双流环密封油系统运行及常见故障分析

双流环密封油系统运行及常见故障分析

王子为

江苏核电有限公司    江苏连云港      222000

摘要：田湾3、4号机组发电机密封油系统采用日本三菱设计的双流环密封形式，整套设备由哈尔滨电机厂采用集装件形式安装。双流环密封油系统相对复杂，正常运行期间通过密封油泵及压差调节阀保证密封油压略高于氢气压力。因系统运行期间油氢压差控制范围较窄且控制手段相对单一，在汽轮发电机冲转、打闸停机，发电机充压、降压等非稳态运行工况时，密封油系统运行参数的控制一直以来都是较为棘手的问题。田湾3、4号机从调试至商运以来在不同的工况下发生过密封油油氢压差无法维持、密封油进入发电机等事件，不但影响发电机安全运行，也带来发电机氢气泄漏的重大火灾风险。本论文结合田湾3、4号机发电机密封油系统设计特点及运行经验，对双流环密封油系统各工况下的运行控制及典型故障进行分析，保证不同工况下密封油系统精确控制及发电机安全的安全运行。

关键字：双流环 油氢压差

Analysis of the operation and common failures of the double-flow ring sealing oil system

Wang Ziwei

（Jiangsu Nuclear Power Corporation SPO Lianyungang Jiangsu）

Abstract: The generator sealing oil system of Tianwan Units 3 and 4 adopts the double-flow ring sealing form designed by Japan's Mitsubishi. The whole set of equipment is installed by the Harbin Electric Plant in the form of assembly parts. The dual flow ring sealing oil system is relatively complicated. During normal operation, the sealing oil pump and the differential pressure regulating valve ensure that the sealing oil pressure is slightly higher than the hydrogen pressure. Due to the narrow control range of the oil-hydrogen pressure difference during system operation and the relatively single control method, the sealed oil system operates under unsteady operating conditions such as turbo-generator rushing, shutting down， and generator charging and depressurization. The control of parameters has always been a more difficult problem. Since Tianwan No. 3 and No. 4 units have been commissioned to commercial operation, there have been incidents such as the failure to maintain the hydrogen pressure difference of the sealing oil and the sealing oil entering the generator under different working conditions, which not only affected the safe operation of the generator, but also brought the generator Significant fire risk from hydrogen leakage. Based on the design characteristics and operating experience of the generator sealing oil system of Tianwan No. 3 and No. 4 generators, this paper analyzes the operation control and typical failures of the dual flow ring sealing oil system under various working conditions to ensure accurate control of the sealing oil system under different working conditions. And the safe and safe operation of the generator.

Keywords: double flow ring, oil-hydrogen pressure difference

1.研究背景及意义

田湾3、4号机组发电机密封油系统采用双流环密封形式。双流环密封油系统设计相对复杂，其系统油压主要通过机械形式压差调节阀进行调节，同时由于介质油粘度较高且随温度变化较大，导致系统调节性能相对滞后，较难控制。因此在发电机氢气降压、汽轮机冲转及全厂失电等过渡工况及事故工况时，双流环密封油系统参数变化很大，其控制方法一直以来都是各电厂重点研究的课题。

本文结合双流环密封油系统的设计及运行特点，依托田湾3、4号机组调试及商运以来的几次密封油系统相关事件，对密封油系统的状态控制进行分析，得出不同工况下相应的控制措施，保证发电机密封油系统的安全稳定运行。

2.双流环密封油系统简介

双流环密封油系统分为空侧密封油子系统、氢侧密封油子系统及真空处理单元。在发电机壳体两端各配备一个具有双环形槽的密封瓦，形成两个单独的循环，空侧密封油进入密封瓦外槽与空气接触，氢侧密封油进入密封瓦内槽与发电机内的氢气接触，保证发电机内氢气密封。正常运行期间氢侧密封油压力略高于空侧密封油压力，保证氢侧密封油向空侧密封油单向交换，维持发电机内氢气纯度。真空处理单元作为空侧回路与氢侧回路中间回路，用于去除密封油中的空气及水分，保证氢侧密封油油质。

发电机密封瓦

空侧密封油系统配备一台交流密封油泵和一台直流密封油泵。两台泵并联布置，有共同的吸油端和出油端。空侧密封油泵将空侧密封油箱中的密封油经空侧密封油冷却器冷却至42～44℃后供到发电机轴封密封环外槽，同时供应密封油到轴封浮动油泵和真空箱。压差调节阀与空侧密封油泵以及直流密封油泵并联，通过将多余密封油回流到油泵入口来控制空侧密封油压力。压差调节阀通过机械弹簧整定，维持空侧密封油压力高于发电机氢压85±10kPa。

备用压差调节阀与汽轮机润滑油系统相连，用于空侧密封油泵故障时维持油氢压差。空侧密封油系统备用油源由三路来自润滑油系统油路组成，分别为来自润滑油盘车油泵、事故油泵出口，控制油泵出口，以及润滑油高压油集管的三路油源。正常运行期间，润滑油高压集管由主油泵供油，压力约2MPa，经过减压阀减压至1.25MPa后供向备用压差调节阀，保证备用压差调节阀有效工作区间。

正常运行工况下，事故直流密封油泵与空侧密封油备用油源均处于备用状态。当空侧密封油泵故障，密封油油氢压差降到60kPa时，密封油系统备用压差调节阀将自动打开并维持油氢压差在60±10kPa。如备用压差调节阀仍无法维持，当油氢压差继续下降到35kPa时，触发密封油压力低报警，事故直流密封油泵自动启动将油氢压差恢复到85±10kPa。

氢侧密封油泵从氢侧密封油箱取油，将真空处理后的密封油经压力平衡阀供至密封瓦，保证密封瓦氢侧压力高于空侧压力2～5kPa。氢侧密封油泵出口油压通过手动旁路阀进行调节，保证压力平衡阀在有效工作区间。氢侧密封油供至发电机密封瓦外槽，经密封瓦与轴之间的间隙流向发电机内部，并通过油封齿逐级降压并回油到密封瓦下部的消泡箱，经消泡箱回油管线自流返回氢侧密封油箱。消泡箱在结构上与发电机内部联通，在汽轮发电机工况变化的过程中，若消泡箱液位升高，可能导致密封油进入发电机。

3.发电机密封油系统常见故障分析

发电机密封油系统运行期间通过主压差调节阀及压力平衡阀以机械原理进行调节，但因其引压管线较长，其内介质为透平油，压力传导较慢且粘度随温度变化明显，造成调节过程中油氢压差经常出现大幅波动。当发电机内氢压变化、汽轮发电机冲转工况下，密封油系统的控制也较为困难。控制过程中因氢侧油箱补油不及时导致氢侧油泵跳停或因消泡箱回油不及导致密封油进入发电机等事件屡见不鲜。无论油氢压差大幅波动或密封油进入发电机都将严重威胁发电机的运行。下文，将结合田湾3、4号机组调试及运行过程中的经验对密封油系统不同的故障工况进行分析，并结合实际情况提出有效的控制措施。

3.1 发电机氢气降压过程中密封油进入发电机

发电机停运后进行发电机降压，尤其是在降压后期发电机内氢压较低时，因降压速度过快，出现消泡箱液位高报警，密封油进入发电机。

结合田湾3、4号机组发电机降压过程中密封油系统相关参数变化、压差调节阀调节特性及系统管线布置分析，造成该工况下密封油经消泡箱进入发电机主要有以下两个原因：

1、在发电机降压过程中，随着降压速率的提高，可以发现密封油系统平衡表逐渐偏向空侧，氢侧密封油箱油位逐渐升高，补油量逐渐减小至零，最后出现消泡箱液位高报警，发电机进油。根据以上几种现象判断发电机降压时，氢侧与空侧油压差逐渐降低，甚至出现空侧油压高于氢侧油压。其主要原因为氢侧密封油腔室背压为发电机内氢气压力，氢侧密封油压力随氢压同步下降，若氢气降压速度过快，空侧密封油压力因压差调节阀引压管线较长及油粘度较大等原因跟踪性能较差下降较慢，导致在密封瓦中空侧腔室压力高于氢侧腔室压力，部分空侧密封油经密封瓦回至消泡箱内，使消泡箱接收的回油量增加；

2、消泡箱顶部在结构上与发电机联通，其背压随氢压降低而降低，消泡箱回油方式为自流，其背压、回油管线尺寸及布置对消泡箱回油能力有较高影响。田湾3、4号机消泡箱回油管线管径仅为80毫米，管线坡度不足且距离较长，励侧回油管线还设有U型管，排油能力较差，导致氢侧密封油回油量有所增大且背压降低时，密封油无法及时的流入氢侧密封油箱，进而使消泡箱液位升高，密封油经消泡箱进入发电机。

3.1.3控制措施

针对上述故障分析，可以采用以下几种方式进行控制与改进：

1、严格控制发电机降压速率，调节降压速率时随时关注就地平衡表不能偏向空侧，通过关小氢侧密封油泵在循环阀提升氢侧油压或通过主压差调节阀降低空侧油压进行微调，保证氢侧密封油压高于空侧密封油压，一般情况下只要氢侧油压高于空侧油压，便不会出现发电机进油的情况。一般情况出现消泡箱液位高报警到密封油进入发电机时间在20分钟左右，运行人员有时间进行干预，但该种调节方式需要运行人员有较强的操作技能；

2、经调研同行电站，目前采取停运氢侧油泵后进行发电机降压。此种运行工况下，在密封瓦处空侧密封油不但进入空侧密封油腔室，也经过密封瓦与轴的间隙进入氢侧腔室，通过消泡箱回油至氢侧密封油回路，但因氢侧回路总流量降低，即使发电机氢压降低，消泡箱背压降低，也不会导致消泡箱液位升高导致密封油进入发电机情况。田湾3、4号机大、小修期间已经证明密封油系统可以在空侧密封油泵与主压差调节阀的共同作用下维持稳定。同时也能验证，单侧运行确实能大大提高发电机降压速率。

发电机降压速度对比

3.2 汽轮机冲转过程中油氢压差变化及干预方法

冲转是汽轮发电机组相对复杂的运行工况。在此工况下，密封油系统各项参数随着汽轮机的冲转也将产生较大变化。田湾3、4号机组从调试至商运以来，冲转过程中发生过数次因密封油系统参数大幅波动，导致出现消泡箱液位高报警，密封油进入发电机。

田湾3号机组冲转过程出现消泡箱液位高报警，结合相关参数分析密封油进入发电机原因如下：

1、压差调节阀和压力平衡阀调节存在滞后性以及偏差，在调节过程中若出现空侧密封油压高于氢侧密封油压，导致空侧密封油回油进入消泡箱，消泡箱回油量超过正常回油量；

2、冲转期间出现消泡箱液位高报警，密封油进入发电机的现象在田湾3号机组发生数次，但4号机组却未曾出现。对比当前3、4号机组管线布置，主要有两方面差别： 3号机氢侧回油管线排气管线接口在管线侧面，管线布置弯头较多，4号机接口设置在管线上方，管线为直管； 3号机氢侧回油管线坡度为50：1，4号机氢侧回油管线坡度为26：1。对比其他电厂，田湾3、4号机密封油氢侧回油管线直径较小，仅为80毫米，也将导致回油能力不足。从以上差别分析，3号机冲转过程中多次出现消泡箱液位高报警的另一方面原因为氢侧回油管线坡度及尺寸不足，且排气管线排气不充分，导致氢侧回油不畅，消泡箱液位升高，密封油进入发电机。

控制措施

1、冲转前提升密封油系统运行参数接近系统运行的上限值。通过调节主压差调节阀，提升油氢压差至95kPa,通过关小氢侧密封油泵旁路阀提升氢侧油泵出口油压至1.4MPa，平衡表读数接近5kPa；

2、在汽轮机转速在600rpm，油温模式切换前，将润滑油冷却器冷却水调阀切手动缓慢调节，将油温缓慢由30℃过渡到40℃，给主压差调节阀足够的响应时间；

3、田湾3、4号机组消泡箱至氢侧油箱的回油管线在回油集管顶部设置一根排气管线。对比国内部分采用双流环密封油系统的电厂，在此排气管线的基础上多设计一条氢侧油箱至消泡箱的平衡管线。该管线将有助于氢侧回油的流动，尤其当消泡箱回油管线满油时，与回油集管联通的平衡管线将无法起到压力平衡的作用时，该管线能起到较大压力平衡作用，对消泡箱回油有较大好处。因此，田湾3、4号机可以对消泡箱至氢侧油箱回油管线进行改造：增加该平衡管线，同时适当增加回油管线尺寸，保证消泡箱有效回油。针对3号机组氢侧回油管线排气管线布置，可将接口移至管线上方，减少弯管布置，保证排气畅通。

新增平衡管线指示图

4.结论和建议

1、通过本文分析，无论何种工况，密封油系统出现消泡箱液位高报警甚至导致密封油进入发电机的主要原因均为因油的粘度随温度变化较大导致压差调节阀调节性能滞后及氢侧回油管线回油不畅导致；

2、在机组大修前进行发电机降压或者发电机应急排氢前，采用停运氢侧密封油泵，保持系统单侧运行方式。这样既可以有效增加发电机降压速率缩短大修工期，又能防止密封油进入发电机；

3、在汽轮机冲转过程中油温控制模式切换时可以采取调整油温变化速率，补偿压差调节阀调节的滞后性。冲转前，提升密封油油氢压差接近上限值95kPa，氢侧油压高于空侧油压接近上限值5kPa，对冲转过程中油氢压差大幅下降及出现消泡箱液位高报警导致密封油进入发电机都有较大缓解作用；

4、经对同行电厂调研，对比田湾3、4号机组系统设计及管线布置，可以采取以下系统优化：增加氢侧回油管线坡度、尺寸以及增加从氢侧油箱至消泡箱的平衡管线，可以从根本上解决因消泡箱液位高导致密封油进入发电机。

参考文献

[1]发电机密封油系统规程SOP-3-MKW00-001

[2]发电机系统规程SOP-3-MKA00-001

[3]发电机密封油系统系统设计文件（SDF文件）

-  1  -