大型发电机定子冷却水水质劣化问题探讨

商桐友

（华电国际邹县发电厂，山东邹城 273500）

0 引言

由于水内冷发电机具有单机容量大、体积小、重量轻等优点，发电机的定子绕组水内冷技术广泛应用在大型发电机中。在实际运行中发现，发电机的定子冷却水主要存在电导率偏高、pH 偏低、铜离子含量高等常见问题，是造成定子冷却水水质不合格的主要原因。以某635 MW 机组为例，结合生产中出现的实际问题，摸索解决定子冷却水水质劣化的处理办法。

1 系统概述

某635 MW 机组发电机由日本日立公司和中国东方电气集团公司联合设计、联合制造的水-氢-氢冷却式同步交流发电机，额定出力635 MW。发电机定子绕组采用水内冷方式，研究发现采用水冷方式的效果远远优于氢气冷却效果。这种方式绕组的导体一方面充当导电回路，另一方面又作为通水回路，通过空心铜管内冷却水带走定子线棒运行中产生的热量，实现冷却的效果。定子冷却水系统主要有：定子冷却水泵、水箱、温控阀、压力控制阀、冷却器等主要设备。系统配备2 台定子冷却水泵，正常运行中一台保持连续工作，另一台作为备用泵，并且定期切换。定子冷却水泵用来将定子冷却水升压送入冷却器，流经温控阀、压力控制阀，将工作水控制在合适的进水温度和压力后，进入发电机冷却定子线棒，实现冷却效果。热量交换完成后的水，重新返回水箱，完成一次闭式循环。

2 问题

电力行业标准DL/T 801—2010《大型发电机内冷却水质及系统技术要求》规定：电导率0.4～2.0 μS/cm，pH 值8.0～9.0，含铜量≤20 μg/L，溶解氧≤30 μg/ L。为提高系统运行安全性，某635 MW 机组在实际运行中制定了更加严格的水质标准：电导率控制标准为0.4～1.5 μS/cm，pH 值控制标准8～9，铜离子控制标准≤15 μg/L。可以看出，发电机内冷水最主要的三项水质数据是电导率、pH 值和铜离子含量。在发电机长期运行中发现，定子冷却水水质有劣化趋势，普遍存在电导率高、pH 值低、腐蚀产物铜离子超标等问题。

3 原因分析

通过实际运行经验可以发现，电导率高、pH 值低和铜离子超标等问题并不是单一存在的，有时会同时出现多种水质问题，探究出不同问题的内在联系，有助于彻底解决水质劣化问题。

3.1 铜离子含量与pH 值关系

通过查看Cu-H2O 体系电位—pH 平衡图（图1）可知，Cu 的热力学免蚀区与H2O 的热力学稳定区有一部分是重叠的，说明在pH≥7.6 和有氧化剂存在时，铜表面形成的氧化物具有稳定性，可以实现保护铜基体的效果，即铜离子含量与pH 值呈反比关系。

图1 Cu-H2O 体系电位—pH 平衡

水内冷发电机最大的问题是铜导线的腐蚀，铜导线的腐蚀会引起冷却水中铜离子含量增加、冷却水电导率上升，导致发电机泄漏电流增加、绝缘性能下降等问题。通过铜离子含量与pH 值的反比关系可知，提高pH 值可有效降低铜离子含量。研究发现pH 值7～9 时，铜腐蚀速率最低。内冷水pH=7 时，铜腐蚀速率随水中溶氧量变化而起伏较大，pH 达到8 时，铜腐蚀速率随水中溶氧量变化而起伏的程度大幅减弱，pH＞8 时，铜腐蚀速率趋于稳定。因此，实现内冷水pH 值的精准控制，即可抑制发电机铜腐蚀问题。

3.2 电导率与pH 值之间的关系

pH 值偏低，内冷水酸性增强，与发电机铜导线发生化学反应，引起冷却水中铜离子含量增加，使定子冷却水的电导率增大。如果定子冷却水pH 值过高，同样会造成碱性腐蚀，引起定子冷却水铜离子超标，导致电导率上升。一般在pH 值为7～10时，铜离子区域稳定，电导率相对较低。

3.3 内冷水系统问题

（1）发电机内冷水系统有两路水源供给：凝结水和除盐水。由于凝汽器的渗漏现象会导致内冷水电导率超标，一般只采用除盐水作为系统补水。除盐水补水管路长，系统严密性问题会导致空气中二氧化碳、氧气溶入定子冷却水中，引起pH 值降低，铜离子含量增加，电导率增大。

（2）系统内漏。例如定子冷却水冷却器泄漏，导致水质劣化。

（3）定子冷却水离子交换器树脂失效导致电导率增加。

（4）除盐水水质不合格造成内冷水水质劣化。

（5）仪表测量不准确。仪表设备长期运行准确性降低。

（6）系统检修、更换管道部件等设备后冲洗不完全，将杂质引入内冷水系统。

4 处理措施

（1）优化密封条件。为保证除盐水管路的严密性，管路设计上尽量减少管道行程，全面排查管道、阀门等节点部位密封不严问题。为防止定子水箱密封不严，可考虑在定子冷却水箱上部设置充氮密封，水箱上部空间保持微正压，使定子水箱内的水与空气隔绝。

（2）定期组织定子冷却水系统查漏工作，消除系统内漏隐患。可通过经验数据比对、限时计算补水量与排水量的差值等方法查找是否存在漏点。

（3）定期检查定子冷却水离子交换器树脂是否失效。根据离子交换器进水和出水电导率情况、离子交换器压力损失情况、树脂观察窗检查情况判断树脂是否失效，避免树脂失效运行，保证离子交换器出水电导率在允许范围内。

（4）保证除盐水补水合格率。在定子水箱补水前，冲洗补水管路，化验补水水质合格后方可进行补水。

（5）校验在线仪表精度。定期检查、校验仪表，跟踪化验水质，比对人员实测数据与在线测量数据，调节仪表准确度，保证内冷水质合格。

（6）除盐水或内冷水系统检修时，如果出现设备更换、管道焊接等处理方式，需要完全冲洗干净，化验管路出口水质合格后，方可投入系统运行。

（7）增加内冷水微碱化装置。通过在定子水系统中加装SL-6 型第六代发电机内冷水微碱化膜处理装置，解决发电机线棒的腐蚀等问题，降低内冷水中铜离子含量。

SL-6 型内冷水微碱化膜处理装置采用类石墨烯膜微碱化处理技术，可以去除内冷水中的离子态铜、固态铜、机械杂质及不溶物，保留有益的碱性离子，避免因水中杂质问题造成的发电机铜导线堵塞、冲击腐蚀等隐患。同时可以去除内冷水中大分子量物质，辅助降低电导率，大幅度延长离子交换树脂的运行时间。利用离子交换树脂吸附水中其他的阴阳离子，与此同时，再通过微碱化技术向内冷水释放微量的碱性物质。

5 实施效果

实施一系列改善措施后，定子水水质得到提高，水质平稳、合格，电导率长期稳定在0.5～0.9 μS/cm，内冷水pH 得到有效提高，均维持在8～9，铜离子含量较之前降低效果明显，基本稳定在7 μg/L 以下，完全符合电力行业标准中对大型发电机内冷水质的要求，保证了内冷水水质安全、优标，保护发电机安全。

6 结束语

发电机内冷水水质直接影响发电机的安全稳定运行。总结机组长期运行规律，不断摸索控制内冷水水质在合适范围内的方法。加装内冷水微碱化膜处理装置后，结合优化水质、系统查漏、设备校验等工作，将内冷水pH 值、电导率、铜离子含量控制在允许范围内，保证内冷水系统安全稳定运行。