核电厂发电机密封油系统对气密性试验影响的研究

核电厂发电机密封油系统对气密性试验影响的研究

何流

福建省福清市福清核电有限公司

摘要：本文从某核电厂气密性试验结果不合格这一现象入手，结合单、双流环密封瓦的特点，通过比较系统参数的差异并进行针对性的分析计算，找到了溶解在密封油中过量气体是导致单流环密封瓦式发电机气密性试验不合格的根本原因。并根据现场试验的数据，总结出适用于核电厂单流环式发电机外漏量计算公式，这为评估核电厂发电机边界完好性提供了更为直接的方法，其分析问题的思路可以运用于相同机型的发电机气密性试验中去。

Abstract ：Based on the failure of airtightness test results in a nuclear power plant, combined with the characteristics of single and double flow ring seal tile, this paper compares the differences of system parameters and makes pertinent analysis and calculation. It is found that the excessive gas dissolved in the sealing oil is the root cause of the failure of the airtightness test of the single-flow ring seal bush generator. Based on the data of field test, a formula for calculating leakage of single-stream ring generator in nuclear power plant is concluded. This provides a more direct method to evaluate the integrity of the boundary of the generator in nuclear power plant. The method can be applied to the airtightness test of the same generator.

一、某核电厂发电机以及密封瓦简介

某核电厂发电机由东方电气制造，额定有功功率为1150MW，为法国ALSTOM技术的国产化机型，代表了当前国内核电主流二代加技术路线的先进水平。发电机采用为水-氢-氢冷却方式，即定子线圈采用水内冷，转子线圈采用氢内冷，定子铁芯及其他构件采用氢气表面冷却，转子部分由氢气冷却。发电机氢气额定压力为0.3MPa.g，发电机内的氢气循环是通过发电机转轴上汽励两端的轴流式风扇鼓风实现的，并由位于四角的冷却器带走发电机产生的热量。

目前发电机广泛使用的密封瓦有两种，分别为单流环式密封瓦和双流环式密封瓦，系统具体组成见图一、图二。对比单流环式密封瓦和双流环式密封瓦，双流环密封瓦系统组成相对复杂、可靠性高，溶解在密封油中的氢气会逐渐饱和并不再溶解，单流环密封瓦系统相对简单，维修维护成本低，溶解在密封油中的氢气会不断分离扩散至大气中。某核电厂1-4号机组采用的是单流环密封瓦，5-6号机采用的是双流环密封瓦。

         图一：双流环密封系统简图     图二：单流环密封系统简图

二、发电机气密试验以及试验结果不合格原因分析

因为氢气是密度最小的气体，通风损耗最低，导热功能好，冷却效率高，所以常用做大型发电机的冷却介质。但是由于氢气属于易燃易爆气体，爆炸极限是4.1%-74.2%（体积浓度），在发电机日常运行中需要密切关注发电机氢气压力波动情况，杜绝因为氢气泄漏继而导致爆炸等意外事故的发生。

为了确保发电机边界的完好性，在发电机首次启动以及大修后，在进行氢气置换前需要进行发电机气密性试验。发电机整体严密性试验为向发电机冲入压缩空气并保持24 h , 在此期间定期连续测量各类数据, 主要是室温、大气压、发电机内的气温和气压等。根据发电机设备技术维护手册中气密性试验计算公式，某核电厂发电机24小时的标准压降小于20mbar均可认为合格，可以进行后续的氢气置换以及发电机启动工作。

Pi：初始相对压力（mbar）

Pf：最终相对压力（mbar）

Ti：初始平均氢气温度(°C)

Tf：最终平均氢气温度(°C)

Patmi：初始大气压力（mbar）

Patmf：最终大气压力（mbar）

D：试验持续时间（小时）

某核电厂发电机首次启动前发电机气密试验期间，气密性试验结果为52mbar，与前期经验气密性试验数据相差甚远，经过现场多次氦气查漏，未发现外漏点。对比其它机组气密性试验期间的系统运行参数，发现密封油流量比前期合格气密试验的流量增加约3倍，具体数据如下：

表一：，某核电厂2、3号机发电机气密数据对比

查阅其他设备厂家发电机气密试验方案以及计算公式，其单流环式发电机气密性试验计算公式为：

=24×P×10.2× q × V0×0.5

V：发电机体积（m3）

：发电机24小时标准压降（mbar）

QH：空气在密封油中的溶解量（m3/day）

P：机内绝对压力（MPa）；

q：氢侧密封油回油量（m3/h）；

V0：空气在密封油中溶解率（与密封油温度有关）；

同为单流环形式的发电机，对比两种气密性试验的计算方式，某核电厂计算公式只是考虑了发电机整体泄漏率，其他设备厂家发电机在整体泄漏率基础上减去了溶解在密封油中气体的影响。由于溶解气体会直接通过管道直接排放厂房外大气，故其计算结果能够真正反映发电机气体的外漏情况。根据某核电厂前后两次密封油流量以及气密性试验结果差异较大的现象，初步判断导致气密性试验不合格的原因为在气密试验工况下密封油流量过大，导致溶解在密封油中的空气过多，继而导致试验结果不合格。

三、发电机气密性试验改进

根据上述初步分析，密封油流量过大是此次发电机气密试验不合格的主要原因，为了进一步明确根本原因，现场通过降低密封油流量来验证试验结果。根据密封油系统组成以及系统特性，现场通过调整密封瓦间隙以及降低密封油差压的形式来降低密封油流量，并在此基础上进行发电机气密验证。通过多次调整并验证，在发电机边界未发生变化的情况下，发电机气密数据以及密封油流量数据如下：

表二：某核电厂3号机发电机气密数据对比

根据上述数据，可以判断密封油流量对发电机气密性试验结果影响较大，其他条件不变的情况下，密封油流量变大，按照某核电气密性计算公式考虑，气密性试验结果会逐渐恶化，与实际发电机外漏情况不符。

该核电发电机采用的是东电引进的ALSTOM技术，其验收标准压降20mbar包容了正常密封油流量的溶解量，计算公式未减去密封油中溶解的空气。在电厂运行过程中，为了预防氢爆的风险，操作人员更多的关注发电机外漏量，为了更明确发电机实际外漏量，需要更精确的计算公式。参考其他设备厂家发电机的气密泄漏量计算公式，预估福清核电气密泄漏量公式为

=24×P×10.2× q × V0×C

C：空气的溶解和分解系数；

公式原理为发电机总泄漏量减去空气在油中的溶解量。考虑到两种机型的发电机以及密封瓦体积以及制造尺寸不尽一致，空气与氢气密封油的接触面积、接触时间不一样导致空气在密封油的溶解率不一致，不能完全套用参考公式中的空气在密封油中的溶解率，故其在公式中以C代表空气在密封油中的溶解率，其他各项参数含义与参考公式各项参数含义一致。根据表二中的数据，由于两种工况下发电机气密边界未发生变化，发电机外漏量一致，故可以根据2组数据估算出溶解率C以及发电机外漏量L，最终得出：

                  C=0.34

L1=0.6m3/day

     通过上述试验数据以及其他多组试验数据，得出某核电空气在密封油中的溶解率为0.34，相较于其他设备厂家发电机溶解率小，这与密封瓦、氢侧回油管道的结构和设计有关。某核电3号机发电机组发电机实际外漏量为0.6m3/h，远远优于行业经验值，且其发电机实际外漏量的计算公式为

=24×P×10.2× q × V0×0.34

四、总结

某核电单流环式发电机气密试验的厂家验收标准考核的是发电机总体泄漏量，包括了空气在密封油中的溶解量。发电机在外漏量不变的情况下，密封油流量增大，会导致气密性试验结果恶化，而机组运行过程中重点关注的是发电机外漏量。本文给出了适用于该核电发电机外漏量计算公式，这为评估核电厂发电机边界完好性提供了一个更为直接的方法，其分析问题的思路更可以运用于相同机型的发电机气密性试验中去。

参考文献

[1] 陈新、杨轶.某核电厂3、4号机组GHE系统设计手册，2015，10，11

何流（1985.10-）福建省福清市福清核电有限公司，高级工程师，从事核电厂调试、维修、安全质量管理工作。