发电机定子冷却水流量参数异常诊断及处理

包小涵，江 成，杨泽秋

（华能国际电力江苏能源开发有限公司南通电厂，江苏南通 226000）

0 引言

对于定子绕组水内冷的发电机组，发电机定子冷却水系统至关重要。由于发电机定子线圈在运行过程中由于存在铜损和铁损而产生热量，定冷水主要用于冷却定子线圈，避免温度过高造成定子线圈的绝缘强度下降。

某电厂350 MW 汽轮发电机组采用定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、铁芯氢外冷的冷却形式。系统主要由2 台100%容量的定冷水泵、1 台冷却器、1 台过滤器、1 个水箱、1 台离子交换器等组成。系统的正常补水采用除盐水（凝结水仅作应急补水水源），补水经滤网、离子交换器后进入定冷水箱。

正常运行状态下，绝大部分定冷水由在定冷泵作用下，由定冷水箱进入冷却器，再经过过滤器，然后分别进入发电机定子绕组和励磁变，最后经由3 条支路（定冷水主回水、连接环回水、励磁变回水）回到定冷水箱，另有一小部分定冷水经过过滤器后进入离子交换器，用于改善定冷水整体进入发电机定子线圈的水质，然后回到水箱。

正常运行过程中，定冷水进水压力约3 bar（1 bar=0.1 MPa），定冷水箱水位约450 mm（满量程为550 mm），定冷水进水流量稳定在1000 L/min 左右，连接环回水为270 L/min 左右，励磁变回水在280 L/min 左右，流量测量均采用差压式孔板流量计。

1 定冷水系统流量参数异常现象

1.1 定冷水进水流量波动

该机组定冷水系统定冷水进水流量“三取二”改“四取三”，增设流量开关管路改造后首次投用。启泵后，定冷水流量立即出现大幅波动，波动范围在930～1030 L/min，并泵、对测量管路进行排空气操作均无作用，连接环回水流量及励磁变回水流量均在270 L/min，且均无波动情况，定冷水系统投用过程中各项操作均与改造前一致。

1.2 连接环回水流量波动

（1）某日该机组调停后开机，定冷水系统投运后连接环流量出现波动情况，机组进行启动准备前期，启动定冷泵，此时定冷水流量稳定，约为967 L/min 左右，连接环流量在260～309 L/min 间波动，并泵未能消除流量波动，机组并网后监视定子线圈温度无异常，就地无泄漏现象，隔日并泵后恢复正常（图1）。

图1 并泵后连接环流量稳定

（2）某日该机组调停后开机，投运定冷水系统，此时定冷水流量约967 L/min，流量稳定，连接环流量在258～315 L/min 之间波动，现场检查无泄漏，测量管路排空气，管路内负压侧水流呈间断性排出。运行半个月左右连接环流量依然不稳定，期间多次进行并泵运行，每次并泵时长约为5 min，连接环流量仍在250～310 L/min 之间波动（图2）。停机检查过程中发现连接环回水管路内压力与大气压力几乎一致，励磁变回水管路内存在负压。

图2 并泵后连接环流量波动

2 定冷水系统各流量异常原因分析

2.1 正常运行状态及工作原理

定冷水系统各流量取样及各管路走向如图3 所示。

图3 定冷水系统各流量取样及各管路走向

定冷水进口流量取自定冷水泵出口，流量和压力测点因为距离水泵出口较近均有较大波动，定冷水主回水管道从发电机端部回水，靠近管道出口处设计防虹吸管道，与水箱上部连接通过水箱上部放空管与大气联通，用于打破虹吸作用，防止发电机定子线棒内的水被吸回水箱。连接环回水流量与励磁变回水流量管径相近，约为进水流量或主回水管管径的1/2，运行中均为满管。因此，在竖直管段上，所有管路均可看作满度和坡度相同的管道。水力半径与管道半径成正比，管径越大，相应的流速就越大。因此在系统停运过程中，主回水管路与进水管路中的水更快回落至水箱或水平管段。连接环流量由于与进水管路相通，回水量相对较少，而励磁变管路由于进回水均为细管段，两侧回落速度均较慢。当水箱满水后，放空管入口也已充水，励磁变管路内会形成一定的负压，即：

其中，H 为励磁变回水管路内压力平衡后的等效高度。

连接环回水与励磁变回水管路进入水箱前，竖直管道上均有一段1 m 左右的扩大管，回水测点安装在扩大管前。对于同一直管段，管路的突然扩大会导致流速降低，根据伯努利方程：

由于管段为竖直管段，进入扩大管段后压力会降低，因此受到影响时容易出现扩大管不满管现象，从而导致流量参数异常。

2.2 定冷水系统流量波动原因

2.2.1 定冷水进水流量改造后波动原因

定冷水进水流量取样点靠近水泵出口，根据其工作原理，会存在一定程度的波动，但改造前流量十分稳定。对比改造前后的流量取样管路，发现孔板取样出口原来使用的接头内置有阻尼件，减少了压力波动，使流量测量值较为稳定。更换内置阻尼件的接头后，定冷水进水流量测量值恢复稳定。

2.2.2 连接环回水流量调停后波动原因

经过现场检查，并对从连接环流量波动状态以及过往操作过程进行分析，发现每一次停机后再启机均会发生不同程度的连接环流量波动，可能的原因有：

（1）连接环流量测量仪表及测量管路存在大量空气。①停机后定冷水回落水箱，仪表管路内的存水被大量带走，导致测量管路内可能存在空气；②由于停运过程中，连接环回水管路内压力几乎和大气压力相等，相较于负压的励磁变，需要更长时间排出管路内的空气。

（2）部分参数控制和管系特性配合不当。定冷水箱标高550 mm，日常运行过程中，水位常常控制在400 mm 以上，高水位保证了即使在并泵过程中也不会出现打空泵的情况，确保定冷水泵以及进水的稳定性。但在停运时，回水大量落回定冷水箱，直接没过排空管口，导致励磁变管路内形成负压。一方面，当再次启机时作为并联管路，充满励磁变回水的管路所需的压降及管道内空气阻力均远小于连接环回水管路；另一方面，水位没过水箱排空口，这意味着水进入了防虹吸管，直接导致系统排空气能力降低。由流量波动检查过程中多次排空气，负压侧排水均有波动可知，存气并不是单纯的测量管路内存有空气，而是系统内空气未能排尽，且负压侧靠近扩大管段，说明管内压力不足以排出扩大管内的空气，导致负压侧扰动，造成流量参数异常。

更重要的是，根据伯努利方程，系统内含空气的状态下启动后，在连接环回水形成时，管路内压力可得瞬时方程：

其中，为发电机顶部连接环回水压力，Δh 为发电机顶部至定冷水箱液位的高度差。在其他条件不变的情况下，水箱液位较高，即Δh 减小时，排出空气的能力会更小。

3 总结

通过检查分析可知，定冷水系统流量参数异常的原因为：①定冷水进水流量取样靠近定冷泵出口，而没有采用内置阻尼件的接头；②启机过程中系统内及测量管路内含有大量空气，单泵出力较难排净；③运行过程中，水箱水位控制过高，回水没入排空管和防虹吸管，造成第二次启机系统内排空气困难。

为防止定冷水系统出现异常波动，可以采取以下应对措施：①对流量、压力波动大的表计，在取样出口处增设阻尼件，可以在减少波动的同时保证准确测量；②投运前期，少量多次并泵运行，排出管路内的空气，管路内空气较难排出时可以适当降低水箱水位，以减少排空气阻力；③可在启机前/停机后，降低水箱水位，保证防虹吸管和排空管内无积水，有运行需要再行补水。