水内冷发电机定子线棒堵塞的处理方法.doc

水内冷发电机定子线棒堵塞的处理方法刘斌，何蓉，林根仙（苏州热工研究院，苏州215004）摘要：发电机定子空心铜导线阻塞多由杂质、氧化物或腐蚀产物的沉积而造成。目前处理堵塞的方法主要有机械擦洗、水力冲洗、阳离子净化和化学清洗等，每种方法都有相应的优点和局限性，应结合堵塞情况和现场条件来具体选择。而改善运行期间定子冷却水的水质是解决堵塞的根本途径。关键词：定子线棒内冷水腐蚀化学清洗Removal of Flow Restrictions in Water-Cooled Generator Stator CoilsLiu Bin, He Rong, Lin Gen-xian(Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, China)Abstract：Flow restrictions in the generator stator hollow copper conductors are commonly caused by impurities, copper oxides or corrosion production deposits. The removal of flow restrictions in generator bars can be achieved by the methods of mechanical cleaning, water flushing, cationic purification or chemical cleaning at the present time. The choice of appropriate method will depend on the clogging condition and specific case for each method has its merits and limitations. However, the final solution to the problem is the optimization of stator cooling water chemistry during operational period.Keywords：Stator Coils, Cooling Water, Corrosion, Chemical Cleaning大型发电机定子线圈空心铜导线大多采用除盐水作为冷却介质。运行冷却水中的杂质、氧化物或腐蚀产物的沉积很容易造成定子内冷水回路的堵塞，引起定子内冷却水流量减小，出水温度升高，使发电机定子线棒局部过热，从而导致发电机绝缘绕组老化，减载运行，甚至烧毁线圈，被迫停机。1 堵塞的原因分析发电机定子线棒堵塞主要是由冷却水水质不合格导致铜导线腐蚀而造成的。受极限热负荷设计的影响，定子绕组矩形空心导线尺寸一般长在310mm，宽为13mm，深约500012000mm，这些小截面的空心导线在弯头处和进出口端并头套处很容易发生堵塞，造成堵塞的沉积物主要为单质铜、铜氧化物和铁氧化物，也有涂层碎片、树脂碎片、密封绝缘材料碎片、焊料和煤灰等杂质。除严格控制定子水回路的清洁度外，定子线棒堵塞还应重点考虑铜导线的腐蚀。虽然铜在除盐水中的腐蚀速度很低，但以下几个因素仍会造成铜导线的腐蚀和腐蚀产物的沉积。1.1 pH值水的pH值对铜表面氧化膜的形成和稳定性有很大影响。根据Cu-H2O体系的电位-pH平衡图，一般铜在水中的电位处于0.10.38VSHE的范围，若水的pH值低于6.95，处于腐蚀区，金属铜溶解成Cu2+；当pH值超过10时，会生成CuO22-和CuO2-的可溶性化合物；只有pH值处于710之间，金属铜才处于稳定区1。工业上对发电机定子冷却水规定pH值7.09.0，确保空心铜导线处于稳定和较安全的状态2。1.2 电导率电导率直接反映了水中杂质含量和绝缘性能。发电机冷却水电导率的控制上限是由绝缘要求确定的，一般电导率要求控制在2.0 S/cm，但当电导率过低对金属铜和焊接材料的腐蚀防护是不利的，如电导率从1.0 S/cm降到0.2 S/cm时，铜的腐蚀速度增大35倍1。1.3 含铜量对已堵塞的定子线棒取样化学分析，除了有腐蚀产物CuO和Cu2O外，还有亚微米级金属铜微粒3。定子水系统滤网和除盐床都无法拦截或吸附，很容易在局部不断沉积。因此，水中铜含量的监测是发电机内冷水的重要监督内容，要求控制在40 g/L以内，它直接反映铜导线的腐蚀情况。但南非电力公司(Eskom)部分电厂利用阴离子交换床代替混床除去水中的阴离子，并维持冷却水中一定量的铜离子含量，即保持Cu(OH)2浓度来实现对水质碱化的目的，虽然有过饱和发生沉积的风险，但该方法已成功应用20年左右4。1.4 含氨量部分电厂发电机冷却水由于补充凝结水调节pH值而引入氨，因为凝结水中氨含量一般在1 mg/L左右，且受电导率控制，所以不可能发生氨的浓缩和铜的氨蚀。但如果发电机补水为除盐水，直接加氨调节pH值时应避免发电机冷却水中高浓度氨的出现。氨对铜腐蚀的抑制主要是pH值升高引起的，当冷却水pH值控制在79时，水中含氨量的合理值应小于300 g/L。1.5 溶解氧水中溶解氧对铜腐蚀的影响，国内外都有一致性的结论，即在氧含量很低和很高时，铜腐蚀速度都较低，水中氧含量介于两者之间时腐蚀速度最高。美国EPRI导则对发电机冷却水中氧含量有明确规定：贫氧运行条件下氧浓度小于 20 g/L；富氧运行条件下氧浓度大于 2 mg/L5。水与大气接触时，水中氧含量一般为1.43.2 mg/L。所以贫氧运行条件需要冷却水系统与大气隔绝，并在水箱中液位以上充氢气保持微正压来实现；富氧运行条件需要不断补充空气来维持。内冷水氧浓度在贫氧条件下大于50 g/L或富氧条件下小于1 mg/L时都应及时处理。1.6 二氧化碳溶解CO2对纯水的pH值和电导率有明显影响，对定子冷却系统的防腐极为不利。CO2溶解使纯水pH值急剧下降，空气中CO2分压为30.4 Pa时，在水中的溶解度为0.52 mg/L，可使纯水的pH值从7.0降到5.6左右，导致呈明显酸性，使铜腐蚀加剧；CO2还参与氧化腐蚀产物转化为碱式碳酸铜的化学反应，破坏铜表面的氧化膜6。所以运行中应严格防止CO2进入系统，并对已溶解的CO2进行及时处理。1.7 温度一般地说，温度升高，腐蚀速度加快；但温度升高也使水中溶解气体降低，减缓腐蚀。氧化铜溶解度在发电机运行温度6080时最低，容易析出发生沉积。所以大型发电机组对进出冷却水温度有严格要求，进水温度不低于45，避免定子线棒与定子铁芯的温度差胀太大而引起线棒绝缘的损坏；出水温度不会超过85，定子线棒出水温度的最高点与最低点温度之差超过8报警，超过12跳闸7。1.8 流速空心铜导线内水的流速增大，即加大了铜管的机械磨损，又加快了腐蚀性物质的迁移而加快氧化膜的破坏，所以在进行电机设计时，空心导线内流速控制在2 m/s以下。文献调研表明，空心铜导线耐蚀性能较好，因腐蚀造成减薄或穿孔的情况并未见报道，因杂质迁移和氧化物局部沉积造成线棒堵塞才是发电机最常见的问题。2 堵塞的处理办法2.1 机械擦洗机械擦洗指用铁丝或钢刷手工清除铜导线内的沉积物。现场经验表明，氧化物一般在定子冷却水进出口端并头套处发生沉积，在对定子冷却水回路解体后可以目视检查堵塞情况并人工清理沉积物。机械擦洗只能在停机和发电机解体的情况下进行，只能清理端头处和工具可触及的部位的沉积物，对空心导线深处的异物却无法清理，仍需要其它清洗措施配合以进一步提高效果。2.2 水力冲洗发电机定子绕组水回路检修常规方法就是干燥无油压缩空气和除盐水进行冲洗，冲洗的介质还可以选择高纯氮气或其它惰性气体，冲洗方式主要有正压式、反冲式、脉冲式和气水共振等8，冲洗压力的选择应避免对水回路系统造成伤害，冲洗结果以排水清洁合格为标准。对单根线棒或一组线棒进行水力冲洗时，冲洗效果往往比整体冲洗时要好。水力冲洗可以带出水系统内黑色油污、灰尘、纤维和焊渣等杂物，对沉积氧化物的清理也有一定的效果，但也不排除冲洗造成沉积物变得更加致密的可能。2.3 阳离子净化阳离子净化方法与其它所有清洗方法不同，它通过阳离子交换床代替混床实现在线清洗，是一种区别于正常运行阶段的运行模式。法国EDF从1995年开始在其所辖的核电站推广该方法，取得了良好的效果。阳离子净化系统投运时，冷却水充分通风，利用空气中二氧化碳溶解而使水溶液pH值降至6.06.5左右，此时铜氧化物缓慢溶解，铜离子被阳离子交换树脂吸附，系统内沉积的氧化物不断得到清理。维持这一运行模式几个月后，系统恢复到常规混床净化，实现正常运行。根据报道，一般是在2-6月阳离子净化后，可以维持1-2年的正常运行9。铜氧化物的溶解还受到系统内局部温度、结构和运行参数的影响，所以在没有详细了解沉积物的沉积状态和溶解性能时进行阳离子净化具有较大的风险。2.4 化学清洗化学清洗是清除铜导线内沉积物最有效的方法之一。清洗剂应根据铜和铜氧化物的性质来选择，一般有盐酸、硫酸和磷酸等强酸，也有柠檬酸、羟基乙酸和氨基磺酸等弱酸，还可以选择乙二胺四乙酸(EDTA)、过硫酸铵(NH4)2S2O8等络合药剂。堵塞的沉积物多为CuO、Cu2O和单质Cu，其中CuO在很多酸和络合剂中发生溶解；Cu2O可以被氢氟酸、硫酸和磷酸溶解，也可以和NH3和CN形成特定的络合物而溶解，为了更好地溶解氧化亚铜，酸液中应加入一定的氧化剂，如H2O2；Cu是相当稳定的金属，在盐酸、硫酸和磷酸中不发生溶解，只有在添加氧化性物质或在氧化性酸（硝酸）中才发生溶解。华能岳阳电厂在1998年对1号发电机(362.5 MW)定子线棒进行单根、分组方式进行停机清洗，酸洗介质为4%的柠檬酸和0.2%的双氧水，在温度5060环境下循环冲洗30min，流速大于1m/s，共清洗出9kg沉积氧化物，清洗后线棒两端并头套内基本干净，流量恢复正常10。法国Alstom采用其专利配方Cuproplex对某核电站1160MW发电机定子回路进行了在线清洗，清洗10天后流量由120 m3/h恢复到166 m3/h，功率也恢复到满负荷。该配方的主要组成为EDTA钠盐，加入适量的H2O2以溶解Cu2O，适量的活化剂用于避免溶解后再沉积，适量的缓蚀剂用于避免H2O2对空心铜导线造成严重腐蚀。通过定子冷却水泵连续注入清洗液并通过旁路离子交换树脂去除部分溶解铜离子、EDTA、缓蚀剂和活化剂等，清洗过程中严格监控电导率，最大不超过12 S/cm，在线清洗耗时较长，费用也较高11。2.5 小节机械擦洗可以对局部严重堵塞甚至完全堵塞的情况进行清理，但是不适合全面的整体的清理。即便它有助于恢复流量，残留的沉积物仍可能引起流量不稳定，作为诱因引起重新沉积。此外，机械擦洗的工作量也较大。水力冲洗相对简单，但效果有限。它不可能清除严重的堵塞，也不可能彻底清理沉积层。反向冲洗还有可能使原有的沉积更加结实。阳离子净化适用于氧化沉积物周期性清理，其设备和工艺要求使它更接近于运行控制手段而不是清洗措施。酸洗对于堵塞严重的情况有明显效果，但也会对基体金属造成溶解。为了减小酸洗对系统材质的不利作用，更好控制酸洗过程，酸洗应该对单根或分组清洗，也需要发电机部分解体，只能在停机时进行。络合清洗选用性质温和的络合剂进行，对基体铜材质的溶解十分有限，同时对氧化物的溶解也较为缓慢，所以效果一般没有酸洗那么明显。络合清洗在低浓度条件下进行，所以可以进行在线清洗。除提高电站发电量外，在线清洗还可以实时跟踪清洗效果，当清洗过程超出预定方案时可及时采取行动，停机清洗的很多影响只有在启机后才能发现。3 结语定子线棒堵塞的处理方法应结合发电机冷却水运行条件、前期水质的监测数据以及堵塞的性质和状况来综合选择，每种方法都有各自的特点和不足。堵塞不严重时，优先选择水力冲洗，当水力冲洗仍不能解决问题时，可考虑酸洗或络合清洗，但也应尽量单根或分组清洗，避免破坏系统内的氧化性保护膜。值得注意的是，清洗并不能从根本上解决堵塞的原因，改善运行期间的化学水质和运行参数，优化监控手段和方法，以及加强停备用期间的保养才能最终解决堵塞的发生。参考文献1 邹哲,胡学文,陈志刚,等. 发电机内冷水处理方法的研究及探讨J. 腐蚀与防护, 2003,(24)7:3103122 DL/T 801-2002, 大型发电机内冷却水质及系统技术要求S3 李中. 大型发电机定子线棒腐蚀堵塞原因分析J. 华中电力, 1999,12(5):17184 Svoboda R., Seipp H-G. 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