发电机定子线棒部分堵塞的原因分析和处理
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摘要：本文讲述了一起大型发电机定子线棒部分堵塞的原因和处理过程，并指出氧化物的生成和集聚，其根源是定冷水水质存在问题，处理的方法就是化学清洗和改善水质。
关键词：汽轮发电机；定冷水；部分堵塞；化学清洗
0 引言
现阶段国产600MW及以上的发电机，一般都采用水氢氢的冷却方式，就是发电机定子线棒采用除盐水内冷，定子铁芯和转子采用氢气冷却。发电机定子线棒内通水孔只有几个毫米的宽度，容易发生线棒被异物堵塞。分析发电机定子冷却水系统的材质：发电机线棒是电解铜、汇水管是不锈钢，外部管道、滤网、阀门和水泵也都是不锈钢，垫片是聚四氟乙烯，其他物质主要是离子交换器的树脂，氢气、氮气、氧气和少量的二氧化碳。正常运行情况下，导致发电机定子线棒堵塞的杂质主要有树脂、氧化铜和氧化铁。
1 定子线圈层间温差高报警
JW电厂3号发电机，是上海制造的QFSN-600-2型600MW水氢氢汽轮发电机组，出品号为：60SH027，制造日期2005年5月，2007年2月投入商业运行。2010年12月3号发电机C级检修并网后，定子10槽内上下层线圈间温度偏高，并且有逐步上升趋势，10号槽层间温度与其他41个槽层间温度的温差逐渐拉大。2011年1月，3号发电机在600MW负荷时，10号槽层间温度与其他41个槽层间温度的温差超过10℃的报警值，最高达到12℃，机组发出“定子线圈层间温差高”报警；定子进出口压差已达325kPa，比厂家推荐的报警值248kPa已高出31%；机组限负荷在520MW以下运行。
查看3号发电机定冷水的历史记录，我们发
现在定冷水流量保持相对稳定的情况下，定冷水泵出口压力在逐年上升。如表1所示。在过去的几年里，每逢机组大小修，我们都对3号发电机定冷水系统进行正反冲洗，冲洗后定冷水泵出口压力有所下降，但总体上升趋势不变。
3号发电机定冷水流量及压力
日期 流量
（T/H） 定冷水泵出口压力（kPa） 备注
表1：3号发电机定冷水流量与压力对应表
在2010年10月，3号发电机国庆临修时，拆下发电机线圈定冷水入口处的锥形滤网，发现滤网内有大量的黑色污垢，造成锥形滤网部分堵塞，并且这些污垢有很强的吸附性，采用压缩空气很难清除。如图1所示。经广东电科院化验，该物质主要由氧化铜（约80%）、氧化铁（18%）组成。
图1：3号发电机线圈定冷水入口处的锥形滤网
2 定冷水系统和氧化物的来源分析
水氢氢汽轮发电机的定子冷却水系统：包括线棒空芯铜导线、聚四氟乙烯绝缘引水管、不锈钢的汇水管，不锈钢的管道、滤网、水箱、阀门和水泵。定冷水采用除盐水，采用密封、贫氧运行方式，水箱和管道的空间充满氢气。如图2所示：
图2:3号发电机定子冷却水系统图
水氢氢汽轮发电机的定子线圈：由上下层线棒组成，线棒由实芯铜股线和空芯铜线交叉组成。上层线棒42根，每只线棒由4排组成，每排由5根绝缘空芯铜线及10根实芯铜线组成，在槽部逐根进行540°罗贝尔换位编织；下层线棒42根，每只线棒由4排组成，每排由4根绝缘空芯铜线及8根实芯铜线组成，在槽部逐根进行540°罗贝尔换位编织。空芯铜线的横截面宽7.5 mm、高 4.7mm、壁厚1.35 mm，通水的内孔宽4.8 mm、高 2.0mm，如图3所示。可以看出线棒的空芯铜线内通水通道是非常狭小而又弯曲的，当定冷水中存在杂质时很容易引起线棒局部堵塞。
图3： 上下层线棒的横截面示意图
定冷水系统中氧化物的来源，主要来自发电机定冷水系统通道的金属腐蚀。定冷水中总会含有一定量的氧和二氧化碳；定子绕组导线是电解铜制成的，它的电化特性不均匀，其特点是绕组不同部位的起始电子电位数值不同，所以含有氧和游离的二氧化碳的定冷水与线棒铜表面接触，造成电化腐蚀，铜变成铜离子溶解于定冷水中。部分铜离子被离子交换器吸收；部分铜离子与氧和二氧化碳反应生成氧化铜【CuO】；而部分铜离子在铜棒内表面上形成氢氧化铜【Cu（OH）2】，建立了保护层，从而延缓了腐蚀过程。由于定冷水系统在相对密闭的、贫氧的环境下运行，氧和二氧化碳的含量不断减少，电化腐蚀反应不断减弱。
从以上分析可知，氧起两个作用：一方面它象氧化剂一样，助长腐蚀的发展，另一方面在铜表面形成薄薄的Cu（OH）2 保护层，延缓了铜的腐蚀。而定冷水中的游离二氧化碳，会使定冷水呈弱酸性，阻碍铜表面生成这种保护层，使得铜的腐蚀加重。当定冷水呈弱碱性（PH 值在7.5-8.85 之间），这样会改善铜线的腐蚀量，减少水中铜离子含量。
查看历年来JW电厂3号发电机定冷水的水质监督记录，如表2所示。
3号发电机定冷水
结果 项目
时间 PH
表2：3号发电机定冷水水质监督记录表
可以看出3号发电机的定冷水，长期处在PH值为7左右运行，定冷水呈中性或弱酸性，不满足“国标GB/T 7064-2008 隐极同步发电机技术要求”规定PH值8～9的要求。也不符合DL/T 801---2002《大型发电机内冷却水质及系统技术要求》3.1水质要求，如表3所示。
表3：空心铜线水质要求
对比表2和表3，我们发现3号发电机定冷水的PH值偏低，导电率也严重偏低。是不是定冷水的PH值在7左右、导电率在0.1μS/cm以内，就会导致定冷水系统的腐蚀，生成氧化铜和氧化铁，从而导致定子线棒部分堵塞呢？我们考察了国内好几家大型火力发电厂，包括了国产和进口的600MW发电机组，大部分发电机定冷水的PH值都在7左右、导电率也在0.1μS/cm以内，但他们没有发生过氧化物堵塞线棒或定冷水泵出口压力不断上升的现象。
大量氧化物的生成，需要大量的氧和氧化的环境。也许3号发电机定冷水的PH值和导电率偏低，是一个很好的“氧化的环境”；但是3号发电机定冷水系统是一个充满氢气、密闭的、贫氧的环境，冷却水是除盐水，正常运行时的补水量很少，大量的氧从何而来？只有一个可能，就是定冷水系统漏空气。大量的氧气和少量的二氧化碳进入定冷水并溶解于水中，加上水流对空芯铜线的冲刷作用，不断破坏铜表面的保护层，不断发生铜的腐蚀，生成氧化铜。同样的腐蚀也发生在不锈钢管道的表面，生成氧化铁。
为了查找这些氧化物的来源，我们对补充定冷水的除盐水进行水质化验，发现除盐水的含氧量是合格的。对定冷水系统进行全面查漏，发现个别排气管出口有漏氢，进行封堵。把定冷水箱排气管道中间的“煤气表”更换成更加精细的表计，并对排气管出口的U形管补水，经过一段时间的运行跟踪，我们发现定冷水箱的排气量大于发电机的补氢量，排气口的氢气纯度只有50%左右。通过对上面图2的分析和现场设备管道的确认，最后我们发现，造成大量氧气进入定冷水的根源是定冷水箱顶部的压缩空气阀门内漏。带有一定压力的压缩空气给3号发电机定冷水系统源源不断的补充氧气和二氧化碳。
3 清洗处理
3号发电机定子线棒部分堵塞的原因和造成堵塞的物质已经分析清楚，我们选择了对定冷水系统进行全面彻底的化学清洗。清除其管道、容器、汇水管、线棒空芯导线内表面等处附着的沉积污垢，并进行钝化处理，在其内表面形成保护膜，使发电机定冷水系统通畅、稳定，从而保证机组的安全稳定运行。
本次化学清洗采用碱洗＋酸洗＋漂洗钝化的复合清洗工艺。
1）、碱洗：去除系统中油性杂质、有机物；碱洗复合药剂浓度为0.8～1.0%，碱洗液PH 位于11.0～12.0，温度55℃左右，碱洗时间为1～2 小时。
2）、酸洗：去除系统中铜的腐蚀沉积物；酸洗药剂为3%柠檬酸＋1%缓蚀剂，酸洗液PH 位于3.5 左右，温度位于60℃左右，酸洗时间为2～3 小时；酸洗以正向回路和逆向回路反复进行，直到水质化验合格。
3）、漂洗钝化：清除系统中的酸残存液，并在其表面形成钝化膜；漂洗钝化药剂为0.1～0.2%磷酸三钠，漂洗钝化液PH 位于10.0～10.5，温度位于40～45℃，漂洗钝化时间为2 小时。
经过两天的碱洗、酸洗和漂洗钝化处理后，3号发电机并网后带上600WM负荷，10号槽层间温度与其他41个槽的层间温度基本相同。
为了彻底消除再次出现氧化物堵塞线棒的现象，我们彻查定冷水系统泄漏空气的所有可能的泄漏点，彻底堵塞氧气进入定冷水系统的漏洞。对定冷水系统进行改造，加装内冷水碱性水处理装置，提高冷却水PH值到8～9，电导率在0.5～1.5之间。
内冷水碱性处理是新开发的内冷水处理技术，原理是改变内冷水小混床树脂基准型态（RM＋ROH），在一定量的定冷水通过碱化混床时，能将交换能力位于M＋以前的杂质离子不断转换为M＋，其它阴离子（离子交换顺序位于OH－以前）不断被转化为OH－。因此，依靠定冷水中本身存在的微量铜、铁等杂质离子（μg/L级），通过连续的循环运行，将PH升高到微碱性（PH＝8～9）。调整碱化混床处理水量和旁路流量，保持内冷水始终处于微碱性状态，可减缓铜导线的酸性腐蚀。
4 结束语
水内冷式发电机，发生定子线棒被异物堵塞的事件很多，原因也很多。例如：SG电厂#11发电机因树脂误入其内冷水管路造成堵塞； LH电厂#5发电机励端定子部分线棒被纸箔垫子堵塞；ZX电厂#7发电机内冷水回路腐蚀产物堵塞等。如果在短时间内发生线棒堵塞并导致发动机烧坏的，一般是外来杂物导致；如果是长时间缓慢积累的，导致水压力上升、线棒温度上升的，一般是氧化物堵塞。而氧化物的生成和集聚，其根源是定冷水水质存在问题，处理的方法就是化学清洗和改善水质。我们从发现3号发电机10号槽层间温度偏差高到最后彻底处理，历时一年多。在此期间的学习、调研、分析、讨论，最后机组报警限负荷而不得不进行处理，使我们的技术人员进步了不少，总结一点经验，希望能给大家提供一点借鉴的资料。
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