǎn)球閥結(jié)構(gòu)浮球閥等；浮球閥的浮球選擇球體內(nèi)部填充泡沫的實心浮球，在浮球出現(xiàn)破損時能夠保證其足夠的浮力。

4 結(jié)語

QFSN-600型發(fā)電機密封油系統(tǒng)容易出現(xiàn)發(fā)電機進(jìn)油和發(fā)電機漏氫問題，通過采取氫油壓差調(diào)節(jié)閥引壓管道上加裝節(jié)流孔、發(fā)電機 密封瓦采用固定環(huán)結(jié)構(gòu)、增加密封瓦回油腔體有效容積、回油系統(tǒng)各管口設(shè)置成不規(guī)則形狀避免出現(xiàn)“氣堵”、設(shè)置汽端和勵端獨立回油系統(tǒng)，以及浮子油箱浮球閥選用旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)、泡沫填充實心浮球形式等優(yōu)化措施，可以有效提高發(fā)電機密封油系統(tǒng)工作可靠性。