发电机定冷水水质异常分析及控制措施

摘要：本文介绍了发电机定冷水的作用及水质要求和质量标准，并通过某厂异常情况分析，表明随着H2漏入发电机内冷水中的主要杂质气体CO2，是造成内冷水水质异常的原因，并提出水质异常时的处理思路以及针对故障原因提出解决措施。

关键词：定冷水;二氧化碳;电導率;铜离子;解决措施

一、概述

发电机定冷水又称发电机定子冷却水，简称定冷水。部分大型发电机定子和转子全部采用水冷却，也有的是定子用水冷却，转子和铁芯采用氢冷却的。发电机定冷水通常选用除盐水作为冷却水质，凝结水作为备用水源。除盐水纯度高，能够满足绝缘要求，但是pH值较低，一般在6.0～6.8之间，使得发电机定子线棒始终处于热力学不稳定区，根据Cu-H2O体系中的电位-pH平衡图可知：除盐水对系统有一定的侵蚀性，另据学术期刊介绍：铜、铁金属在水中遭受的腐蚀是随着水溶液pH值的降低而增大的。铜、铁在pH=8左右为腐蚀的钝化区[1]。凝结水的pH值高，能够一定程度的补偿定冷水的pH值，但是凝结水中的氨对铜具有非常明显的氨腐蚀，如果凝结水采用加氨处理的情况下就不适合作为定冷水的补充水源。

由于定冷水的pH低，使水中含铜量及电导率均在高限，腐蚀产物还可能在线棒的通流部分沉积，引起局部过热，甚至造成局部堵死，影响发电机组的安全运行。运行过程中水冷器的泄漏以及水冷器投运前未经冲洗或冲洗不彻底等都会使生水中的杂质进入定冷水系统，造成系统腐蚀和堵塞，定冷水的电导率过高，降低了发电机的绝缘性能，同样不利于发电机的安全运行。因此对发电机定冷水进行处理是十分必要的。

二、发电机定冷水水质要求及质量标准

2.1水质要求

发电机定冷却水应采用除盐水或凝结水。当发现汽轮机凝汽器有循环水漏人时，内冷却水的补充水必须用除盐水。[2]由于内冷水在高电压电场中作冷却介质，因此各项质量要求必须以保证发电机安全经济运行为前提。发电机内冷水水质应符合如下技术要求：

a.有足够的绝缘性能（即较低的电导率），以防止发电机线圈的短路。

b.对发电机铜导线和内冷水系统无腐蚀性。    c.不允许发电机内冷水中的杂质在空心导线内结垢，以免降低冷却效果，使发电机线圈超温，导致绝缘老化和失效。2.2 质量标准    根据GB/T12145-2016《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》发电机定子空心铜导线冷却水水质控制标准的规定，如下表。[3]

三、案例分析

3.1某厂发电机冷却系统概述

某厂#2发电机为QFSN-300-2型三相交流同步发电机，发电机采用水、氢、氢冷却方式，即定子线圈及其相组连接线、主引线、中性点引线及出线瓷套均采用水内冷，转子绕组、定子铁芯及其构件采用氢气冷却。主要冷却介质之一的氢气，由装在转子两端的浆式风扇强制循环，并通过设置在定子机座顶部汽、励两端的氢气冷却器进行冷却。

发电机的结构型式为密封式。定子铁芯由高导磁、低比损耗的无取向冷轧硅钢板冲制的扇形片叠压而成，每张冲片的两面均经绝缘处理。定子线圈由实心股线和空心股线编织而成，绕组槽内部分采用540?罗贝尔换位，以减小环流附加损耗。五分之一股线为空心股线。空心股线构成冷却线圈的水路。因此线圈本身的温度很低。定子绕组对地绝缘采用“F”级多胶云母带连续缠绕模压成型。绕组槽内部分的固定采用在上、下层线棒间放有中温固化适形材料，以使相互保证径向压紧的同时允许线棒轴向涨缩，以便适应调峰运行工况并满足事故状态下所要求的足够的刚度和强度。定子绕组总进、出水汇流管分别装在机座的励端和汽端，在出线罩内还装有单独的出水小汇流管。

定冷水系统中水泵从水箱内抽取冷却水、以冷却器、过滤器送往定子绕组，最后再回到水箱，形成一个回路。主水路冷却水的导电率运行是由离子交换器来控制的。由离子交换器、流量计组成的软化水回路旁路接于主水路冷却器出口和水箱之间。通过离子交换器的水量一般不超过主水路水量的8%～10%，软化后的水导电率为0.1～0.4?s/cm，从而维持冷却水的低电导率要求。当软化后水导电率高且不能维持冷却水导电率要求时，离子交换器可短时退出运行进行再生或更换。

发电机采用双流环式密封，通过轴颈与密封瓦之间的油膜阻止氢气外逸。

3.2定冷水水质异常情况

#2机组停机检修期间，10月21日10：30设备部电气专业要求投入#2机定冷水反冲洗运行8h反冲洗时间到后联系汽机专业检查定冷水出口滤网，滤网内有少量颗粒。

因需进行2号机组发电机氢系统检修工作（排氢口加装阻火器），21日19：00 开始#2发电机气体置换二氧化碳置换氢气，停止定冷水系统运行。23日09：33#2发电机二氧化碳置换氢气结束。

25日12：40检修工作结束，氢气置换二氧化碳。26日07点发电机氢气置换二氧化碳结束，投入定冷水及离子交换柱，检查电导较高3.7μs/cm且缓慢上升;09：10#2发电机补氢至250kpa，调整油氢差压及定冷水压正常，定冷水流量正常，因电导居高不下，停运定冷水系统运行，停运后将系统内存水放空后补至550mm后再次启动2A定冷水泵，电导仍较高10μs/cm。12：30联系化学手测离子交换柱进出口水质0.7μs /cm合格，要求设备部仪表班重新校验电导仪。13：00重新启动定冷水系统，进行串水，电导降至4.5μs /cm。

27日04：30检查定冷水系统电导突升至10μs/cm，离子交换柱出口电导突升至26μs /cm，停运定冷水系统，进行原因分析。10：28经排查较紧凝补水至凝结水注水门，定冷水系统离子交换柱出口电导下降至正常0.45μs/cm，对定冷水进行串水。15：00发电机入口电导0.67μs/cm，停止串水。化验定冷水系统铜超标61μg/L（标准 ≤20μg/L）、PH值6.3偏低。

28日机组启动后，因定冷水不串水情况下，电导持续缓慢上升及铜离子持续超标。安排进行串水保持水质的同时，进行原因分析。11月02日电导及铜离子逐步稳定并降至合格范围。

3.3原因排查分析

1、凝结水串水至凝补水系统，导致定冷水补水水源电导高。期间主要表现在26日22：24启动凝结水系统后，27日04：30检查定冷水系统电导突升至10μs /cm，离子交换柱出口电导突升至26μs /cm。

2、定冷水回水箱管入口位置过高，使没有封闭的水箱水位表面在回水的搅拌下与大气充分接触，大气中的CO2能够影响到定冷水PH值及电导率。实际检查回水箱管入口位置并不高，排除此项原因。

3、定冷水泵机械密封漏空气，机械密封搂入的空气在随泵体打水的过程，也会将空气中的CO2带入，同样会影响定冷水PH值及电导率。通过切换泵运行排除此项原因。

4、冷却器中闭式水漏入至定冷水。机组运行中闭式水电导1.2μs/cm，PH值为8.5左右，如有漏入，会影响电导，但不会使PH值降低。而实际化验定冷水系统PH值约6.3左右，排除此项原因。

5、定冷水中漏入H2影响。纯H2本身不会对定冷水的PH值及电导差生影响，但H2中杂质气体如空气及CO2气体却影响到定冷水PH值及电导率。在#2机组停机检修期间，发电机进行CO2置换H2。期间CO2漏入发电机定冷水系统，定冷水是纯水，缓冲性小，即使有少量CO2进入，也会使水的PH值急剧下降，使铜落入腐蚀区，铜表面的保护膜受到破坏，导致腐蚀。另外CO2還会与氧联合作用，使铜表面的氧化铜保护膜转变为碱式碳酸铜，在水流冲刷下易剥落，使水中铜离子含量增加。

四、定冷水水质异常控制措施

4.1定冷水电导高控制措施

（1）启动定冷水系统后（或机组正常运行时），检查发现电导超标，需安排进行串水，使电导降至合格范围。

（2）串水时，启动凝结水输送泵，利用凝补水经过离子交换柱往定冷水进行串水。

（3）串水期间，若发现离子交换柱出口及定冷水系统电导无下降趋势，需及时查找原因，具体如下：

a、检查离子交换柱出口及定冷水系统就地电导取样管回水门是否开启;

b、安排对定冷水补水、离子交换柱出口进行手测电导率。

如测量定冷水补水及离子交换柱出口电导率合格。为确保DCS/就地电导仪其中一个水样的真实电导率，可以关闭另一个电导率仪的取样门。原因为：定冷水系统就地两块电导率仪在系统串水操作时因取样排水互相串水，会造成测值不真实。

如测量定冷水补水水源（就地补水手动门前放水门处）电导率高，需分别测量凝补水电导率、凝结水电导率。以本次10月27日情况为例，测量凝补水电导率0.45μs/cm、凝结水电导率30μs/cm，可判断凝结水串至凝补水，安排对各相关可互串阀门（凝结水至定冷水补水门、凝结水至闭式水补水门、凝补水至凝结水注水门）进行较紧。其中较紧凝补水至凝结水注水门，定冷水系统补水水源电导26μs/cm下降至正常0.45μs/cm。正常启动凝结水系统时，按操作卡要求，需开启凝补水至凝结水注水门，待凝结水系统注水结束后关闭，启动凝结水系统，因此正常操作关闭注水门需确认已较紧。

4.2定冷水系统铜离子超标控制措施

定冷水系统投运后，化验系统铜离子超标，可进行如下处理：

（1）及时联系化学值班化验定冷水系统PH值，

（2）检查离子交换柱是否投运，如未投运及时投入。

（3）离子交换柱投入情况下，需确认树脂是否失效，具体方法为：

a、联系化验班及化学仪表班检修人员到场;

b、通知运行盘前监盘人员后，关闭离子交换柱出口、定冷水系统电导率仪取样门及回水门。

c、安排化学仪表班检修人员解开离子交换柱出口、定冷水系统电导率仪取样管法兰。

d、安排化验班分别对离子交换柱出口、定冷水系统电导取样管处取水样，并化验铜离子及PH值。

e、若化验离子交换柱出口铜离子合格，可判断树脂未失效。若铜离子超标且PH值与定冷水系统PH值较为接近，则通知检修更换树脂。

（4）确认离子交换柱树脂正常，定冷水电导在标准值范围内，暂不安排进行定冷水串水，保持离子交换柱并入系统循环运行，并确保流量调至最大，即900～1000L/h。

（5）检查定冷水电导接近标准值2.0μs/cm，用凝补水通过离子交换柱（离子交换柱流量调至最大，即1000L/h）向定冷水箱进行串水。串水至定冷水箱水质电导率与离子交换柱出水电导率接近时，停止串水。

（6）根据现场情况，重复（4）、（5）步操作，直至定冷水系统铜离子及PH值稳定在合格范围内。

五、总结

当CO2漏入发电机定冷水，使水的PH值急剧下降，使铜落入腐蚀区，铜表面的保护膜受到破坏，导致腐蚀。另外CO2与氧联合作用，使铜表面的氧化铜保护膜转变为碱式碳酸铜，使水中铜离子含量增加。由于H2还有还原作用，铜离子会在定子导线温度高的地方析出，形成不均匀镀铜现象，造成定子线圈同流面积减小，阻力增加，降低其冷却能力，造成发电机定子线圈温度升高。此外定冷水电导升高，会使定冷水电导性增加，绝缘性能下降，发生绝缘引水管闪络、定子绕组短路情况发生。

因此，机组正常运行中，需时刻关注定冷水水质。在发生水质异常情况下，及时分析原因并进行处理，同时需做好发电机各相关参数监视工作。

参  考  文  献：

[1] 谢学军，吕珂，晏敏，潘玲等，铜水体系电位-pH图与发电机内冷水pH调节防腐。《腐蚀科学与防护技术》，2007，19（3）：162-163

[2] 周世平，阮羚等，《大型发电机内冷却水质及系统技术要求》DL/T801-2010：1

[3] 曹杰玉，孙本达等，水内冷发电机的冷却水质量标准。《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》：GB/T 12145—2016：7

作者简介：吴振华，男，福建上杭，大学本科，工程师，长期从事火电厂集控运行和运行管理工作，单位：国电泉州热电有限公司，福建省泉州市泉港区南埔镇，邮编362804.