內冷水質問題導致發(fā)電機定子線棒故障分析和預防措施

王子君

（神華國神集團公司技術研究院，陜西 西安 7 1 0 0 6 5）

內冷水質問題導致發(fā)電機定子線棒故障分析和預防措施

王子君

（神華國神集團公司技術研究院，陜西 西安 7 1 0 0 6 5）

大型汽輪發(fā)電機定子線棒堵塞是水內冷汽輪發(fā)電機常見的故障之一,定子線棒在運行中發(fā)生堵塞會出現(xiàn)層間溫差或出水溫差超過規(guī)程規(guī)定值。如果發(fā)電機定子線棒堵塞缺陷不能及時排除，將嚴重影響發(fā)電機組安全運行，甚至會發(fā)生發(fā)電機燒損的嚴重后果。根據(jù)大型汽輪發(fā)電機定子線棒的布置、結構、聯(lián)接方式以及進出水的情況，結合兩個發(fā)電廠由于內冷水質控制不良導致汽輪發(fā)電機定子線棒堵塞故障案例分析，進一步說明了運行中對定子內冷水質控制的重要性，提出了預防定子線棒堵塞措施及定期對定子線棒進行清潔和沖洗的必要性。

內冷水質；定子線棒堵塞；故障分析；預防措施

發(fā)電機作為發(fā)電廠最終功能轉換的平臺，隨著機組容量的不斷增大，功能轉換時放熱效應也就相應增加。為了保證機組安全經(jīng)濟運行，發(fā)電機的冷卻就變得格外重要，為了滿足冷卻要求，一般大型發(fā)電機都使用定子水冷卻內冷的冷卻方式。在成功解決冷卻問題的同時，又出現(xiàn)了新的問題，主要是在內冷水系統(tǒng)運行過程中如果對內冷水質控制不良，會發(fā)生對空心導線的腐蝕和腐蝕產(chǎn)物析出堵塞空心導線的問題，如不及時處理，將引起對應線圈繞組過熱而燒壞發(fā)電機，引發(fā)重大設備事故。因此，對運行中發(fā)電機定子線棒堵塞原因進行分析并采取相應的預防措施，對發(fā)電機的安全運行、經(jīng)濟運行具有重大意義。

1 發(fā)電機定子線棒布置、結構、聯(lián)接方式以及進出水的布置情況

大型汽輪發(fā)電機一般定子繞組由嵌入鐵芯槽內的條形絕緣線棒組成，繞組端部為籃式結構，并且由連接線連接成規(guī)定的相帶組。采用連續(xù)式F級環(huán)氧粉云母絕緣系統(tǒng)，表面有防暈處理措施。水內冷繞組的導體既是導電回路又是通水回路，每個線棒分成若干組，每組內含有一根空心銅管和數(shù)根實心銅線，空心銅管內通過冷卻水帶走線棒產(chǎn)生的熱量。線棒由絕緣空心股線和實心股線混合編織換位組合而成。定子線棒是通過空心股線中的水介質來冷卻的。冷卻水流入勵端的匯流管，從勵端的匯流管和絕緣引水管并通過線棒端頭的水接頭進入到定子線棒。每一根定子線棒通過一根獨立的軟管與匯流管相連。冷卻水流出定子線棒后，再經(jīng)過汽端的絕緣引水管和匯流管排入外部水系統(tǒng)。匯流管母管是直接接地的，從線圈到匯流管母管間的連接采用單個加強型絕緣管，這種絕緣管設計上能夠承受發(fā)電機的運行電壓，保證了線圈的對地絕緣。

2 內冷水質問題導致發(fā)電機定子線棒堵塞案例及分析

2.1 事故案例一

（1）故障情況簡述。某發(fā)電廠汽輪發(fā)電機型號為QF S N-6 0 0-2-2 2 B、發(fā)電機定子輸出電壓2 2 k V、功率因數(shù)c o sφ=0.9、水、氫、氫冷卻方式、F級絕緣。該發(fā)電機于2 0 0 4年1 2月并網(wǎng)發(fā)電，2 0 1 5年6月機組檢修啟動后，定子冷卻水進水壓力在設定0.2 2 MP a不變的情況下，進水流量由1 0 1 t/h逐步下降到9 5 t/h，壓力調閥開度由2 8%逐步下降到2 5%。

（2）故障分析及處理情況。上述發(fā)電機定子冷卻水進水流量變化數(shù)據(jù)表明定子冷卻水進水壓力調閥后管道壓力在逐步升高，管道的通流面積在減小，判定發(fā)電機定子線棒內表面結垢。

為了徹底解決該發(fā)電機定子線棒內表面結垢問題，保證該機組長期的安全穩(wěn)定運行，該電廠委托某專業(yè)清洗機構對該發(fā)電機內冷水系統(tǒng)進行了清洗工作，酸洗工作結束后銅離子濃度為2 7.2 mg/L，即洗掉大約1 0 2克的氧化銅腐蝕沉結物。機組啟動后通過定子冷卻水進水壓力和流量變化來看，清洗后定子冷卻水各項參數(shù)達到該機組投產(chǎn)時的技術指標，定子線棒入口內冷水壓控制在0.2 2 MP a時，定子內冷水流量從9 6 t/h上升到1 0 1.7 t/h。

通過對清洗前和清洗后的壓力流量參數(shù)進行比較，得知流量和壓力曲線與投產(chǎn)初期吻合，清洗達到了預期效果。根據(jù)處理洗掉大約1 0 2克的氧化銅腐蝕沉結物及日常運行情況分析可以得知該機組空心導線堵塞的原因主要有：（1）內冷水p H太低使銅繞組長期處于腐蝕區(qū)，造成了不斷的電化學腐蝕，溶解的銅又在溫度較高的部位發(fā)生過飽和析出。

（2）停機時保養(yǎng)不到位使二氧化碳和氧氣進入系統(tǒng)發(fā)生腐蝕。

2.2 事故案例二

（1）故障情況簡述。某發(fā)電廠汽輪發(fā)電機型號為QF S N-3 0 0-2-2 0 B、發(fā)電機定子輸出電壓2 0 k V、功率因數(shù)c o sφ=0.8 5、水、氫、氫冷卻方式、F級絕緣。1號汽輪發(fā)電機事故前有功負荷為2 9 5 MW，無功負荷為1 5 0 Mv a r。2 0 0 8年8月2 7日2 0時4 6分，運行中發(fā)電機“定子接地保護”動作，引起發(fā)電機跳閘停機。

（2）故障分析及處理情況。發(fā)電機停機解列后該發(fā)電廠組織檢修人員對發(fā)電機進行解體檢查，解體后發(fā)現(xiàn)發(fā)電機定子線棒3號槽上層線棒與5 4號槽下層線棒的端部水路的流通截面嚴重堵塞，致使線棒絕緣損壞，而3號槽上層線棒與5 4號槽下層線棒同一冷卻水路，在5 4號槽下層線棒直線端部處將絕緣擊穿，造成定子線棒接地，既而定子接地保護動作，發(fā)電機跳閘停機。

事故后電廠組織電科院專家及本廠技術人員對事故進行分析，分析結果認為，造成定子線棒水路堵塞的主要原因是由于定子內冷水系統(tǒng)及補水系統(tǒng)密封裝置不完善，發(fā)電機內冷水水質受到了空氣中二氧化碳的污染，導致內冷水p H值偏離規(guī)程規(guī)定值，降到5.9～6.5，使定子線棒空心銅導線產(chǎn)生腐蝕，含銅量經(jīng)常在2 9 0～5 2 0 u g/L，最高達到2 6 8 0 u g/L。由于內冷水水質長期不合格，腐蝕產(chǎn)物銅氧化物濃度過高，在一定溫度條件下，銅氧化物便會從水中析出，沉積在3號槽上層線棒與5 4號槽下層線棒線棒端部的流通截面上，造成定子線棒的水路堵塞。在運行中兩線棒過熱發(fā)生膨脹，致使應力集中外絕緣膨脹，造成定子線棒發(fā)生絕緣損壞，導致發(fā)電機在運行中發(fā)生定子接地故障而跳閘停機。

3 故障暴露的問題及預防措施

3.1 兩起故障暴露出的問題

（1）基建期間對定子內冷水系統(tǒng)安裝及補水系統(tǒng)密封裝置要求不嚴格，發(fā)電機運行后容易發(fā)生水質污染，導致內冷水p H值不符合規(guī)程要求，而使銅導線容易產(chǎn)生腐蝕。

（2）運行中對定子內冷水質控制重視程度不夠，內冷水長期偏離規(guī)程規(guī)定值，銅繞組長期處于腐蝕區(qū)，溶解的銅在溫度較高的部位發(fā)生過飽和析出，沉積在線棒端部的流通截面上，容易造成定子線棒水路堵塞。

（3）運行中不及時對定子內冷水水流量、壓力、線棒溫差監(jiān)視和對數(shù)據(jù)進行比較分析，而在機組大修期間忽視相關流量試驗，造成了內冷水系統(tǒng)水路堵塞的隱蔽危險。

3.2 預防措施

（1）多年來的運行和檢修實踐證明：雜質、異物進入定子冷卻水中是造成定子冷卻水內冷系統(tǒng)水路堵塞的主要原因之一。防止發(fā)電機定子冷卻水內冷系統(tǒng)水路堵塞應引起發(fā)電廠在安裝與運行、檢修等過程中的高度重視。

（2）優(yōu)化發(fā)電機定子內冷水系統(tǒng)設計選型，從源頭上防止水質污染。定子內冷水系統(tǒng)應采用獨立得閉式循環(huán)水系統(tǒng)，應設置內冷水加熱裝置和溫度自動控制裝置，同時應安裝定子內冷水反沖洗系統(tǒng)。

（3）注意內冷水系統(tǒng)中的金屬部件及密封圈材料的使用，防止定子線棒物理性堵塞。內冷水系統(tǒng)中所有連接管道、閥門、法蘭、彎頭、水泵和水箱、冷卻器等均應使用不銹鋼耐腐蝕材質，內冷水系統(tǒng)管道、閥門密封圈宜全部更換為聚四乙烯墊圈，并1～2個大修周期內定期進行更換。

（4）完善內冷水系統(tǒng)的輔助設施及檢測裝置，進一步提高對內冷水系統(tǒng)的有效監(jiān)控。如內冷水系統(tǒng)中應有斷水保護在線監(jiān)測裝置、漏水檢測裝置及將漏入機內的水排除的措施；內冷水系統(tǒng)應配置進（出）水壓力、流量、出水溫度測量裝置和直接測量進、出水壓差的測量裝置。

（5）嚴格對運行中內冷水質進行控制。①水內冷發(fā)電機的內冷水質應按照D L/T 8 0 1-2 0 1 0《大型發(fā)電機內冷卻水質及系統(tǒng)技術要求》進行優(yōu)化控制，根據(jù)內冷水系統(tǒng)的不同運行條件，內冷水水質應滿足D L/T 8 0 1-2 0 1 0和制造廠的要求。②運行中對內冷水質進行化學監(jiān)督和水質指標跟蹤分析是保證發(fā)電機長期安全穩(wěn)定運行的關鍵一環(huán)，對于一些重要技術問題的認識需要引起相關技術管理人員的高度重視：首先，內冷水質的酸堿度、含氧量、含銅量等指標對水內冷發(fā)電機的影響是緩慢而漸進的，不像電導率對發(fā)電機電氣性能的影響那樣明顯。但是如果這些指標長期超標將會給發(fā)電機定子內冷系統(tǒng)水路堵塞留下事故隱患，故在機組運行中對內冷水質數(shù)據(jù)超標問題應高度重視。其次，隨著內冷水系統(tǒng)的不斷改進和水處理技術的不斷進步，水的標準也在不斷更新，發(fā)電廠技術人員應了解和掌握最新標準，按照最新標準對內冷水質進行控制。如果現(xiàn)有的水處理設備不能滿足新標準要求，對內冷水水質處理系統(tǒng)進行設備改造是很有必要的。最后，關于內冷水質酸堿度、含氧量、含銅量指標的變化應引起技術人員的注意。比如對于發(fā)電機內冷水的酸堿度(p H值），原來的標準都規(guī)定p H值為7～9、銅離子含量≤2 0 μg/L。但目前業(yè)內專家都公認為內冷水p H值最佳范圍為8～9之間，此時不論水中溶氧含量多少，都可以保證銅離子含量≤2 0 μg/L；對于內冷水銅離子含量現(xiàn)行有效的標準D L/T 0 3 9-2 0 0 7《發(fā)電機內冷水處理導則》規(guī)定內冷水銅離子含量≤4 0 μg/L，而G B/T 7 0 6 4-2 0 0 8《隱極同步發(fā)電機技術要求》和D L/T 8 0 1-2 0 1 0《大型發(fā)電機內冷卻水質及系統(tǒng)技術要求》規(guī)定內冷水銅離子含量≤2 0 μg/L，但是D L/T 0 3 9-2 0 0 7規(guī)定取用的是D L/T 8 0 1-2 0 0 2版規(guī)定，而D L/T 8 0 1-2 0 0 2已經(jīng)被D L/T 8 0 1-2 0 1 0代替了；對于控制溶氧量問題，目前很多發(fā)電廠并沒有開展此項測量，是否需要開展該參數(shù)的測量工作，與水系統(tǒng)控制的p H值的能力有關。目前新建機組的內冷水系統(tǒng)控制設備，可以保證水質p H值控制范圍在8～9之間，不再考慮測量溶氧量。從現(xiàn)場看目前仍有很多發(fā)電廠內冷水水質控制范圍達不到D L/T 8 0 1-2 0 1 0規(guī)定要求，p H值控制在8以下偏多，同時也不開展溶氧量檢測工作，而實際溶氧量情況多數(shù)是既非富氧也非貧氧狀態(tài)，這樣的內冷水就是不達標。

（6）嚴格對運行中定子線棒溫度進行監(jiān)視。①嚴格按照D L/T 1 1 6 4-2 0 1 2《汽輪發(fā)電機運行導則》要求，加強監(jiān)視發(fā)電機各部位溫度，當發(fā)電機（繞組、鐵芯、冷卻介質）的溫度、溫升、溫差與正常值有較大的偏差時，應立即分析、查找原因。②定子線棒出水溫度高于8 0℃時，應檢查、綜合分析和反沖洗；達到8 5℃時，應立即停機處理；定子線棒單路出水接頭間溫差達8℃時，應及時分析并安排反沖洗等處理措施。反沖洗無效時，或出水接頭間溫差達1 2℃時，應立即停機處理。定子槽部的中斷，線棒層間各檢溫計測量值間的溫差達8℃時，應作綜合分析，或作反沖洗處理觀察。線棒層間各檢溫計測量值間的溫差達時1 4℃時，應立即停機處理。

（7）定期對發(fā)電機定子線棒進行水沖洗。開機運行前應使用除鹽水作運行流向的水沖洗，直至排水清澈，電導率指標達到標準要求；正常運行期間的停機反沖洗周期，應嚴格按照制造廠要求進行。相同流量下的進水壓力（或進、出水壓力差）比正常值高出1 0%，應對定子冷卻水回路進行反沖洗；發(fā)電機停止運行時，內冷水系統(tǒng)一般仍應繼續(xù)正常運行。如果內冷水系統(tǒng)也因需要停止運行，或進行正反向沖洗操作時，應盡量縮短水系統(tǒng)的停用時間。

（8）必要時對發(fā)電機定子線棒進行化學清洗。如果正如上述發(fā)電機運行中一旦發(fā)生定子冷卻水進水流量或壓力變化很大，而排除表計等沒有問題，電廠應結合發(fā)電機日常運行情況，綜合分析確認發(fā)電機定子線棒內表面結垢所致，并經(jīng)過反復沖洗等一般處理措施后無明顯效果時，應由化學清洗的專業(yè)隊伍對內冷卻水系統(tǒng)組織化學清洗。

3.3 其它措施

為了確保發(fā)電機正常運行時定子線棒的冷卻效果，防止個別水路發(fā)生堵塞，使繞組絕緣局部過熱，發(fā)電機大修時應對內冷水定子線棒分路做流量試驗，以便查出堵塞的分路進行處理。而如果個別支路堵塞，則需進行熱水流試驗。

4 結語

實踐證明，防止發(fā)電機因內冷水質控制不良而導致定子線棒堵塞的主要措施是：基建及機組大修期間加強對定子內冷水系統(tǒng)設計、安裝、工藝管理，運行中嚴格執(zhí)行新的內冷水水質標準及對定子線棒溫度的監(jiān)視，堅持定期對發(fā)電機定子線棒實施水沖洗，必要時對發(fā)電機定子線棒進行清洗。只要嚴格規(guī)范相關措施，由于內冷水質問題而導致發(fā)電機定子線棒故障是完全可以避免的。

[1]國能安全[2 0 1 4]1 6 1號.防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求.

[2]D L/T 8 0 1-2 0 1 0.大型發(fā)電機內冷卻水質及系統(tǒng)技術要求[M].中國電力出版社，2 0 1 1.0 1.0 9.

[3]上海發(fā)電設備成套設計研究院、中國華電工程有限公司組編.大型火電設備手冊汽輪發(fā)電機[M].中國電力出版社，第一版，2 0 0 9.9.

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