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1、重新紧固一遍。39 FA施工工艺优化及改进建议1号燃机于2005年6月8日首次点火,15日并网发电,8月18日联合循环机组完成168 h考核投入商业运行,比计划提前3个月,为上海迎峰度夏作出了贡献。1号燃机安装调试后,及时进行了总结,并在2号燃机上作了多项工艺优化和新材料应用的考核。由于工艺的改进和程序的合理安排,使施工成本、质量和进度,比1号燃机更好。在对GE现场安装程序进行消化和改进后,对上述控制关键点和工艺优化方面,提出以下施工工艺优化及改进建议:(1)发电机端罩安装工艺优化;(2)天然气管道吹扫程序优化;(3)发电机氢密封试验;(4)IGV的校验措施优化;(5)滑销系统配置及机组膨胀控
2、制;(6)LCI/MARK VI接线工艺控制。参考文献:1 漕泾热电联供各专业施工图纸及清册,BLACK&VETCHINTERNATIONAL,2004.2 TECHNICAL MANUAL(9 FA),GENERAL ELEC2TRIC,2004.3 漕泾项目动力岛施工组织设计,上海电建,2004.4MS 9001 FA PACKAGED GAS TURBINE INSTALLA2TION GUIDE,GENERAL ELECTRIC,2004.收稿日期:2006201217作者简介:蒋海峰(19772),男,广西桂林人,工程师,电气副主任,从事燃机安装及调试工作,021267250811。
3、(责任编辑:杜建军)9F级燃机发电机氢气及密封油系统陈 昱(上海漕泾热电有限责任公司,上海 200031)摘 要:氢冷发电机的氢系统和氢密封系统对机组安全可靠运行具有重要作用。详细介绍了GE 9FA燃机300 MW氢冷发电机的氢气和密封油系统,以及氢气系统辅助设备;对氢气和二氧化碳的置换和若干运行操作问题进行了探讨。关键词:燃气轮机;氢冷发电机;密封油系统中图分类号:TK74;TM311 文献标识码:B1 引言上海漕泾热电有限责任公司现有2套单元制的9FA燃机(GE制造)的燃气-蒸汽联合循环多轴机组。300 MW燃机氢冷发电机尺寸为8.1 m5.3 m4.4 m,而100 MW汽机空冷发电机为
4、7.6 m3.6 m5.4 m,可见利用氢冷技术,发电机可以实现小尺寸大功率。发电机的内部冷却是靠内部气体的对流将热量带走,而氢气的热传导系数和对流系数都比空气高,因此能更有效地冷却发电机的转子和定子。而且氢气分子质量较小,在高速旋转时摩擦阻力较小,机械功损耗小,产生的热量也较少。同时氢冷发电机的密封系统既保持了发电机内气体压力的稳定,也提供了一个清洁干燥的隔绝环境,提高了发电机的运行寿命。当然,氢冷技术也并非毫无缺点,氢气是活泼的气体,当空气中的氢气含量达到4.1%74.2%时,可能造成爆炸。另外由于氢气分子质量小,更容易穿过微小的细缝,造成泄漏。为了充分利用氢冷技术的优点,同时解决诸多的不
5、利,需要配套安装一些辅助设备系统。现对GE公司300 MW氢冷发电机(9H2型)的氢气及密封油系统的相关设备进行介绍。2 氢气系统的密封2.1 发电机氢气系统密封的机械结构发电机氢气密封结构如图1所示,由图1可872大型燃气轮机发电技术上海电力2006年第3期图1 发电机氢气密封的机械结构以看出,机械密封采用的是双层密封环。密封环与轴之间的间隙只有0.0760.381 mm。密封油从两层密封环的中间进入,从两端流出。一端与发电机内的高压氢气接触,此处回油间隙较小,外加一个油挡也可减小油流量。而且密封油压与氢气压力的压差基本恒定(一般在38.549.0 kPa),因此保持了稳定的流场,也就保持了
6、密封的稳定性。另一端与外界空气接触,回油间隙较大,因此大量的密封油从空气侧回油。同时由于大气压力基本恒定,而密封油压随发电机内氢气压力进行调节,因此发电机内气体压力越高,空气侧回油的压差越大,也就意味着空气侧的回油量增大,导致密封油整体流量增大。2.2 发电机氢气密封油供应与回油燃机发电机密封油与润滑油为同种油,因此共用一个油箱。燃机有2台交流润滑油泵、1台直流润滑油泵、1台交流密封油泵和1台直流密封油泵。因为润滑油泵出口压力高于密封油系统的需求压力(49490 kPa),因此一般正常运行时只要一台交流润滑油泵就能保证润滑油和密封油的供应。从润滑油母管上引出一路通过调压阀就能供应密封油系统。当
7、润滑油系统有低油压信号时,将会启动备用状态的交流润滑油泵,如果低油压信号继续存在则启动直流润滑油泵。润滑油的低油压信号仍比密封油的需求压力高,因此一般低油压信号只会启动备用的润滑油泵。但如果油压持续降低到密封油压力低信号产生时,交流密封油泵将启动。若仍无法满足密封油压需求则会启动直流密封油泵。在多台交直流油泵逻辑上多层次保护下,燃机发电机的密封油供应将得到最大限度的保证。与密封油的供应来自于润滑油一样,密封油的回油也与润滑油的回油有关。空气侧的密封油直接回油到润滑油的回油消泡箱,而氢气侧的密封油回油要通过一个特殊的密封油浮球回油阀(float trap)再回到润滑油的回油消泡箱,如图2所示。图
8、2 发电机氢气密封油供应和回油过程示意图2.3 发电机密封油辅助设备(1)密封油调压阀模块氢冷发电机在正常运行时,内部的氢气温度和压力随发电机负荷而变化,且由于氢气必须保持一定的代谢率而非100%的密封循环,所以发电机内的气体压力只是相对稳定。在进行发电机内部气体置换时,内部气体的性质和压力会有较大幅度的变化。因此,要将压力动态变化的氢气安全稳定地密封在发电机内,就必须使密封油压力随氢气压力的变化而变化,保持恒定的压差。GE燃机发电机的密封油压力是由隔膜式调压模块来完成,通过纯机械式的无差调节来达到目的。密封油压通过发电机的密封油回油压力以及密封油调压阀后压力送到调压隔膜阀来综合调节。密封油的
9、回油压力与发电机内的气体压力相同,而调压阀后压力就是密封环的进油压力,两者通过调压阀调节而保持一个稳定的压差,也就意味着在发电机密封环处也保持稳定的压差。此压差的设定值通过调节隔膜调压阀弹簧的紧固螺栓来修正。多次气体置换以及长时间的运行经验表明,调压阀的调压性能迅速而准确。(2)密封油浮球回油阀9722006年第3期上海电力大型燃气轮机发电技术如前文所述,密封油的回油有两个出路,空气侧的密封油直接回油至燃机润滑油的回油管,而氢气侧的密封油回油将通过一个浮球回油阀。当发电机内气体压力上升时,密封油无差调压阀会立刻提高供油压力和流量。由于浮球回油阀内部的压力等同于发电机内气体压力,而经过浮球回油阀
10、后的回油管压力为大气压,所以发电机内气压的升高就表示回油压差变大,在相同的回油门开度下回油流量变大。而且在回油能力不足的情况下,浮球阀油位上升使回油门开大,也加大回油量。在一般情况下,浮球回油阀的油位正常,表示密封油系统的供回油系统正常;异常油位升高,则表示发电机内气体压力偏低,这一般发生在发电机内压力低于14 kPa时,此时回油压差不足以克服沿程损失和高度落差;造成油位偏低的原因往往不是因为发电机内气体压力过高,而是浮球回油阀的内部机械问题,需要解体检查。(3)消泡箱(Enlargement)整个系统上共有两个消泡箱,一个在集电端,另一个在透平端。当密封油经过发电机密封环后,在回油管上将经过
11、消泡箱。其实消泡箱就是一个扩容器,通过增大表面积来促使氢气泡离开密封油,如图3所示。图3 消泡箱结构示意图(4)氢气代谢虽然发电机内的氢气依靠密封油系统与大气隔绝,但是长期运行纯度仍将持续降低。为保持发电机内氢气纯度,就需要保持一定的氢气代谢率,通过将部分低纯度氢气放空,再补充新的高纯度氢气来维持发电机内氢气的高纯度。整个氢气系统中纯度最低的地方就在两个氢气侧密封油回油的消泡箱,因此两个消泡箱都装有代谢放气管。正常运行时,如果纯度降低,会自动打开电磁阀将消泡箱内低纯度的氢气放空,当然运行人员也能打开手动旁路来手动进行放空。(5)液位监测器GE的氢气发电机有两个用浮球连杆触发信号的液位监测器,一
12、个监测发电机集电器端回油消泡箱内的液位,若密封油压过高,则消泡箱内液位上升,超过液位监测器的取样口时会通过管道流入处于低处的液位监测器。当液位监测器内液位上升至一定高度时则触发变送器,此时M K VI将发出报警信号。另一个液位监测器监测发电机内的油位,开口在发电机密封环氢气侧的底部,如果密封油压过高,有密封油漏入发电机内,则会通过管道流入液位监测器,当液位监测器的液位上升至一定值时,触发变送器,发送液位高报警或者液位高高报警。第一个液位监测器之所以只装在集电端的消泡箱,是因为两个消泡箱通过回油管连通,是等液位的,如图4所示。图4 液位监测器结构示意图3 氢气系统的辅助设备(1)氢气干燥机由于氢
13、气的换热能力高于空气,因此氢冷发电机普遍比同出力的空冷发电机小,同时也就意味着各部件间的间隙也小,需要更高的绝缘能力。为了确保高的绝缘能力,需要氢气干燥器来保证低含水量。GE的配套氢气干燥器是双桶结构,轮流工作。桶内的吸收床物质是氧化铝,多孔、高吸附力、无毒、稳定。一个干燥桶在线工作8 h后,将切换到另一个干燥桶,原桶进入8 h的再生阶段。此时,吸满水的干燥桶内的内嵌式加热器和风机开始工作,通过加热将吸附在吸收床上的水分让082大型燃气轮机发电技术上海电力2006年第3期循环流过的气体带走。从吸收床带走水分的加热气体经过换热器冷却,将水分凝结,通过疏水器排出,同时干燥冷风将再进入吸收床。8 h
14、的再生阶段分为4 h的加热和4 h的冷却。整个氢气干燥器由就地控制箱内的PLC自动控制。(2)氢气纯度分析仪9F机组在就地的氢气控制盘内有2个在线气体纯度仪,虽然纯度仪只有2个,但是通过就地控制盘内手动阀和电磁阀的不同组合以及M KVI的不同命令,可以实现多种功能,例如测量发电机顶部或者底部的气体纯度,也能切换测量发电机本体以及集电端和透平端的气体纯度。由于发电机内经常有气体置换等操作,因此,这2个分析仪不仅能测量氢气与空气的纯度比,也能测量空气与二氧化碳的纯度比、氢气与二氧化碳的纯度比。其工作原理是根据不同类型的混合气体的热传导率不同,通过热敏电阻的变化来间接计算各种不同比例气体的纯度比。因
15、此,首次投入运行时,需要用已知纯度的气体先进行校验。只要将符合校验纯度要求的氢气、二氧化碳、氮气连接到氢气控制盘,整个过程都由分析仪自动进行。(3)铁心监视器及热解物分离器铁心监视器和热解物分离器在一个箱子内,组成了一个发电机在线超温保护。燃机氢冷发电机虽然本身有温度测点,但是由于温度测点固定,不能全面反映发电机各个角落的情况。而这套气体监视系统则不同,它将发电机内气体引入监视系统内部,并用射线使其电离,由于电离气体的流动而产生电场,通过监视这个电场的电势降来判断发电机工作温度是否正常。当发电机某部分超温时,由于高温会导致发电机内的绝缘涂料过热分解,含有这种热解物微粒的气体进入气体监视系统后,
16、会提高电场电势降(从正常的90%降至低于60%的报警值)。热解物分离器在线收集热解物微粒,从而保证监视系统内显示的是实时值,而非累计值。4 氢气/二氧化碳系统的常规操作(1)氢气/二氧化碳系统置换原理氢冷发电机正常工作时,发电机内部是400 kPa左右的高纯度氢气。而在初次安装完以及对发电机本体大修或者对氢气、密封油管道动用明火时,发电机内为大气压的空气。在这两种状态间进行切换时,需要进行气体置换。由于氢气与空气达到一定混合比会导致爆炸,因此为了避免氢气与空气接触,需要一个中间介质。这种介质需要易于获取、便宜、有利于气体置换,GE推荐使用二氧化碳。GE氢冷发电机内气体置换利用气体自身比重差使其
17、自然分层。轻的气体置换重的气体时,轻的气体从发电机顶部进入,重的气体从发电机底部排出。重的气体置换轻的气体时则相反。因此虽然一共3种气体,共有4种不同置换状态,但是阀门位置摆放方式只有轻气体置换重气体和重气体置换轻气体两种。氢气分子质量为2,空气平均分子质量为28,二氧化碳分子质量为44,据此选择不同的阀门位置即可。由于气体置换时是使用自身密度差使其自然分层,所以要尽量避免气体混合。降低气体置换速度、降低转子转速等都能降低置换气体的使用量。GE一般推荐在盘车状态下置换,纯度分析仪能更快获得发电机内的气体纯度。但是实际上,如果经验丰富,在盘车全停的情况下进行气体置换,在估计已完成气体置换时再开启
18、盘车获得准确的气体纯度,这样能使置换所消耗气体尽量少,而且使置换后的纯度尽量高。(2)密封试验在整个氢气/二氧化碳系统首次安装或者经过改动后,为了确定系统没有泄漏点,需要做密封试验。密封试验可以使用空气或者氢气,当转子在低速盘车(5 r/min)或者完全静止的工况下进行。但是,无论从经济性和安全性来讲,都宜选择使用压缩空气,在静止转速下做此试验。发电机内气体损耗主要有两个途径,一是通过各种法兰联结、焊接缝、砂眼等处泄漏,二是溶解在密封油被带走。因此密封试验要将试验时间内的气体总损耗量减去通过计算得到的溶解损耗量,从而算出通过各种法兰联结、焊接缝、砂眼等处的泄漏量。但是,由于空气与氢气本身的特质
19、不同,在空气状态下做的试验需要进行一定修正才能用于正常的氢气运行工况。这是因为:首先,氢气通过前一种方式泄漏的能力是空气的好几倍(在氢气98%纯度下,是空气泄漏量的3.38倍);其次,氢气溶解在密封油内1822006年第3期上海电力大型燃气轮机发电技术的量是同工况下空气的1.4倍;再次,正常运行工况下密封油流量远大于转子处于低速盘车或静止状态下的密封油流量。(3)常规补氢充在发电机内的氢气并非能长期保持一个稳定的压力和纯度。除了在密封试验中计算出的实际系统缺陷导致的泄漏气量以及通过溶解在密封油内而损耗的之外,氢气还因为必须保证通过氢气在线纯度仪的流量而造成的损耗(通过纯度仪后的气体是放空的)。
20、(4)提高氢气纯度提高氢气纯度的方法就是排放低纯度氢气,补充高纯度氢气。机组正常运行时通过开大排放率来提高代谢率,从而提高氢气纯度。使用这种方法纯度提高较慢而且比较浪费,但这是机组长时间连续运行时提高氢气纯度的唯一手段。在机组停机情况下,可停下盘车静置一段时间后,从发电机底部排放一定量的低纯度氢气,再补充高纯度氢气,这样更为有效。因为一般在燃机停机24 h内MK VI逻辑不允许盘车,而通过CRAN K强制冷却又会降低机组寿命,因此考虑到1 h的发电量或者对机组造成的寿命损耗等因素,氢气费用实在微不足道。5 发电机的冷却氢冷发电机用氢气对转子和定子进行冷却,同时用外来水源通过换热器对密闭氢气进行
21、冷却。图5为氢冷发电机内的气体循环图。图5 氢冷发电机内的气体循环图发电机转子两端同轴安装的风扇叶片随转子高速旋转,使发电机内密闭的氢气强制循环。发电机两侧各布置了两个立式换热器对氢气进行冷却。6 问题探讨(1)密封环的安装间隙如果密封环安装间隙过大,会导致油流增大。油流增大,也就意味着更多的电力损耗以及更大的气体损耗。(2)二氧化碳备量以及在直流密封油泵没电前要能完成二氧化碳的置换工作当燃机发电机内充满氢气后,为确保安全必须有足够置换发电机内氢气的二氧化碳的储备,并且随时在可用状态。一旦发生交流失电,要估计交流电源恢复时间,如果不确定能否及时恢复,必须在蓄电池直流放电耗尽前用二氧化碳将氢气置
22、换出来。否则在失去密封油压的情况下,发电机内气体将从密封环向外大量泄漏,可能酿成事故。(3)为什么氢气纯度会下降氢气纯度下降意味着有杂质气体混入发电机。由于密封油与氢气直接接触,因此会有氢气溶解在密封油中被带走,同时由于燃机使用的密封油与润滑油为来自同一油箱的同种油,整个油系统并非完全密封状态,会与空气接触,因此密封油中也会溶解有空气等杂质气体。当密封油携带这些气体进入燃气轮机密封系统与氢气接触时,由于溶解与析出是双向动态过程,所以会有空气等杂质气体混同进入发电机,从而在一段持续效果下会降低发电机内氢气纯度,导致冷却效果下降以至到达氢气纯度偏低的危险区域。针对此点,GE公司设计了氢气保持一定的
23、代谢率。(4)置换过程中浮球回油阀的操作浮球回油阀是稳定密封油与发电机内气体压差的重要角色。如果在气体置换时过早切换至旁路,或者太晚投入,都会导致无法保持密封油压差,以至于无法保持发电机内气体压力。如果在气体置换时,太晚投入,这个问题可以用浮球回油阀的旁路液位计来解决。当旁路液位计能显示出液位时就可将浮球回油阀投入,如果投入太晚,发电机内气体将通过旁路逃走,从而无法保持发电机内压力。浮球回油阀除了控制密封油流量,同时也能在密封油回到油箱前,将含有的氢气排出。收稿日期:2006202214作者简介:陈 昱(19772),男,上海人,大学,助理工程师,从事燃机运行工作,0212672500002845。(责任编辑:李 毅)282大型燃气轮机发电技术上海电力2006年第3期