干冰清洗技术在水电站机组检修中的应用

陈明辉

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 引言

广州抽水蓄能电厂（以下简称广蓄电厂）位于广州市从化区境内，距广州市120 km，广蓄A、B 厂总装机容量为2 400 MW（8×300 MW），其中A 厂(一期工程)装机容量为1 200 MW（4×300 MW），于1994 年全部建成投产。广蓄B 厂(二期工程)装机容量为1 200 MW（4×300 MW），于2000 年全部建成投产。2020 年10 月份在进行B 厂5 号机组A 级检修过中，对发电机定子绕组清洗过程中，首进引进了干冰清洗技术，改变了传统的清洗工艺手段，不仅在清洗效率上有了非常大的提高，而且在清洗质量上也达到了理想的效果。

2 工作原理

干冰清扫又称为干冰冷喷射清洗，是利用干冰（CO2）对相关设备表面进行清扫服务，以去除附着在设备表面的油污、灰尘等污染物。干冰清扫是在不改变被清除设备表面化学特性的条件下，通过干冰清洗机将干冰颗粒进行分解后，以压力喷雾状的方式覆盖急冻被清除物，低温接触使污染物形成微裂纹，雾状干冰通过裂缝进一步进入内表面并迅速膨胀，达到分解效果，最终迫使被清洗物剥离附体。

最后阶段的干冰颗粒已经转化为在污染物表面下迅速膨胀的无害CO2气体。然后将污染物重新定位，通常落在地面上，由于干冰蒸发，因此只需处置污染物。

图1 干冰清洗原理图

3 干冰清洗设备构成

图2 干冰清洗设备系统图

3.1 干冰清洗机

干冰清洗机的工作原理与喷钢砂、喷塑料砂相似，在干冰清洗作业时使介质干冰颗粒在高压气流中加速，通过喷嘴喷出，冲击待清洗表面。目前市面上已经有较成熟型号的干冰清洗机，根据每小时的干冰消耗量的大小，价格在几千元至几万元之间不等，采购可结合平时清扫时的工作量来选择具体型号。一般干冰消耗量在（0~25 kg/h）可基本满足水电站机组检修清扫使用。

3.2 干冰材料

干冰作为一种即时消耗品并不能进行长期存储，因此对于清洗时需要使用的干冰可以采取两种方式：一是将液态的CO2放入干冰造粒机，即可获得干冰；二是直接从供货商处购买。水电站机组检修干冰材料由于需要量不是很多，建议直接购买成品，干冰储存于泡沫箱内一般可以保存2~3 d 左右，放专用干冰保温桶可保存6~10 d 左右。直接采购的干冰价格大约在5 元/kg 左右。

3.3 空气压缩机

干冰清洗设备跟许多工业清洗设备是一样的，除了清洗设备本身，还需要空气压缩机进行动力的提供。空气压缩机的选用型号取决于干冰清洗机技术说明书上要求的压缩空气供应量，压缩空气要求清洁、无油、干燥、无异物，所以最好用无油的空气压缩机，如果是螺杆式的，可以在外面加一个滤油器。

3.4 干冰机喷嘴

喷嘴是干冰清洗系统中的关键部位之一，其作用是改变气、固两相流体的运力和动力特性。在喷射过程中，喷嘴的结构、气流的超音速自由喷流流场、颗粒的密度等参数对气、固两相流的动力特性都有影响。针对不同的清洗部位可以选择不同外形的喷嘴，特殊结构的部件可以通过定制特殊外形的喷嘴。

图3 干冰机喷嘴型式

4 干冰清洗在机组检修中的优势

（1）对于机组检修中有电气绝缘性能要求的结构部件，比如发电机定子绕组、发电机转子的磁极绕组等结构部件，采用干冰清洗技术，不但能有效清理附着于绝缘表面的油污、灰尘等，而且能确保不破坏这些设备的绝缘层。

（2）对于机组检修中常规的结构件清洗，如空气冷却器、金属构件接合面表面、管路内壁、气罐内腔等表面，去除表面的油污、脱落的油漆、铁锈部位，采用干冰清洗技术，能够有效快速的清理部件的各个部位，达到较好的清洗效果。

5 发电机定子与转子采用干冰清洗的优点

5.1 清洗材料对比

传统的清扫方式：需要使用清洗剂和酒精，都属于化学试剂，对环境有污染，清洗材料对机组绝缘有腐蚀作用，清洗材料对人体有害。

干冰清扫方式：需要使用干冰材料，干冰的特性是由固态直接到气态CO2，对环境没有任何影响、CO2直接清扫，不会腐蚀机组绝缘。清洗过程中的气化的CO2非常少，对人体无害。

5.2 清洗方式及清洗效果

传统的清扫方式：需要人工做好防护，使用棉布等清洗工具进行清洗。清洗后会形成大量的工业垃圾（带腐蚀性化学试剂）。狭小施工空间无法清洗，如定子绕组清扫基本上只能清扫到60%~70%的区域。清洗后，被清洗区域会有粘附溶剂，本身对设备的运行有影响，清扫无法达到预期效果。

干冰清扫方式：清洗完成后，不会形成任何工业垃圾。狭小空间几乎不影响清洗效果，基本上能做到全面清扫。对于设备清扫，表面没有任何遗留物。

5.3 时间及人工投入

传统的清扫方式：不仅需要投入较长的时间，占用检修关键线路直线工期，而且需要投入大量的人力。

干冰清扫方式：施工时间非常短，清理快，只需要几个经过培训的专业清洗工和无污染的干冰材料。

5.4 施工风险

传统方式：大量人员施工，交叉作业等，安全风险大，风险可控性差清洗剂都属于易燃物质清洗后的垃圾处理非常困难，污染环境。

干冰清扫方式：没有交叉作业，专业人员操作施工，风险可控性好，不属于易燃物质，无清洗后的垃圾污染环境。干冰清洗设备是采用自身的部件形成高压压缩空气，碎化干冰喷出，利用干冰从固态到气态的直接转化特性（没有液态）。并且是专用器皿包装，现场施工只需要防止接触人员皮肤冻伤及噪音防护外，没有其他风险，施工工艺非常环保，没有任何化学有毒物质产生，不会对环境造成污染。

6 干冰清扫注意事项

从清洗方法本质上来分析，清洗方法的第一原则是既要确保被清洗设备的基本性能不被破坏，又要达到清洗的目的。干冰清洗技术也要遵守这个原则。而干冰清洗是将干冰颗粒分解后以压力雾状方式喷射到设备的表面，设备表面必然要承受一定的风压，如果设备表面硬度差，不能承受一定的风压，则不能采用干冰清洗技术。

同时干冰清洗过程中会产生高分贝的噪音，因此在整个清洗过程中，操作人员及靠近清洗区域的人员需要正确配戴耳塞、耳罩等护耳设备。

7 案例运用情况

7.1 在机组A 级检修中的应用

水电站机组A 级检修过程中，定子与转子的清扫工作是必须进行的，受限于这些设备的结构特性，部分位置的清扫效果不理想甚至无法完成。特别是定子绕组端部的斜边垫块缝隙，定子铁芯通风槽、转子磁极绕组、转子磁轭通风槽等部位，由于空间狭小，普通的清洗手段不仅效率不高，而且基本上无法达到满意效果。发电机设备的清洗需要一种新型的清洗手段来完成，2020 年10 月份广蓄电厂在进行B 厂5 号机组A 级检修过中，对发电机定子绕组上下端部清洗过程中，首次引进了绝缘干冰清洗技术，由专业化的干冰技术清洗公司进行。

考虑到广蓄电厂采用干冰清洗发电机定子绕组的方式属于首次应用，干冰接触到定子绕组表面，是否会造成其绝缘外层防晕材料和绝缘性能下降。清洗公司承诺干冰清洗对发电机定子绕组的电气绝缘性能不会改变，他们也有过很多成功的案例。广蓄5 号机组A 级检修项目组决策领导为了慎重起见，在干冰清扫全面投入使用前，专门拿一根定子绕组备品线棒进行干冰清洗的试验，通过测试备品线棒清洗前后的绝缘、直流耐压及泄漏电流试验，备品线棒的绝缘性能没有发生明显变化。

B 厂5 号机组定子绕组上下端部清洗，干冰清洗时间3 人/1 d 完成，较以往采用人工清洗方式，清洗时间上大大缩短，以往采用人工清洗的方式至少要安排8 人/4 d 完成。而且采用人工清洗的方式，很多定子绕组的背面、下层线棒人工清洗工具不能到达的区域，采用干冰清扫的方式都能很好的完成，总体清洗的效果比采用人工清洗的方式要提高很多。

5 号机组定子绕组上下端部整体清洗结束后，进行了定子直流耐压及泄漏电流试验。对比试验前后数据，定子绝缘性能在干冰清扫前后未发生明显变化。

图4 干冰清洗发电机定子绕组

7.2 在机组紧急抢修中的应用

2021 年10 月24 日21：15：00，广蓄电厂8 号机组发生一起因监控系统程序设计不完善导致机组从零转速到额定转速升速过程中机械刹车误投入，造成广蓄8 号机组刹车片磨损后产生的粉末污染了发电机定转子的紧急缺陷。由于发电机定子与转子的间隙仅50 mm 左右，采用传统的人工清洗方式基本无法进行，必须将转子的磁极全部拆除后才有可能完成，发电机转子磁极的拆卸与回装将耗费大量人力和时间，初步排列整个清洗完成工期大概为28 d。

后经8 号机组抢修组研讨，决定紧急由干冰清洗专业公司采用干冰清洗方式进行清洗，采用一种合适大小的干冰喷嘴，让其能在发电机定转子空气间隙中上下移动，只要将干冰机的气管接长，就可以保证很好的对发电机定转子进行清洗。同时将发电机空冷器拆卸下来，也采用干冰清洗的方式进行。

由于采用干冰清洗技术，省略了转子磁极拆卸与回装的直线工期，为本次8 号机组提前并高质量的完成故障修复奠定了重要的基础。最终8 号机组故障的抢修，从发现故障到完成清扫交回电网系统备用缩短至5 d。

图5 干冰清洗发电机空冷器

8 结语

通过以上两起干冰清洗技术在广蓄电厂发电机清洗中的运用案例分析，说明干冰清洗技术不仅能提升工作效率，而且能完成很多受空间限制，人工清洗无法完成的区域，在清洗效果以及保证电气绝缘性能上都是有可靠保证的。

但是目前干冰洗扫技术在国内水电站机组检修中的应用还未完全普及，一方面受限于目前干冰清洗主要由国内少数专业清洗公司进行，清洗服务收费相对较高，这在很大程度上制约了该技术的普及。另一方面干冰清洗这一节能环保的清洗技术，建议管理部门加大这一先进技术在水电行业机组安装与检修中的宣传、应用和推广，使其成为水电站安装与检修清洗中的一种常规方法。