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一起意想不到的发电机漏氢起火非停事故

某企业1号660MW 配套汽轮发电机组,发电机为QFSN-660-2-22 型隐极式、二极、三相同步汽轮发电机,采用水、氢、氢冷却方式。发电机密封油系统密封瓦采用单流环形式,系统由2台交流主油泵、1台直流事故油泵、密封油回油扩大槽、浮子油箱、空气抽出槽、排烟风机、压差调节阀、滤油器、真空油箱、真空泵、再循环泵、仪表箱等部件组成。



1. 事故经过及原因分析

(1)事故经过

8 月25 日13:30,1 号机负荷升至660MW,机组运行参数稳定,氢压436kPa,发电机密封油系统运行正常,氢油差压83kPa。14:15,1 号机组光字报警“发电机漏氢”,发电机汽端、励端回油漏氢含量点由零迅速上升到3.9%,达到报警值报警。发电机氢气压快速下降,汽机房13.7m发电机汽端和励端出现明火,密封油防爆风机排烟口也出现明火,运行人员马上破坏真空停机,并对发电机紧急排氢,发电机氢压降至48kPa 左右后进行充CO2 置换,经现场人员扑救,发电机两端明火扑灭。由于及时发现,采取措施得当,本次事故只烧损了部分热工电缆及测量探头,未造成汽轮机油系统着火以及氢气系统爆炸的重大设备损坏事故。



(2)发电机大量漏氢着火原因分析

检查发现,密封油浮子油箱浮球阀在全开位卡死,浮子油箱处“油封”破坏,造成发电机内氢气从回油扩大槽大量漏至空气抽出槽。由于漏氢量较大,防爆风机来不及将氢排出,空气抽出槽内氢气通过两端回油管道返回至发电机汽、励两端,再通过发电机大端盖从轴端外漏,同时造成7,8 号瓦回油不畅,大量氢气携带润滑油回油从发电机大端盖喷出,最终造成7,8 号瓦处氢气及润滑油外漏。发电机大量漏氢路径见图1。



图1  发电机漏氢路径示意图

氢气在高流速下,易与管道摩擦产生静电,氢气遇到静电后极易发生着火或爆炸。《GB 50177—93 氢氧站设计规范》要求,在管道中“氢气工作压力为0.1~1.6MPa,在不锈钢管中最大流速可为25m/s”。计算该1 号机组漏氢停机事故期间发电机漏氢速率,部分时段漏氢速率达到约25m?/min,换算为密封油防爆风机排烟口最大氢气流速可达150m/s,大幅超过了国标规定的氢气安全流速。可见额定氢压运行的发电机组浮子油箱处油封破坏后,如果此时浮球阀卡在较大开度时,发生氢气着火、爆炸几乎是不可避免的,遇到此类事故必须马上打闸停机。



2. 密封油浮子油箱浮球阀卡涩原因分析

发电机厂家事故发生后,对密封油浮子油箱浮球阀进行了检查,发现浮球阀卡死在开位,手摇不动,检查阀体内未发现异物,阀芯橡胶密封圈完好。阀芯导向和阀盖导向活塞处有明显卡涩磨损痕迹。检查发现油箱底部有较多橡胶、油漆皮等非金属颗粒。经与现场运行人员了解得知,该1 号机组浮子油箱浮球阀故障前,油箱有周期性异音,同时伴有浮子油箱油位周期性波动,油位上、下波动幅度最大时可达30mm。与密封油系统完全相同配置的2 号机组对比,2 号机组密封油浮子油箱无异音,油箱油位只有几个毫米的小幅波动。2015 年3 月,利用1,2 号机组同时停备的机会对两台机组浮子油箱浮球阀解体,经对比后发现,浮球阀在关键部位存在明显差异,从而判断造成1 号机组浮球阀卡涩的主要原因有下几点:

(1)浮球阀制造工艺存在不足

该1 号机组密封油浮子油箱浮球阀阀芯材质为不锈钢,经对比2 号机组浮球阀发现,阀体内孔与阀芯结合面有一层厚度约5mm 的铜质内衬套,由于单油环密封油系统浮子油箱浮球阀长期处于频繁调整状态,阀芯与阀体内孔处金属表面频繁发生碰磨,而铜质地较软,可有效地保护阀体及阀芯。该1 号机组浮球阀阀体内孔与阀芯表面材质相同,均为不锈钢材质,相同硬度的金属长期反复碰磨,必然造成阀芯表面磨损,最终造成浮球阀在全开位卡涩,是引发该1 号发电机大量漏氢停机的主要原因。



(2)机组安装及大修后,对密封油系统回油管路大流量冲洗不彻底

查看机组近3 年汽轮机润滑油、发电机密封油油质监测报告,未出现过油质超标现象。同时该机组密封油供油管路设置20 目的滤网,可见固体杂质不是来自密封油供油系统及管路。而追溯最近一次密封油系统检修发现,橡胶、油漆皮等颗粒物主要来自7,8 瓦润滑油回油,来自密封瓦安装以及发电机内、外端盖安装后的密封胶以及发电机外端盖,机组安装及大修后对密封油系统回油管路大流量冲洗不彻底,造成密封油浮子油箱内沉积较多非金属颗粒物。



(3)浮子油箱内部密封油进油口布置不合理

在密封油浮子油箱内部检查过程中还发现,该1 号机组浮子油箱密封油进油口布置不合理,油箱进油口正对浮球阀球体,密封油系统运行期间油流对浮球阀造成连续冲击力,此冲击力方向垂直于阀芯活动方向,增大了阀芯与阀体间的摩擦,从而加快了阀芯的磨损。对比Alstom 企业设计的密封油浮子油箱内部设计可发现,Alstom 企业在回油口装设了挡油板,有效避免了密封油进油对浮球阀造成的冲击。
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