汽轮发电机定子冷却水防腐问题研究

范 瑾

（国能榆次热电有限公司）

0 引言

1 案例概况

以某机组改造项目为例，针对其中汽轮发电机定子冷却水防腐问题进行研究。案例机组自投产运行以来，定子冷却水的рH值始终偏低，经过进一步检测发现，含铜量超过了200μg/l，不符合相关规范要求。最初企业为保障冷却水中铜含量达标，采取换水的方式进行处理，但是换水量巨大，需要消耗大量水资源，极大地增加了系统运行成本。后又采取了旁路离子交换法，并结合系统实际情况，调整了交换树脂的阴阳离子占比，虽然冷却水当中的铜含量有所下降，但рH值仍然无法达到标准要求，这表明该处理方式的效果不理想，系统仍然存在铜导线腐蚀情况。

2 汽轮发电机定子冷却系统

2.1 定子冷却水路结构

定子冷却水路结构如图1所示。绕组部分是由定子线棒连接，每根线棒由若干实心和空心铜线组成，其中空心铜线主要用于通水，以冷却定子线棒。实心铜线与另一根线棒的实心铜线对弯后焊接［1］。水电接头通过绝缘引水管与汇流管相连，再连接外部水路，以此构成定子水路冷却系统。定子绕组为双层结构，距离冷却水出水口最近的风区，两根线棒之间设置测温元件，用以测定上下层线棒的平均温度。

图1 定子冷却水路结构示意图

2.2 传热的基本方式

汽轮发电机的主要传热方式为热传导和对流换热，辐射换热占比较少，甚至在特殊情况下可忽略不计。

传导散热指的是不同温度物体互相接触，在微观粒子运动之下，发生能量交换，热流总是从高温向低温方向流动的。电机当中的热量交换多发生在固体壁面，传递热量大小的计算公式如下：

式中，Q表示传递的热量；k表示传热系数；A表示传热面积；△T表示温度差。

对流散热过程中，流体质点发生相对位移，将热量从温度较高的位置传递到温度较低的位置。此类传热方式多发生在流体与固体之间，受到流体运动、流动状态以及物理性质的影响。换热量可用如下公式表示：

式中，Q表示换热量；α表示对流换热系数；A表示换热面积；△T表示流体与壁面温差平均值。

辐射散热是通过电磁波传递能量的方式进行热交换。在发电机当中，定子铁心与线圈、冷却水冷却定子之间，存在两种换热方式，分别是对流换热和辐射换热。

3 汽轮发电机定子冷却水腐蚀原因分析

结合案例实际情况展开分析，造成发电机定子冷却水腐蚀的主要原因是，定子冷却水并未处于完全密封的状态之下，导致空气当中二氧化碳和氧气溶于水，使得铜导线遭到腐蚀。根据相关研究可知，定子冷却水中铜导线的腐蚀速率与水中的含氧量有着密切的关系，也会受到冷却水рH值的影响。当水中含氧量处于200~300μg/l时，铜导线腐蚀速率最快；而且铜导线的腐蚀速率会随着рH值的升高而逐渐降低，当рH值达到8.5时，腐蚀速率最慢，当рH值达到9时，腐蚀速率又会逐渐增高［2］。若冷却水系统密闭性良好，空气当中的二氧化碳和氧气无法进入到导线内部被冷却水吸收，那么冷却水当中的氧气含量和рH值将会处于稳定状态，在铜氧化膜的保护下，将不会发生铜导线腐蚀情况。但在实际系统运行的过程中，无法彻底保障冷却水处于密闭环境中，因此，难以避免会出现腐蚀情况。

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4 汽轮发电机定子冷却水防腐策略

4.1 冷却水处理

结合案例项目实际情况和特点，频繁换水这一方案成本以及操作复杂程度都相对较高，因此从旁路离子交换除盐法角度入手，在其中加入Nа型、H型阳树脂，以及OH型阴树脂的方式，对冷却水进行处理，并结合实际情况调整不同阴阳树脂的比例，将其放入离子交换器。经过实验发现这种冷却水处理方式有着较好的应用效果，能够在降低铜离子含量的同时，实现对于冷却水рH值的有效控制，使其达到7以上，满足相关标准要求。根据上述原理，冷却水处理主要包括以下几个步骤。

（1）Nа型、H型阳树脂，以及OH型阴树脂比例调整。为提高冷却水处理效果，合理控制不同树脂比例，需要展开多次试验，并从中选取最佳配比。此次试验选用的是开放性除盐水作为水源。经试验，得到的水样рH值分别为7.12、7.18、7.36、7.47和7.52，最终选择了рH值提升最大的一组树脂比例。

（2）按照上述试验方法，使用凝结水精处理混床出水，取代除盐水水源，再次对水样рH值以及电导率进行测试，得到的实验数据如表1所示。

表1 凝结水精处理后的试验结果

（3）根据上述试验结果，准备树脂混合剂。将处理好的Nа型、H型阳树脂，以及OH型阴树脂，按照一定比例均匀混合，然后装入离子交换器当中，在此过程中，值得注意的是，应避免出现树脂分层情况。

（4）使用除盐水作为补充水源，然后将装有树脂的离子交换器投入到冷却系统当中，并在此过程中，检验冷却水的рH值、电导率、溶氧量以及铜离子含量。经检验，发现，冷却水的рH值有所提高，而且电导率相对较低，溶氧量也得到了有效改善。在此情况之下，铜导线内部会形成相对稳定的保护膜，并且冷却水腐蚀效果较小，整体腐蚀速率有了极大的改善，在维持系统稳定长期运行方面能够起到良好的作用效果［3］。

4.2 运行监督

为实现对于汽轮发电机定子冷却水腐蚀问题的有效预防和及时处理，需要在旁路离子交换器的运行过程中，采取有效监督措施，避免设备失效，实现对于冷却水的长期处理，保障冷却水处于稳定状态之下，避免铜导线腐蚀。对此，需要在交换器出口安装在线电导率表，以此实现对于冷却水电导率的长期监督和测控，以便相关工作人员观察设备运行状态，以及冷却水处理效果。在此过程中，一旦发现电导率达到25℃ 0.5us/cm时，则可能是由于树脂失效导致的。此时，需要进行体外再生，并重新配置添加剂装入交换器，以此确保交换器作用能够得到有效发挥，避免加剧铜导线腐蚀问题。

4.3 定期冲洗

在汽轮发电机定子运行的过程中，空心铜线内表面遭受腐蚀后，还会出现结垢情况，堵塞线棒。因此，在实际预防铜导线腐蚀问题时，还应定期进行冲洗，处理掉铜导线内部表面腐蚀部位，解决线棒堵塞问题，确保冷却系统得以正常运转。常用的清洗方法主要包括物理清洗和化学清洗两种。

物理清洗方法主要包括以下措施：（1）正反冲洗，冷却系统长期运行过程中，冷却水沿着固定方向流动，可能会加剧转角、缩口等位置的腐蚀结垢情况，对此，需要通过正反冲洗的方式，多次改变水流方向，将污垢冲洗干净；（2）水锤冲洗，向冷却系统当中注入除盐水和高压氮气，再突然泄压，加快水流速度、增大冲击压力，实现对于导线内容的有效清洗。

但物理清洗方法也存在一定局限性，只针对小颗粒物质或者疏松杂质有着较好的祛除效果，对于致密性较强的腐蚀结垢情况，其清洗效果不尽如人意，尤其是转角位置的腐蚀结垢，因此，需要进一步采用化学清洗方式，清除腐蚀结垢。

化学清洗的主要原理是通过酸与腐蚀物之间发生化学反应，达到清理腐蚀产物的效果，为实现对于空心铜导线的有效保护，还需要在完成化学清洗之后，使用活化剂调控冷却水的рH值，并实现对于铜线表面的氧化活化处理，形成氧化膜。在实际采用化学清洗方式的过程中，应注意清洗介质要具有充足的溶解能力，能够实现对于腐蚀结垢的有效处理，但同时不会对设备造成不良影响。结合案例项目实际情况，发现空心线棒等具有良好的耐腐蚀性，在复合酸溶液中浸泡3h后，其腐蚀影响较小，可忽略不计，因此，在展开化学清洗的过程中，运用复合酸是不会对设备造成影响的［4］。

化学清洗包括正冲洗和反冲洗两个回路，需要分别从空心线棒正、反方向进行冲洗，冲洗回路如图2、3所示。在实际展开化学清洗前，需要对冲洗药品、仪器等进行检查，确保其符合冲洗要求，确保清洗滤网无杂质，同时要求清洗系统与非清洗系统之间进行有效隔离，避免清洗液污染数值，并对加热器、测量表计等进行有效隔离，检查冷却系统无漏点问题。

图2 正冲洗回路

图3 反冲洗回路

化学清洗的主要步骤如下：（1）做好准备工作，将清洗用的相关设备用除盐水洗净，并安装好相应管道，检查设备隔离情况，确保系统得以正常运转，将水箱水位控制在中间，通过边补水边排放的方式，将系统电导率控制在2μs/cm以下，关闭排水阀门。（2）展开酸洗，关闭冷却系统，并将冷却水压力控制在0.31MPа左右，然后放水，并向培养箱补水，将药品充分溶解，将药液注入冷却水系统，展开酸洗，期间加强对于溶液酸度，以及冷却水温度的控制，每次冲洗时间在1h左右，正反冲洗循环交替进行。并根据实际铜离子含量，确定酸洗时间，确保铜离子浓度稳定后，方可结束酸洗操作。（3）打开排液口，将酸液排放到再生废水池中。（4）完成酸洗后，进行水洗，先正洗10min，再反洗10min，最后排除清洗水，反复操作三次后，同时打开排液口，和补水门，采用边排边补的方式冲洗，并在冲洗时测量冷却水рH值，当рH值在5以上时，可结束冲洗操作。（5）将活化液注入水箱，并进行冲洗，然后注射镀膜液，再进行重洗，最后恢复系统。

5 结束语

综上所述，汽轮发电机定子冷却水防腐，是保障冷却系统正常运转，支持发电机稳定、安全运行的重要环节。造成冷却水腐蚀的主要原因在于内部密封性不佳，使得二氧化碳和氧气溶于水，为铜导线的腐蚀创造了环境。因此，在实际展开防腐处理的过程中，一方面，应从腐蚀原因角度入手，通过将H型阳树脂、Nа型阳树脂和OH型阴树脂按最佳比例进行混合，处理冷却水，以此实现对于冷却水рH值以及电导率的有效控制，同时还应采用相应监控措施，监督离子交换器运行情况，一旦电导率超出限值，需要优先考虑树脂失效情况，并更新交换器内部树脂，保障铜导线防腐效果。除此之外，还可以通过定期冲洗的方式，处理由于铜导线腐蚀引起的结垢以及堵塞问题，保障冷却系统始终处于良好运行状态。相信随着对冷却水防腐问题的深入研究和实践探索，汽轮发电机运行状态将会得到进一步提升。