李浩良，潘劍南，李曉剛，鄒烔斌

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1000MW汽輪發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)化學清洗技術

李浩良1，潘劍南1，李曉剛1，鄒烔斌2

（1. 廣州粵能電力科技開發(fā)有限公司，廣州 510075；2. 華能國際電力股份有限公司海門電廠，廣東 汕頭 515132）

針對某1000MW汽輪發(fā)電機定子線棒層間溫差和引水管出水溫差超標的問題，分析了定子線棒空心銅線堵塞的原因。具體介紹一套酸洗，活化，鍍膜的化學清洗工藝。發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)通過化學清洗，除去了空心銅線的腐蝕產物，降低了定子線棒層間溫差，確保1000MW汽輪發(fā)電機安全、經濟運行，具有較大的實用性和經濟性。

汽輪發(fā)電機；定子冷卻水系統(tǒng)；腐蝕；堵塞；化學清洗

0 前言

發(fā)電機組運行過程中，轉軸旋轉產生的機械能除了轉化為電能，還會不可避免地產生一部分能量損耗；這些能量損耗將引起定子、轉子等各部件產生大量熱量。為了保證發(fā)電機安全運行，需要冷卻介質把這部分熱量帶走。由于水的導熱系數(shù)和容積熱容量均大于空氣、氫氣等其他冷卻介質，目前大型超臨界汽輪發(fā)電機組普遍采用水-氫-氫冷卻方式；即定子線棒直接水內冷，轉子線圈氫內冷，定子鐵心氫表冷。但是，定子冷卻水（以下簡稱：定冷水）水質不符合標準要求、補水水質不合格等原因導致定子線棒的空心銅導線內表面腐蝕結垢，從而造成空心導線局部堵塞，進而引起線棒冷卻水流量下降，進出水壓差增大，線棒溫度偏高等一系列問題。定子線棒溫度偏高，輕則導致發(fā)電機出力下降，效率降低；重則導致線棒機械強度降低，絕緣熱老化，甚至燒毀線棒，造成巨大經濟損失。因此，控制定冷水水質合格及做好線棒堵塞的防范措施對發(fā)電機的安全、經濟運行至關重要。

1 線棒溫差超標原因分析

1.1 超溫現(xiàn)象概況

某發(fā)電廠1號發(fā)電機由某公司生產，型號為QFSN-1000-2-27，冷卻方式為水-氫-氫，額定容量為1151MW，額定電壓為27kV，額定電流為24612A，定子繞組冷卻水流量為122 m3/h，定子繞組冷卻水壓力為0.31MPa，定子鐵心36槽，每槽2根線棒，每根線棒由數(shù)十根實心和空心的扁銅導線組成，空心銅線內通過定冷水帶走線棒產生的熱量。1號發(fā)電機于2009年投入商業(yè)運行，2015年5月，定子三相電流平衡，17號定子線棒層間溫差和12號定子絕緣引水管出水溫差都已達到DL/T 1164-2012《汽輪發(fā)電機運行導則》規(guī)定的報警值8K[1]，并有逐步惡化的趨勢。

1.2 測溫元件故障排查

熱工人員對超溫的測溫元件進行檢查，排除了測溫元件接線端子松動、信號傳輸異常和測溫元件故障的可能性，確認17號定子線棒層間溫差和12號定子絕緣引水管出水溫差達到報警值的事實確實存在。這種情況如果繼續(xù)發(fā)展將嚴重影響機組的安全穩(wěn)定運行。

1.3 超聲波流量試驗

用超聲波流量計對汽輪機和勵磁兩側的多根線棒引水管進行了流量測定。汽輪機側各引水管流量測試值如圖1所示。在0.31MPa水壓下，汽輪機側線棒引水管平均流量`為39.89L/min；17號引水管的流量最小，為35.12L/min，偏差值達－11.96%（偏差值公式：=(－`)/`×100%）[2]。定冷水流量偏低是造成定子線棒層間溫差和出水溫差超標的原因。

圖1 各階段線棒引水管流量測試值

1.4 氫氣泄漏量排查

定冷水流量偏低反應出定子線棒空心銅線局部堵塞，按照堵塞物體形態(tài)可劃分為固體異物堵塞和氣體-汽體堵塞。在定子水泵啟停時，線棒和環(huán)形引線充水將不可避免地存在氣體，但更多的氣體來自發(fā)電機機殼內的氫氣。發(fā)電機運行時機殼內的氫氣壓力大于定子繞組冷卻水的壓力，其壓差降低到一定值時，壓差繼電器發(fā)出報警信號。正常情況只有小量的氫氣通過絕緣引管滲透到水中，由水流帶到水箱，在水箱中擴容析出，聚積在水箱頂部。隨著氫壓逐漸升高，安全門動作，連接在安全門排氣口的氣體流量計記錄逸出的氫氣量。如果機殼內的進出水匯流母管、絕緣引水管、水電接頭或者空心銅線存在細微裂紋或者細小的砂眼，大量的氫氣泄漏到水系統(tǒng)中，由于水速較低，冷卻水不能及時地將氫氣排出，水中氫氣將越積越多，達到飽和后析出，在空心銅線內壁產生氣泡，形成氣堵，引起線棒流量減少，溫度偏高等問題[3]。查閱1號發(fā)電機氣體流量計的記錄數(shù)據(jù)，無明顯增大趨勢；且水壓與氫壓的壓差繼電器無異常報警信號，排除氫氣泄漏量偏大造成氣堵的可能性。

1.5 外界異物排查

固體異物堵塞線棒的一個主要原因是銅屑、焊渣、破碎的墊片、樹脂等外界異物進入到空心銅線。對定冷水系統(tǒng)的管道法蘭和所有接合面的防滲漏密封墊圈檢查，未發(fā)現(xiàn)龜裂、老化和損壞的現(xiàn)象。對定冷水系統(tǒng)的濾網檢查，未發(fā)現(xiàn)濾網破碎或異物堵塞濾網。檢查離子交換器也未發(fā)現(xiàn)樹脂堵塞濾帽。排除了外界異物堵塞空心銅線的可能性。

1.6 腐蝕結垢異物排查

固體異物堵塞線棒的另外一個原因是定冷水水質不合格導致空心銅線內表面腐蝕結垢。查看1號發(fā)電機運行監(jiān)測數(shù)據(jù)，定冷水pH值在6.5~7.5，由圖2所示pH在6.95以下區(qū)域會出現(xiàn)Cu2+，是銅的腐蝕區(qū)；另外定冷水的電導率長期小于0.4μS /cm，如圖3所示電導率偏低會加快腐蝕速度[4-6]。另外發(fā)電機停運或檢修將定冷水系統(tǒng)的水放盡后，如果沒對定子線棒吹干，空氣會進入定冷水系統(tǒng)內，使氧氣和二氧化碳的濃度升高，空心銅線表面的氧化物會與二氧化碳反應生成堿式碳酸銅堵塞線棒[7-9]。綜合以上情況判斷，1號發(fā)電機17號定子繞棒層間溫差和12號定子絕緣引水管出水溫差超過報警值的主要原因是運行時定冷水的pH值和電導率偏低導致線棒空心銅線發(fā)生了局部腐蝕結垢。

圖2 銅的溶解度（腐蝕）與pH值的關系曲線

圖3 銅的溶解度與電導率的關系曲線

2 定子線棒堵塞的解決方法

2.1 物理清洗方法

定子線棒堵塞的處理方法主要有物理清洗方法和化學清洗方法。物理方法主要有正反沖洗法和水錘沖洗法。

2.1.1 正反沖洗法

發(fā)電機長期運行中，定冷水沿著一個固定方向流動，可能在管路的轉角、縮口等部位產生沉積雜質和污垢。按相關操作程序，利用定冷水系統(tǒng)的正反沖洗裝置，多次改變水流方向，將沉積的雜質和污垢沖洗掉[10-11]。

2.1.2 水錘沖洗法

將整個定冷水系統(tǒng)注滿除鹽水，并加入高壓氮氣，然后突然泄壓，利用泄壓時流速快、沖力大的水流對空心導線內的堵塞物進行清洗；汽勵兩側交替進行多次沖洗[12-13]。

2.1.3 物理清洗方法的局限性

物理清洗方法一般僅能沖洗小顆粒異物或者疏松沉積物，無法去除致密性腐蝕結垢物和大部分空心銅線轉角部位的沉積物[14-15]。1號發(fā)電機采用物理清洗方法后，17號線棒引水管流量并未上升，由圖1所示。

2.2 化學清洗方法

鑒于物理清洗方法效果不顯著，為了徹底清理發(fā)電機定冷水系統(tǒng)內的腐蝕結垢產物，決定對1號發(fā)電機定冷水系統(tǒng)進行化學清洗鍍膜工作。

2.2.1 化學清洗的原理

化學清洗方法是通過酸與金屬表面腐蝕產物發(fā)生化學反應來除去空心銅線、不銹鋼管路和水箱中的腐蝕產物，清洗后采用活化劑調高pH值對銅表面進行氧化活化，然后加入混合鍍膜劑對空心銅線表面進行鍍膜，達到防腐蝕和控制銅離子濃度的目的。

2.2.2 化學清洗的安全性分析

采用化學清洗方法清洗定冷水系統(tǒng)要求清洗介質與被清洗設備的材質相適用；即清洗介質對腐蝕結垢產物要有足夠的溶解能力，而且不對設備造成腐蝕。對1號發(fā)電機及定冷水系統(tǒng)的材質進行了調查研究，結果見表1。

查詢相關資料發(fā)現(xiàn)表1中的材質均有較好的耐腐蝕性能。對空心線棒和銀合金焊料進行腐蝕試驗，發(fā)現(xiàn)這兩種材質在沒有緩蝕劑存在的30℃、3%質量濃度的復合酸溶液中浸泡3h后的腐蝕極小，可忽略不計。故用復合酸進行空心線棒的清洗是安全可行的。

表1 發(fā)電機定冷水系統(tǒng)材質

2.2.3 化學清洗范圍

化學清洗的范圍包括：定子線棒空心銅線內表面、定冷水水箱、定子水泵、濾網、換熱器及相連接的管道等。整個清洗水容積約3m3，其中定子繞組水容積為0.5m3，定冷水箱（1/2容積）和管道總計2.5m3。

2.2.4 化學清洗系統(tǒng)

化學清洗工作是通過外加的臨時配藥系統(tǒng)再利用定冷水系統(tǒng)及其設備進行循環(huán)清洗。選取清理干凈后的定冷水水箱底部排污管作為加藥點，使復合酸水溶液首先加入到水箱內，隨著定冷水水泵的運行逐漸擴散到整個系統(tǒng)。化學清洗分兩個回路進行：

正沖洗回路：冷卻水箱→水泵→冷卻水管道→空心線棒→冷卻水管道→冷卻水箱。如圖4所示。

反沖洗回路：冷卻水箱→水泵→冷卻水管道→空心線棒（相反方向）→冷卻水管道→冷卻水箱。如圖5所示。

圖4 正沖洗回路

圖5 反沖洗回路

2.2.5 化學清洗前應具備的條件

a）驗證藥品合格，符合本次試驗要求。

b）監(jiān)測用藥及儀器準備到位。

c）用光譜儀確認本次清洗系統(tǒng)內所有濾網屬于不銹鋼材質。清洗前檢查正反沖洗濾網有無雜物。

d）清洗系統(tǒng)和非清洗系統(tǒng)進行有效的隔離，防止清洗液污染樹脂。系統(tǒng)上壓力表和流量表、溫度表繼續(xù)投用，監(jiān)視清洗效果，其它表計全部隔離。需要隔離的設備：加熱器、溶解氧分析裝置、離子交換器、差壓變送器、熱工所有測量表計（壓力、溫度、流量計除外）、定冷水箱至汽水取樣一次門。

e）定冷水系統(tǒng)應無漏點。清洗前先用除鹽水進行檢漏試驗，對定子繞組及水接頭進行細致檢查，確認系統(tǒng)無漏點才允許進行酸洗。酸洗時派專人檢查定子線棒及其它部位是否存在泄漏點，以便及時處理。

2.2.6 化學清洗的步驟

a）酸洗前準備。先將配藥桶及清洗用的塑料軟管用除鹽水清洗干凈，接好加藥及排液相應管道，檢查所有加藥排液臨時管道是否正確安裝，有無滲漏。確認所有相關設備已隔離，確認已投入濾網和冷卻器，確認定冷水系統(tǒng)正常運行，水箱水位應控制在中間位置，采用邊補水邊排放的方式沖至電導率小于2μS /cm，關閉排水門。

b）酸洗。定冷水系統(tǒng)閉式循環(huán)狀態(tài)下，定冷水壓力控制在正常運行時的0.31MPa，開關定冷水水箱底部放水門，向配藥箱補水，在配藥箱內配制含200~400mg/L緩蝕劑的復合酸溶液，藥品全部溶解后，開關定冷水箱底部放水門，通過打酸泵將濃溶液注入定冷水箱，開啟定冷水泵對定冷水系統(tǒng)進行酸洗，酸洗期間監(jiān)測溶液酸度維持在2.3±0.2%，定冷水溫度控制在25~35℃，每一小時進行正反向酸洗切換。具體酸洗時間由銅離子和復合酸的測定結果結定，連續(xù)兩次銅離子濃度基本穩(wěn)定后可認為酸洗達到終點。1號機酸洗約4h。

c）排放酸液。關停定冷水水泵，打開水箱處三個排液口（定冷水水箱排污門、定冷水主路精濾器底部排污門、定冷水溫度調節(jié)閥底部進口管路排污門），啟動打酸泵將定冷水系統(tǒng)內的酸洗液全部排放至精處理再生廢水池。確認酸液排放完畢后關閉水箱處三個排液口，轉入酸洗后水沖洗。

d）酸洗后水沖洗。向水箱注入2/3容積的水，開啟定冷水水泵，正洗10min后轉為反洗，再反洗10min，關停水泵，打開三個排液口，將水排盡。重復上述操作三次后，再次向水箱內注水至2/3容積處，開啟水泵，同時打開水箱三個排液口和除鹽水補水門，采用邊補邊排的方式進行水沖洗。沖洗過程中測試定冷水的pH值，當pH值大于5.0，沖洗結束，轉入活化過程。

e）活化。開啟水箱底部放水門，向配藥箱內注水，配制0.1%~0.2%的活化溶液。計算量的藥品全部溶解后，通過打酸泵將活化溶液注入水箱。系統(tǒng)內活化溶液pH值維持在12.5~13.5，對系統(tǒng)活化2h后將活化液排入精處理再生廢水池。確認活化溶液排放完畢后關閉三個排液口，轉入活化后水沖洗。

f）活化后水沖洗。向水箱注入2/3容積的水，開啟定冷水水泵，正洗10min后轉為反洗，再反洗10min，關停水泵，打開三個排液口，將水排盡。再次向水箱內注水至2/3容積處，開啟水泵，同時打開水箱三個排液口和除鹽水補水門，采用邊補邊排的方式進行水沖洗。沖洗過程中測試定冷水的pH值，當pH值小于9.5，沖洗結束，轉入鍍膜過程。

g）鍍膜。開啟定冷水箱底放水閥門，向配藥箱內注水，配制40~50 mg/L的鍍膜濃溶液。計算量的藥品全部溶解后，通過打酸泵將鍍膜濃溶液注入水箱，開啟水泵對定冷水系統(tǒng)進行鍍膜，鍍膜過程中系統(tǒng)內鍍膜溶液pH值維持在9.0~10.5，定冷水溫度控制在25~35℃，每6h切換一次正反向鍍膜，24h后將鍍膜溶液排放至精處理再生廢水池。

h）鍍膜后水沖洗。向水箱注入2/3容積的水，開啟定冷水水泵，正洗10min后轉為反洗，再反洗10min，關停水泵，打開三個排液口，將水排盡。重復上述操作三次后，再次將水箱注滿水，啟動水泵，同時打開定冷水箱處三個排液口和除鹽水補水門，水沖洗至銅離子濃度小于100μg/L后，可投入離子交換器進行循環(huán)；當定冷水的電導率小于2μS/cm、銅離子濃度小于40μg /L后，整個化學清洗工作全部結束。

i）系統(tǒng)清理和恢復。將系統(tǒng)濾網的濾元全部更換，關閉發(fā)電機進出口閥門，再打開所有隔離設備的進出口閥門，恢復所有設備正常狀態(tài)，繼續(xù)保持邊補邊排方式，直至水質符合正常運行要求。待水壓、絕緣等試驗合格后，定冷水系統(tǒng)轉入備用狀態(tài)。

2.2.7 化學清洗效果

如圖1所示。在0.31MPa水壓下，化學清洗后各定子線棒絕緣引水管的流量幾乎均有上升，流量分布更加均勻。17號線棒引水管流量由35.12 L/min上升至40.43L/min，偏差值由－11.96%縮小至－0.35%。線棒空心銅線內的腐蝕結垢物已被清除。

1號發(fā)電機的負載為750MW時，定子線棒層間溫度保持在57.5~60.2℃，17號定子線棒層間溫差由酸洗前的8K下降到2.5K。定子線棒出水溫度保持在50.6~53.4℃，12號定子絕緣引水管出水溫差由酸洗前的8K下降到2K；線棒溫度超標現(xiàn)象已消除。

3 結論

（1）1號發(fā)電機定冷水水質不合格導致定子線棒腐蝕結垢是造成線棒層間溫差和引水管出水溫差超標的主要原因。為了防止線棒堵塞再次發(fā)生，應做好相關防范措施。第一，在運行過程中加強定冷水水質的化學監(jiān)督，嚴格控制定冷水的電導率、pH值、銅離子、含氧量、二氧化碳、硬度等水質，同時確保補水水質合格。第二，發(fā)電機停運或檢修將定冷水系統(tǒng)的水放盡，應用壓縮空氣或惰性氣體對定子線棒吹干，并向系統(tǒng)沖入惰性氣體進行保養(yǎng)，避免定冷水系統(tǒng)內氧氣和二氧化碳的濃度變大造成停運腐蝕。第三、加強檢查濾網、離子交換器的濾帽、管道的防滲漏密封墊圈，防止外界異物進入定冷水系統(tǒng)。第四，發(fā)電機檢修期間應采用有效的檢測方法如超聲波流量法、熱水流試驗法等檢查定冷水系統(tǒng)的流通性，及時發(fā)現(xiàn)線棒堵塞問題，將事故隱患消滅在萌芽狀態(tài)。

（2）1號發(fā)電機定冷水系統(tǒng)通過整體化學清洗后，線棒層間溫差、絕緣引水管出水溫差等各項參數(shù)恢復到正常水平，說明化學清洗是徹底消除定冷水系統(tǒng)腐蝕結垢產物的安全、有效的方法。對同類型機組的線棒堵塞處理有著重大參考意義。

（3）定冷水系統(tǒng)整體化學清洗與單根線棒分別清洗比較，無需拆除或割斷絕緣引水管，具有成本低、耗料少、清洗范圍廣、經濟效益好的優(yōu)點；與正反沖洗等物理方法比較，整體化學清洗法具有工期短、清洗效果顯著等優(yōu)點。發(fā)電機定冷水系統(tǒng)整體化學清洗具有較大實用性，值得在同類型機組上推廣。

（4）根據(jù)JB/T 6228-2014《汽輪發(fā)電機繞組內部水系統(tǒng)檢驗方法及評定》的規(guī)定：采用超聲流量計對定子線棒進行流量測試，要求不超過整臺線棒內冷水流量平均值的－15%。1號發(fā)電機17號線棒堵塞后的流量偏差值為－11.96%，符合標準要求；但在運行中溫差卻已達到DL/T 1164-2012《汽輪發(fā)電機運行導則》規(guī)定的報警值8K。兩者存在矛盾，不利于技術人員評定發(fā)電機的狀態(tài)。1號發(fā)電機此次消缺案例為下次修訂《汽輪發(fā)電機繞組內部水系統(tǒng)檢驗方法及評定》等相關標準時是否修改其偏差范圍提出了思考。

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[2] JB/T 6228-2014. 汽輪發(fā)電機繞組內部水系統(tǒng)檢驗方法及評定[S].北京: 機械工業(yè)出版社, 2012.

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Chemical Purging for Stator Cooling Water System of 1000MW Turbo-generator

LI Haoliang1, PAN Jiannan1, LI Xiaogang1, ZOU Tongbin2

(1. Guangzhou Yueneng Power Technology Development Co., Ltd., Guangzhou 510075, China;2. Huaneng Power International Inc. Haimen Power Plant, Shantou 515132, China)

Aiming at the problem of the interpass temperature of stator bars and the water outlet pipe in a 1000MW turbo-generator, the paper analyzed the reason for the blockage of hollow copper wire in stator bar.This paper specifically introduced a set of pickling, activation, coating and other chemical purging process. With the help of chemical purging, the corrosion productof hollow copper wire could be removed from generator stator cooling water system, hence interpass temperature of stator bars would be decreased. All of these could ensure the safety and economicaloperation of the 1000MW tubogenerator.It is practical and economical.

turbo-generator; stator cooling water system; corrosion; blockage;chemical purging

TM307

A

1000-3983(2017)06-0005-05

2016-11-30

李浩良（1990-），2013年7月畢業(yè)于華南理工大學廣州學院電氣工程及其自動化專業(yè)，工學學士，從事電廠、變電站一次電氣設備高電壓試驗及故障分析工作，助理工程師。