单流环与双流环密封油系统的差异分析

1 单流环密封系统

1.1 密封原理

发电机正常运行时，机内氢气压力为0.3 MPa（3 bar）。为保证氢气不会泄漏至大气中，由系统提供大于氢压0.05 MPa（0.5 bar）的密封油。本系统通过轴上的密封环提供密封油来保证发电机的密封性。密封环位于发电机的挡油板和轴承之间。密封瓦分为氢侧瓦和空侧瓦，共8 块，每侧4 块，每块瓦之间没有连接，靠氢侧瓦和空侧瓦外圆上的一圈弹簧箍筋在转轴上。密封油沿氢侧瓦和空侧瓦之间的缝隙流入，分别向两侧密封瓦流动。

1.2 系统流程

1.2.1 事故运行方式

单流环密封油系统事故运行方式可能会导致密封油中含有的空气和水被带入发电机。需对氢气纯度进行持续监测，必要时需通过充排氢的方式提高发电机内氢气纯度。同时，持续监视发电机泄漏监测罐液位，必要时排油。如主油泵和应急交流油泵故障，系统通过直流应急油泵供油。直流电机驱动密封泵只有在紧急情况下方可运行，此时，应将发电机卸载并除气。

如直流应急油泵出现电气或机械故障，系统可采用低压运行模式。即润滑油回路的油通过滤油器引到发电机端。发电机内氢气压力被调节到与润滑油压力相对应的值。避免发电机在停机过程中出现大量氢气泄漏事故。

1.2.2 单流环系统的优点

（1）只有一路供油回路，结构简单，便于厂房布置，设备成本较低。

（2）密封瓦调节简便，正常运行工况下，保证油压高于氢压0.05 MPa（0.5 bar）。压差采用自动调节，保证了密封系统的可靠性。

（3）真空罐GHE001CW 设置油处理系统，通过真空泵将罐内压力保持在0.0067 MPa（0.067 bar）。主油泵设置大流量的回油系统，通过管内喷头有效去除密封油中含有的水分和溶解气体。

1.2.3 单流环系统的不足

（1）密封方式简单，不能够完全密封，正常运行期间仍有氢气随系统泄漏。

（2）仅设置一台主油泵，运行操作灵活性差。一旦出现故障，发电机内的氢气纯度难以保证。

（3）对于大功率汽轮发电机组，为保证发电机的冷却效率，运行氢气压力较高，采用单流环系统，正常运行期间随系统带出的氢气量较大，增加了运行复杂性，同时提高了运行成本。

2 双流换密封系统

双流环密封油系统较单流环系统结构更为复杂。系统设置两条独立的密封油回路，即空侧回路和氢侧回路，分别实现对发电机空、氢侧密封瓦的供油和回油循环。压力油通过不同的油槽送入密封瓦，在转轴和密封瓦的间隙处往相反的方向分别向空气侧和氢气侧流动，由于进油压力通过平衡阀严格控制，正常运行阶段出现的窜油量极少。

2.1 系统流程

双流环系统相对单流环密封油系统增加了2 台氢侧密封油泵，2 台氢侧密封油换热器，2 台氢侧密封油过滤器，2 台油压平衡阀等主要设备。

2.1.1 空侧密封油回路

润滑油箱来油通过过滤器进入密封油装置，密封油泵（1 台主油泵，1 台交流应急油泵，1 台直流应急油泵）经滤网改善油质后，注入密封瓦。回路通过压差阀控制油泵的油量。压差调节阀控制空侧密封油量正常运行工况下保持在220 L/min。备用油泵运行方式相同。密封瓦排油通过重力流经过GHE 回油箱回至主油箱。

2.1.2 氢侧密封油回路

氢侧密封油泵从氢侧储油箱获得油源，通过滤网、冷却器向密封瓦供油。氢侧设有两台密封油泵，正常运行时1 台运行，1台备用。氢侧额定密封油流量为40 L/min。密封油通过冷却器被冷却至45 ℃后进入密封瓦。系统通过平衡阀调节供油压力，使其与空侧供油压力一致，避免窜油影响氢侧密封油质量。系统通过发电机两端密封装置与出油箱连通，以保证两端密封装置油压的平衡。储油箱与油位控制箱连通，当油箱液位高时，浮球将排油阀打开使得多余的油排入空侧油路，当油箱液位低，浮球阀自动控制阀门将空侧油补入。

当氢侧密封油泵因维修需要退出运行，氢侧泵停止运行，空侧密封油流到氢侧的流量有所加大，这种情况漏氢较正常运行会有所增多，需补充氢气也相应增多。运行期间需时刻关注氢气纯度，并尽快恢复氢侧供油。

2.2 运行方式

2.2.1 正常运行

油密封系统确保静止状态下气体置换过程及转子加速/减速过程中的密封状态。气体压力从0～0.45 MPa（0～4.5 bar），转子转速从0～1500 r/min。系统正常运行工况下，空侧由交流电机驱动主螺杆泵向发电机空侧密封轴瓦供油。差压阀根据发电机内氢气压力将空侧进油压力调整在高于内部氢压0.05 MPa（0.5 bar）。平衡阀自动使所控制的氢侧进油压力与空侧油压尽可能相等。

2.2.2 故障运行

（1）空侧主油泵故障时，可通过备用交流油泵保证空侧回路的正常运行。直流电机驱动密封油只在紧急情况下运行，此时应将发电机卸载并排氢气。

（2）氢侧油泵故障时，可通过启动备用交流油泵运行。如两台油泵均出现故障，需将系统隔离检修。通过空侧密封油回路单独运行保证发电机密封。

（3）如系统所有泵组全部无法运行，密封油可通过滤油器及调节阀由润滑油系统直接供给发电机密封瓦。同单流环系统低压运行模式。

2.3 双流环密封油系统的优点

（1）因氢侧回路为独立封闭运行。系统漏氢量小，通过两路密封油，保证密封瓦的隔离效果，同时降低了运行成本。

（2）双回路运行，当氢侧密封油回路出现故障的情况下，可隔离氢侧密封油回路。通过增大空侧密封油量，保证发电机的密封。提高了系统运行的可靠性和灵活性。

（3）对空侧油质要求低，省去主油泵的油处理功能，应急交流油泵可完全替代主油泵功能。系统运行简便，冗余度提高。

2.4 双流换密封油系统的缺点

（1）系统较为复杂，对厂房的总体布置要求高，设备成本较高。

（2）平衡阀和差压阀易发生故障，一旦空侧油压高于氢侧油压，则空侧油路中水分和空气会对氢侧油路造成污染。

（3）氢侧密封油箱调节量有限，如设计不合理，发电机进行充、排氢过程中可能造成氢侧回油箱液位高，甚至导致发电机进油。

3 双流环密封油系统存在的不足及处理措施

3.1 平衡阀和差压阀失灵

系统运行过程中，差压阀和平衡阀可能由于油质不合格造成卡涩，致使空侧向氢侧窜油量增大，使氢侧回油量增多，由于密封油箱通过静压调节油量，流速较慢，可能造成消泡箱满油，导致发电机进油。为避免此类问题，系统启动前应严格控制密封油油质。必须在油质合格后投入平衡阀和差压阀。运行期间需定期对密封油滤网进行排污。

3.2 氢侧油路调节性能差，可能发生消泡箱向发电机溢油问题

双流换密封油系统如设计不合理或其他原因，在发电机内部未冲压或气体置换的情况下，平衡阀若控制两个回路的油压不当，易造成氢侧密封油箱满油。严重情况下，油位控制箱通过重力难以及时排油，造成消泡箱满溢导致发电机进油。为避免此类事故发生，需适当增加氢侧油路的油量调节能力。系统可考虑以下设计方案。在氢侧密封油泵出口增加一根管路到空侧油泵入口。中间设一个调节阀，两个截止阀。当氢侧回油箱自动调节难以控制油位的情况下，适当调节此阀门。将一小部分油排入空侧回油箱。避免发电机进油风险。管路直径可依据如下方法进行估算。

式中 V——排油量，m3

r——密封油黏度系数，m2/s

h——管道两端压差，m

t——排油时间，s

将实际数值代入公式（1），d=1.5×20.63 mm。依计算结果可取32 mm×3 mm 无缝钢管（注：式中取值仅作参考示例，非最终设计方案）。

4 结论

单流环与双流环系统在实际应用中各有优缺点，但随着机组容量的增加，双流环系统的密封性好和较高的可靠性等优势逐渐突出。油质对于系统运行的可靠性至关重要，密封油系统在向空侧密封油供油时也应加强油质的监测。否则一旦出现窜油问题，发电机内的氢气纯度可能会受到影响。

双流环系统氢侧回路作为闭环回路，最容易出现的故障即是发电机进油。除在运行期间严格执行规程外，应从提高系统排油能力方面着手，提高系统运行的可靠性。本文介绍增加氢侧向空侧排油管线的方法，避免密封油箱因重力排油不及时造成系统故障的可能。为后续系统设计和故障处理提供借鉴。