发电机定子线棒堵塞治理与定冷水水质优化

关玉芳，楼新明，冯礼奎

（1.浙能兰溪发电有限责任公司，浙江 金华 321100；2.浙江电力试验研究院，杭州 310014）

1 发电机定子线棒堵塞现象

某600 MW发电机为东方电机股份有限公司引进日立公司技术制造，采用水-氢-氢冷却方式，即定子绕组直接水内冷，转子绕阻和定子铁心氢冷。机组于2006年4月投产运行，2008年7月开始出现发电机定子绕组层间温差偏高、定冷水流量下降现象，至2009年4月发电机定子绕组层间温差超过8℃，最大温差达10℃以上，定冷水流量由新投运时的90 t/h下降到83 t/h左右。为保持机组稳定运行，运行人员通过提高定冷水压力或在线反冲洗的办法，暂时将线棒的温差控制到8℃，但问题无法得到根本解决，在线冲洗效果越来越差。

根据上述现象初步分析认为定子线棒堵塞的可能性很大，2010年3月机组B修期间对发电机定子线棒进行割管检查，将运行中线圈层间温差最大的39号槽线圈出水端引水管接头割开，用内窥镜检查，发现上下层线圈的并头套内线棒端口处结垢严重，部分空心导线出水口堵塞面积近1/3，图1为39号槽上层线圈内窥检查情况。据此认定线棒空心导线堵塞是导致定冷水流量下降、定子绕组温差上升的主要原因。

图1 39号槽上层线圈内窥照片

2 线棒堵塞原因分析

对空心导线内的垢样进行成分分析，发现铜氧化物占80%以上，表明造成空心导线堵塞的物质主要是铜腐蚀产物，也反映出定冷水系统运行过程中铜腐蚀未能得到较好控制，铜腐蚀产物在部分空心导线内长期沉积导致通流面积减小。

定冷水系统自投运以来一直采用小混床旁路部分处理方式，最大处理量为定冷水流量的4%，小混床装填氢型阳树脂和氢氧型阴树脂，阳、阴树脂装填比例为1:2，定冷水箱为敞开式，未采取充氮或水封等密封措施，系统补水来自化学制水车间除盐水箱，除盐水pH值一般在6.2～6.8之间。在这种处理方式下，定冷水系统长期在低pH值、高溶氧的水质条件下运行，自投运以来定冷水水质基本保持在pH值低于7、铜离子10～20 μg/L、电导率小于0.2 μs/cm的水平，虽然铜含量和电导率满足DL/T 801-2002《大型发电机定冷却水质及系统技术要求》规定，但较低的pH值加上敞开式环境造成铜导线腐蚀依然非常严重。

铜腐蚀速率与水的pH值及溶氧量有关[1]，如图2所示。铜在含氧水中腐蚀产物为铜氧化物，一般情况下铜氧化物在铜的表面形成一层保护层，而随着腐蚀的进行，氧化层不断变厚并发生脱落。铜的腐蚀速度主要取决于水的含氧量和pH值，含氧量在200～300 μg/L范围内，铜的腐蚀率最大。在含氧水中，pH值为8～9时铜的腐蚀速率很低，铜腐蚀速率基本不受溶解氧的影响。降低pH值，铜腐蚀速率上升，特别是pH值小于7时，随着pH值的降低有大幅度的增加，而在pH值大于9时，铜腐蚀速率也重新上升。在低pH值条件下，定冷水敞开式环境使CO2进入冷却水中加剧了铜的腐蚀，在CO2和氧的联合作用下氧化铜保护膜被破坏，生成疏松易剥落的碱式碳酸铜。

图2 铜的腐蚀速度与水的pH值及水中溶氧含量的关系

图3所示为不同pH值条件下氧化铜溶解度与温度的关系[2]，在pH值小于8.2、温度低于64℃范围内，氧化铜溶解度随温度上升而下降。发电机运行过程中冷却水从进水到出水是一个温度上升过程，运行温度一般在20～70℃之间，因此定冷水在发电机空心导线内随水流方向氧化铜的溶解度是不断下降的，这导致在温度较高的出水端容易发生氧化铜的析出和沉积。由此可见，定冷水系统长期在低pH值、敞开式环境下运行应是造成定冷水系统铜腐蚀，并最终导致线棒阻塞、定子绕棒超温的主要原因。

图3 氧化铜溶解度与水的pH值及温度的关系

3 线棒堵塞的治理措施

对已堵塞线棒的治理无外乎物理与化学2种方式，物理方式即通过正、反向水冲洗或气体吹扫方式清除堵塞物，此方式可以清除小颗粒异物和疏松腐蚀产物，化学方式即通过化学清洗方式将沉积在线棒内的腐蚀产物溶解清除。

发现线棒有超温现象后采取水冲洗措施来维持机组正常运行，此方式在初期起到了较明显的效果，但随着机组运行时间延长，水冲洗效果越来越差，这主要是因为线棒内致密的腐蚀产物沉积越来越多，物理方式已不能起到清除积垢恢复通流面积的效果。经过充分讨论及调研，最终决定在机组停机期间通过化学清洗方式彻底清除定子线棒内沉积物，恢复所有堵塞线棒冷却水通流能力。

化学清洗采用了铜专用清洗剂，清洗后使用保护液冲洗至洁净，酸洗时间为3 h，酸洗腐蚀指示片腐蚀速率 0.12 g/（m2·h），根据清洗系统容积和平衡后的铜离子浓度计算被清洗下来的氧化铜总量大约为1 092 g。

图4为化学清洗前后的发电机定子各线棒流量测试对比情况。定冷水系统清洗前各线棒间流量均匀性很差，最高流量高于平均值14.19%，最低低于平均值31.58%，偏差值的绝对值平均为7.56%，特别是34—39号线棒，流量低于平均值20%以上。清洗后各线棒流量偏差绝对值的平均值降至2.94%，最高流量高于平均流量6.17%，最低流量低于平均值7.11%，34—39号线棒流量偏差绝对值也大幅缩小到6%以内，清洗后的定冷水总流量较清洗前明显增加，基本恢复到机组投产初期水平。清洗前后的数据对比表明，化学清洗使定子线棒通流状况得到很大改善，各线棒流量均一性更好，化学清洗达到预期目的。

图4 化学清洗前后的发电机定子各线棒流量测试数据

4 定冷水水质调整优化

采用化学清洗的方法虽可暂时去除线棒内的铜腐蚀产物，但由于原定冷水处理方式下铜线棒处于较强的腐蚀氛围，若不采取水质调节措施，在经历一段时间的运行后，同样的线棒堵塞现象可能会再次发生。根据铜在水中的腐蚀电位图和铜的腐蚀速度与含氧量及pH值的关系，控制定冷水系统铜的腐蚀途径有2条：一是调节pH值至碱性，二是使系统贫氧运行，或者双管齐下同时控制pH值和含氧量。pH值调节方法中，有采用加入含氨凝结水来提升定冷水pH值的，但由于氨对铜的影响，此方法并未普遍采用，目前普遍采用的方法有碱化树脂处理法和加氢氧化钠法，而要使系统贫氧运行，则必须采用定冷水箱氮封法。

该机组采用了定冷水箱充氮密封法及相对简单的碱化树脂处理法——单床离子交换微碱化，即利用原有的离子交接设备，将原来的RH，ROH氢氧型混合树脂用RH，RNa型和ROH型混合树脂替换，其反应机理：定冷水中有一定浓度的铁、铜等阳离子（μg/L级），只要RNa和ROH未失效，就能将交换能力位于Na+以前的杂质离子不断转化为Na+，其他阴离子（离子交换顺序位于OH-以前）不断被转化为OH-，从而间接产生了微量的氢氧化钠，因此只需要微量的铁、铜等杂质离子，就能将pH值升高到微碱性，从而起到减缓铜线棒酸性腐蚀速度的作用。离子交换过程如下：

式中：M为铜、铁、铵等阳离子；n为阳离子电荷数。

式中：A为氯、碳酸氢根等阴离子；k为阴离子电荷数。

碱化树脂投入使用后，定冷水系统的电导率由0.1 μs/cm以下逐渐上升到0.43 μs/cm，pH值由投运前的6.8上升至7.9，铜离子查定结果比碱化处理前大幅降低，铜含量变化如图5所示。

图5 树脂更换前后定冷水系统铜离子含量变化

从碱化树脂使用前后定冷水水质变化情况来看，碱化树脂对提高定冷水pH值是有效的，而在碱性环境中定冷水系统铜腐蚀情况也确实比在中性环境中要好，使用碱化树脂的定冷水处理方式达到了预期效果。

5 结论与建议

发电机定子线棒堵塞导致线棒超温是发电机安全运行的重大隐患之一，而在发生线棒堵塞的案例中，绝大部分是因为定冷水系统铜腐蚀控制不力造成的，铜腐蚀产物在定冷水系统特定的磁场和温度环境中容易在空心导线内沉积，由于空心导线的通流面积非常小，即使很少量的沉积也会影响到线棒水流的分配，使线棒超温和线棒间温差上升。

对以铜为空心导线材质的发电机，其定冷水系统铜腐蚀的防控必须从严要求，水质不能仅按照满足国家电力行业标准（DL/T 1039-2007）中铜离子含量小于40 μg/L标准来执行，而是要从根本上控制铜的腐蚀，如调节内冷水至碱性环境，或保持定冷水贫氧运行。

对因腐蚀产物沉积造成线棒堵塞的定冷水系统，采用化学清洗方式恢复线棒通流能力是可行的，目前的清洗技术能够将铜腐蚀速率控制在极低的水平，短时间的清洗对空心导线的减薄微乎其微。但对定冷水系统化学清洗，除了必须通过试验选择腐蚀速率最低的酸洗剂和缓蚀剂外，对于有严重腐蚀坑或空心导线厚度明显减薄的机组必须慎重考虑。

[1]孙本达.马智敬.超超临界机组发电机内冷却水运行中存在的问题及处理[J].热力发电，2009（1）:96-98.

[2]张警声.发电机冷却介质[M].北京：中国电力出版社，1995.