發電機定子線棒堵塞治理與定冷水水質優化

關玉芳，樓新明，馮禮奎

（1.浙能蘭溪發電有限責任公司，浙江 金華 321100；2.浙江電力試驗研究院，杭州 310014）

1 發電機定子線棒堵塞現象

某600 MW發電機為東方電機股份有限公司引進日立公司技術制造，采用水-氫-氫冷卻方式，即定子繞組直接水內冷，轉子繞阻和定子鐵心氫冷。機組于2006年4月投產運行，2008年7月開始出現發電機定子繞組層間溫差偏高、定冷水流量下降現象，至2009年4月發電機定子繞組層間溫差超過8℃，最大溫差達10℃以上，定冷水流量由新投運時的90 t/h下降到83 t/h左右。為保持機組穩定運行，運行人員通過提高定冷水壓力或在線反沖洗的辦法，暫時將線棒的溫差控制到8℃，但問題無法得到根本解決，在線沖洗效果越來越差。

根據上述現象初步分析認為定子線棒堵塞的可能性很大，2010年3月機組B修期間對發電機定子線棒進行割管檢查，將運行中線圈層間溫差最大的39號槽線圈出水端引水管接頭割開，用內窺鏡檢查，發現上下層線圈的并頭套內線棒端口處結垢嚴重，部分空心導線出水口堵塞面積近1/3，圖1為39號槽上層線圈內窺檢查情況。據此認定線棒空心導線堵塞是導致定冷水流量下降、定子繞組溫差上升的主要原因。

圖1 39號槽上層線圈內窺照片

2 線棒堵塞原因分析

對空心導線內的垢樣進行成分分析，發現銅氧化物占80%以上，表明造成空心導線堵塞的物質主要是銅腐蝕產物，也反映出定冷水系統運行過程中銅腐蝕未能得到較好控制，銅腐蝕產物在部分空心導線內長期沉積導致通流面積減小。

定冷水系統自投運以來一直采用小混床旁路部分處理方式，最大處理量為定冷水流量的4%，小混床裝填氫型陽樹脂和氫氧型陰樹脂，陽、陰樹脂裝填比例為1:2，定冷水箱為敞開式，未采取充氮或水封等密封措施，系統補水來自化學制水車間除鹽水箱，除鹽水pH值一般在6.2～6.8之間。在這種處理方式下，定冷水系統長期在低pH值、高溶氧的水質條件下運行，自投運以來定冷水水質基本保持在pH值低于7、銅離子10～20 μg/L、電導率小于0.2 μs/cm的水平，雖然銅含量和電導率滿足DL/T 801-2002《大型發電機定冷卻水質及系統技術要求》規定，但較低的pH值加上敞開式環境造成銅導線腐蝕依然非常嚴重。

銅腐蝕速率與水的pH值及溶氧量有關[1]，如圖2所示。銅在含氧水中腐蝕產物為銅氧化物，一般情況下銅氧化物在銅的表面形成一層保護層，而隨著腐蝕的進行，氧化層不斷變厚并發生脫落。銅的腐蝕速度主要取決于水的含氧量和pH值，含氧量在200～300 μg/L范圍內，銅的腐蝕率最大。在含氧水中，pH值為8～9時銅的腐蝕速率很低，銅腐蝕速率基本不受溶解氧的影響。降低pH值，銅腐蝕速率上升，特別是pH值小于7時，隨著pH值的降低有大幅度的增加，而在pH值大于9時，銅腐蝕速率也重新上升。在低pH值條件下，定冷水敞開式環境使CO2進入冷卻水中加劇了銅的腐蝕，在CO2和氧的聯合作用下氧化銅保護膜被破壞，生成疏松易剝落的堿式碳酸銅。

圖2 銅的腐蝕速度與水的pH值及水中溶氧含量的關系

圖3所示為不同pH值條件下氧化銅溶解度與溫度的關系[2]，在pH值小于8.2、溫度低于64℃范圍內，氧化銅溶解度隨溫度上升而下降。發電機運行過程中冷卻水從進水到出水是一個溫度上升過程，運行溫度一般在20～70℃之間，因此定冷水在發電機空心導線內隨水流方向氧化銅的溶解度是不斷下降的，這導致在溫度較高的出水端容易發生氧化銅的析出和沉積。由此可見，定冷水系統長期在低pH值、敞開式環境下運行應是造成定冷水系統銅腐蝕，并最終導致線棒阻塞、定子繞棒超溫的主要原因。

圖3 氧化銅溶解度與水的pH值及溫度的關系

3 線棒堵塞的治理措施

對已堵塞線棒的治理無外乎物理與化學2種方式，物理方式即通過正、反向水沖洗或氣體吹掃方式清除堵塞物，此方式可以清除小顆粒異物和疏松腐蝕產物，化學方式即通過化學清洗方式將沉積在線棒內的腐蝕產物溶解清除。

發現線棒有超溫現象后采取水沖洗措施來維持機組正常運行，此方式在初期起到了較明顯的效果，但隨著機組運行時間延長，水沖洗效果越來越差，這主要是因為線棒內致密的腐蝕產物沉積越來越多，物理方式已不能起到清除積垢恢復通流面積的效果。經過充分討論及調研，最終決定在機組停機期間通過化學清洗方式徹底清除定子線棒內沉積物，恢復所有堵塞線棒冷卻水通流能力。

化學清洗采用了銅專用清洗劑，清洗后使用保護液沖洗至潔凈，酸洗時間為3 h，酸洗腐蝕指示片腐蝕速率 0.12 g/（m2·h），根據清洗系統容積和平衡后的銅離子濃度計算被清洗下來的氧化銅總量大約為1 092 g。

圖4為化學清洗前后的發電機定子各線棒流量測試對比情況。定冷水系統清洗前各線棒間流量均勻性很差，最高流量高于平均值14.19%，最低低于平均值31.58%，偏差值的絕對值平均為7.56%，特別是34—39號線棒，流量低于平均值20%以上。清洗后各線棒流量偏差絕對值的平均值降至2.94%，最高流量高于平均流量6.17%，最低流量低于平均值7.11%，34—39號線棒流量偏差絕對值也大幅縮小到6%以內，清洗后的定冷水總流量較清洗前明顯增加，基本恢復到機組投產初期水平。清洗前后的數據對比表明，化學清洗使定子線棒通流狀況得到很大改善，各線棒流量均一性更好，化學清洗達到預期目的。

圖4 化學清洗前后的發電機定子各線棒流量測試數據

4 定冷水水質調整優化

采用化學清洗的方法雖可暫時去除線棒內的銅腐蝕產物，但由于原定冷水處理方式下銅線棒處于較強的腐蝕氛圍，若不采取水質調節措施，在經歷一段時間的運行后，同樣的線棒堵塞現象可能會再次發生。根據銅在水中的腐蝕電位圖和銅的腐蝕速度與含氧量及pH值的關系，控制定冷水系統銅的腐蝕途徑有2條：一是調節pH值至堿性，二是使系統貧氧運行，或者雙管齊下同時控制pH值和含氧量。pH值調節方法中，有采用加入含氨凝結水來提升定冷水pH值的，但由于氨對銅的影響，此方法并未普遍采用，目前普遍采用的方法有堿化樹脂處理法和加氫氧化鈉法，而要使系統貧氧運行，則必須采用定冷水箱氮封法。

該機組采用了定冷水箱充氮密封法及相對簡單的堿化樹脂處理法——單床離子交換微堿化，即利用原有的離子交接設備，將原來的RH，ROH氫氧型混合樹脂用RH，RNa型和ROH型混合樹脂替換，其反應機理：定冷水中有一定濃度的鐵、銅等陽離子（μg/L級），只要RNa和ROH未失效，就能將交換能力位于Na+以前的雜質離子不斷轉化為Na+，其他陰離子（離子交換順序位于OH-以前）不斷被轉化為OH-，從而間接產生了微量的氫氧化鈉，因此只需要微量的鐵、銅等雜質離子，就能將pH值升高到微堿性，從而起到減緩銅線棒酸性腐蝕速度的作用。離子交換過程如下：

式中：M為銅、鐵、銨等陽離子；n為陽離子電荷數。

式中：A為氯、碳酸氫根等陰離子；k為陰離子電荷數。

堿化樹脂投入使用后，定冷水系統的電導率由0.1 μs/cm以下逐漸上升到0.43 μs/cm，pH值由投運前的6.8上升至7.9，銅離子查定結果比堿化處理前大幅降低，銅含量變化如圖5所示。

圖5 樹脂更換前后定冷水系統銅離子含量變化

從堿化樹脂使用前后定冷水水質變化情況來看，堿化樹脂對提高定冷水pH值是有效的，而在堿性環境中定冷水系統銅腐蝕情況也確實比在中性環境中要好，使用堿化樹脂的定冷水處理方式達到了預期效果。

5 結論與建議

發電機定子線棒堵塞導致線棒超溫是發電機安全運行的重大隱患之一，而在發生線棒堵塞的案例中，絕大部分是因為定冷水系統銅腐蝕控制不力造成的，銅腐蝕產物在定冷水系統特定的磁場和溫度環境中容易在空心導線內沉積，由于空心導線的通流面積非常小，即使很少量的沉積也會影響到線棒水流的分配，使線棒超溫和線棒間溫差上升。

對以銅為空心導線材質的發電機，其定冷水系統銅腐蝕的防控必須從嚴要求，水質不能僅按照滿足國家電力行業標準（DL/T 1039-2007）中銅離子含量小于40 μg/L標準來執行，而是要從根本上控制銅的腐蝕，如調節內冷水至堿性環境，或保持定冷水貧氧運行。

對因腐蝕產物沉積造成線棒堵塞的定冷水系統，采用化學清洗方式恢復線棒通流能力是可行的，目前的清洗技術能夠將銅腐蝕速率控制在極低的水平，短時間的清洗對空心導線的減薄微乎其微。但對定冷水系統化學清洗，除了必須通過試驗選擇腐蝕速率最低的酸洗劑和緩蝕劑外，對于有嚴重腐蝕坑或空心導線厚度明顯減薄的機組必須慎重考慮。

[1]孫本達.馬智敬.超超臨界機組發電機內冷卻水運行中存在的問題及處理[J].熱力發電，2009（1）:96-98.

[2]張警聲.發電機冷卻介質[M].北京：中國電力出版社，1995.