摘要：随着汽轮发电技术的不断发展，发电机的密封油也由最初的单流密封油形式不断衍生出了双流、三流等多种技术。本文以中电投600MW机组单流密封油系统、三门AP1000机组双流密封油系统、平圩600MW机组三流密封油系统为基础介绍了三种密封油系统的结构特点及系统的优点与不足，并从运行安全与可靠性的角度得出三流密封油是密封油发展趋势的结论，为大型汽轮发电机组发电机密封油系统的选型与运行提供参考。
关键词：氢气密封油；单流；双流；三流；密封环
Abstract：As the development of turbine technology, Hydrogen Seal Oil System come to double flow model and third flow model from the initial single flow .This article introduce the structure trait and the excellences with their defections based on single flow Hydrogen Seal Oil System of Zhong Dian Tou 600MW power station unit ，double flow of SanMen AP1000 Nuclear Power Station and third flow of PingYu 600MW power station unit. It makes the conclusion that third flow will becomes the trend of Hydrogen Seal Oil System from the safety operation of the plant. And then it gave a reference to a plant for selecting the type of Hydrogen Seal Oil System.
Key words：Hydrogen Seal Oil System; single flow; double flow; third flow; seal insert
大型汽轮发电机组的发电机通常采用水-氢-氢的冷却方式，即发电机的定子线圈采用去离子水循环冷却，定子线圈和转子线圈采用氢气冷却。[1]正常运行的情况下，发电机内充满氢气。发电机转动的大轴部分与静止的基座和定子部分需要密封，当前发电机的氢气密封皆采用润滑油作为密封油的形式进行密封。发电机氢气密封油的系统功能如下：
1) 在发电机轴两端密封氢气：为了防止氢气从发电机轴端泄漏，向安装于发电机轴两端的轴封供应加压密封油；
2) 维持发电机机座内的氢气高纯度：通过密封油的作用防止空气或水分进入发电机机座内，从而保持发电机线圈干燥，维持氢气的高纯度；
3) 维持油氢压差在一定值。
发电机氢气密封油作为汽轮发电机的重要组成部分，其类型最终由密封环的形式决定，本文主要即以三种不同形式的密封环为主要介绍对象。
1、单流密封油系统
如图1为单流密封环的结构图，密封环的供油回路只有一路从其上部供应，在转动的大轴与静止的密封环之间形成油膜达到密封的效果密封。回油分为两路：氢侧回油和空侧回油。由其结构图可以看出，只需要保证密封油压高于发电机内氢气压力一定值，就可将氢气密封在发电机内部而不发生泄漏。同时外界的空气由于密封油压的存在也无法进入发电机内部。 以中电投600MW机组单流密封油系统例，单流环密封油系统主要由真空油箱、密封油泵组、压差阀、氢侧回油浮子油箱、油气分离箱、油烟风机、真空泵、油过滤器、压差开关、压力开关和压差变送器等部件组成。[2]其流程如图2所示。
正常运行时，密封油通过主差压阀跟踪调节氢压，以保证其始终大于氢压。图1为密封油系统运行原理示意图。正常运行方式下，润滑油系统的润滑油经液位调节阀进入密封油真空箱，经主密封油泵升压、滤网过滤后，由氢油差压阀调节至合适的压力进入发电机密封瓦，其中空气侧的回油与轴承润滑油排油汇合，氢气侧的回油进入浮子油箱后再压入油气分离箱，后通过U形管靠重力作用自动溢流到润滑油回油管路，保持油箱中油位正常。
紧急密封油回路，即在交流密封油泵和直流油泵都失去作用的情况下，润滑油系统直接作为密封油源密封发电机内的氢气。此时发电机内的氢气压力必须降到很低的水平。这种运行只能是暂时的，且要求密封油系统维修后再投入运行。
2、双流密封油系统
图3为双流密封环的结构图。密封油分空侧和氢侧分别供应到密封环，在发电机轴端形成两道密封，密封效果相对单流有所提高。保证氢侧密封油压>空侧密封油压>氢气压力，就能保证氢气不外泄。而且氢侧与空侧只是介质油的交换，氢气的渗透量大大降低。[3]
以三门AP1000机组双流密封油系统为例，系统分为空侧密封油子系统和氢侧密封油子系统，主要包括：空侧密封油泵、氢侧密封油泵、过滤器、冷却器、真空箱、供油泵、空侧回油箱、氢侧回油箱、真空泵、差压过滤器、密封环等。其流程图如图4。
系统相较单流密封环相对复杂，可以细分为空侧密封油系统和氢侧密封油系统。密封环有两个环形槽，允许两个系统单独的循环运行。正常运行时空侧密封油泵从空侧密封油箱取油经过压力控制阀调节供油压力后经过滤器、冷却器后供油到密封环的空气侧，回油同轴承润滑油混合后排油至空侧回油箱，多余的油流回至润滑油系统。而氢侧密封油从氢侧密封油箱取油经氢侧油泵升压再经冷却过滤后进入密封环前有两个压力调节阀来调节进入密封环的压力与空侧密封油基本一致并略高于空侧油2-5KPa。氢侧密封油的补油由空侧密封油经真空处理后经供油泵补充。
此外双流密封油系统设置了轴封浮动油泵在密封环的外侧供油抵消氢气的外推力并提供润滑，减小了密封环与轴瓦的摩擦。
密封油设置有三路备用油源：汽轮机润滑油系统的控制油泵、主油泵和低压润滑油。供交流密封油泵失电或故障时使用。
图4、双流密封油系统
3、三流密封油系统
三流密封油是在单流密封油系统和双流密封油密封油的基础上发展起来的新型密封油系统。三流密封油系统是在双流密封油的基础上引入第三股经过真空单元处理的压力油，彻底将空侧与氢侧隔绝，避免了两侧油的交换。减少了用氢量，提高了机组安全。以平圩600MW机组三流密封油系统为例，如图5系统包括空侧氢侧回路外增加了真空回路，相应的密封环结构也增加了真空油路。
图5、三流氢气密封油系统
空侧与氢侧油路与双流密封油系统类似，正常运行时空侧密封油泵从空侧密封油箱取油经过压力控制阀调节供油压力后经过滤器、冷却器后供油到密封环的空气侧，回油同轴承润滑油混合后排油至空侧回油箱，多余的油流回至润滑油系统。[4]而氢侧密封油从氢侧密封油箱取油经氢侧油泵升压经过过滤冷却后进入密封环氢侧。真空侧密封油回路从行测油管路取出的已经除气的空侧油，流入具有液位控制功能的真空油箱，在真空箱内通过真空泵再一次除气，真空油通过真空泵加压后进入到发电机两端密封瓦的空侧和氢侧间的油槽内。通过调节三路油压的大小分别为：氢侧油压>真空油压力>空侧油压力，经过密封环的减压作用使真空油压力与氢侧油压力基本一致，这样可以保证氢侧油不往外流，基本保证氢侧油系统的内循环，而真空油向外流入空侧油，保证了氢气的密封，最大限度的减少了氢侧油和空侧油的交换。密封环处空气侧、氢气侧进油回路如图6所示。
4、三种密封油系统优劣对比
三种密封油系统各有优劣：单流密封油胜在系统简单，造价低廉，运行方便。是比较成熟的密封油技术对于密封环的要求不是很高。但系统简单带来的一个最大的缺点是一旦系统内任意设备发生故障其结果就是造成汽轮发电机停机，由于维修耽误发电所造成的经济损失是巨大的，以百万机组拖延工期一天计利润损失在几百万到千万之间;备用油源只有汽轮机润滑油，交流泵与直流泵发生故障后只能短时运行并降低发电机内氢气压力，保证机组安全停机。随着发电机功率的
增大，发电机内氢气压力升高，氢气与润滑油之间的交换量增大，密封油的效果会越来越差，要维持较高的氢气浓度需要增加氢气置换频率而且要求的补氢量很大。
双流密封油也是比较成熟的密封油技术，氢侧密封油单独循环运行有效的解决了氢压升高，补氢量增大的问题。氢气的密封主要靠空侧密封油来隔绝空气，氢侧密封油故障不影响系统行使其功能，可维持系统氢气浓度在正常值，但氢气置换和补氢频率会增加。系统与润滑油系统通过空侧回油箱的П型结构实现了系统隔离，受润滑油系统影响较小。真空单元的设置降低了氢侧补油的含气量，有效的提高了氢气浓度。轴封浮动油的设置减少了密封油环与大轴之间的摩擦。系统设置了三路备用油源，最大程度上降低了系统设备故障给机组带来的氢气泄露风险，保证了机组安全。缺点：系统采用了较多的压力平衡阀来调节压力，阀门直接从系统处取压，系统偶发的压力波动、取压管堵塞等会造成平衡阀动作增加了系统运行风险，平衡阀的精度要求高，操作复杂，也给运行带来了风险；空侧与氢侧密封油交换会使氢压减小或氢气浓度降低。
三流密封油的设计相对前两种更加完善，真空油回路的引入更好的解决了氢侧和空侧密封油交换导致氢气纯度下降的问题，油压的整定为定值减少了动态的不稳定性，在单回路设置上更简简单可靠，运行更加稳定，无论是氢侧油泵还是真空油泵停运或者两路同时停运都能保证机组正常运行。但三流密封环的精度要求高，组装难度大，生产成本较高，油路复杂，运行不善也容易造成发电机进油。另外调节阀的跟踪采用机械式，理论上存在调节迟缓的风险。
综上三种密封油系统各有自己的优势与缺点，随着机组功率的大幅提升双流密封油与三流密封油系统由于其优越性会逐渐成为主流的发电机轴端密封技术。掌握这两种新型密封油的结构对大型汽轮发电机组的安全运行有着十分重要的意义。
参考文献:
[1]何东辉 ，赵奕州 单流环密封油系统调试技术要点及异常分析 ，东北电力技术，2013年第5期,49-52
[2] 曹兰敏，赵超，曹银觥 600 MW机组单流环密封油系统的安全运行分析 电力安全技术，2012年第12期，14卷，10-14
[3] 朱 勇 ，丁 方 QFSN一300—2型发电机双流环密封油系统存在的问题和改进措施,上海大中型电机，2012第三卷，16，43
[4] 徐永金，王健，苏猛业 大型发电机三流密封油系统的特点及其应用 安徽电力，第29卷第二期，2012年6月，29-32
论文作者:闵令玉
论文发表刊物:《电力设备》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/30
标签：氢气论文; 系统论文; 双流论文; 发电机论文; 油泵论文; 油箱论文; 机组论文; 《电力设备》2018年第1期论文;