大型發電機定子冷卻水水質劣化問題探討

商桐友

（華電國際鄒縣發電廠，山東鄒城 273500）

0 引言

由于水內冷發電機具有單機容量大、體積小、重量輕等優點，發電機的定子繞組水內冷技術廣泛應用在大型發電機中。在實際運行中發現，發電機的定子冷卻水主要存在電導率偏高、pH 偏低、銅離子含量高等常見問題，是造成定子冷卻水水質不合格的主要原因。以某635 MW 機組為例，結合生產中出現的實際問題，摸索解決定子冷卻水水質劣化的處理辦法。

1 系統概述

某635 MW 機組發電機由日本日立公司和中國東方電氣集團公司聯合設計、聯合制造的水-氫-氫冷卻式同步交流發電機，額定出力635 MW。發電機定子繞組采用水內冷方式，研究發現采用水冷方式的效果遠遠優于氫氣冷卻效果。這種方式繞組的導體一方面充當導電回路，另一方面又作為通水回路，通過空心銅管內冷卻水帶走定子線棒運行中產生的熱量，實現冷卻的效果。定子冷卻水系統主要有：定子冷卻水泵、水箱、溫控閥、壓力控制閥、冷卻器等主要設備。系統配備2 臺定子冷卻水泵，正常運行中一臺保持連續工作，另一臺作為備用泵，并且定期切換。定子冷卻水泵用來將定子冷卻水升壓送入冷卻器，流經溫控閥、壓力控制閥，將工作水控制在合適的進水溫度和壓力后，進入發電機冷卻定子線棒，實現冷卻效果。熱量交換完成后的水，重新返回水箱，完成一次閉式循環。

2 問題

電力行業標準DL/T 801—2010《大型發電機內冷卻水質及系統技術要求》規定：電導率0.4～2.0 μS/cm，pH 值8.0～9.0，含銅量≤20 μg/L，溶解氧≤30 μg/ L。為提高系統運行安全性，某635 MW 機組在實際運行中制定了更加嚴格的水質標準：電導率控制標準為0.4～1.5 μS/cm，pH 值控制標準8～9，銅離子控制標準≤15 μg/L。可以看出，發電機內冷水最主要的三項水質數據是電導率、pH 值和銅離子含量。在發電機長期運行中發現，定子冷卻水水質有劣化趨勢，普遍存在電導率高、pH 值低、腐蝕產物銅離子超標等問題。

3 原因分析

通過實際運行經驗可以發現，電導率高、pH 值低和銅離子超標等問題并不是單一存在的，有時會同時出現多種水質問題，探究出不同問題的內在聯系，有助于徹底解決水質劣化問題。

3.1 銅離子含量與pH 值關系

通過查看Cu-H2O 體系電位—pH 平衡圖（圖1）可知，Cu 的熱力學免蝕區與H2O 的熱力學穩定區有一部分是重疊的，說明在pH≥7.6 和有氧化劑存在時，銅表面形成的氧化物具有穩定性，可以實現保護銅基體的效果，即銅離子含量與pH 值呈反比關系。

圖1 Cu-H2O 體系電位—pH 平衡

水內冷發電機最大的問題是銅導線的腐蝕，銅導線的腐蝕會引起冷卻水中銅離子含量增加、冷卻水電導率上升，導致發電機泄漏電流增加、絕緣性能下降等問題。通過銅離子含量與pH 值的反比關系可知，提高pH 值可有效降低銅離子含量。研究發現pH 值7～9 時，銅腐蝕速率最低。內冷水pH=7 時，銅腐蝕速率隨水中溶氧量變化而起伏較大，pH 達到8 時，銅腐蝕速率隨水中溶氧量變化而起伏的程度大幅減弱，pH＞8 時，銅腐蝕速率趨于穩定。因此，實現內冷水pH 值的精準控制，即可抑制發電機銅腐蝕問題。

3.2 電導率與pH 值之間的關系

pH 值偏低，內冷水酸性增強，與發電機銅導線發生化學反應，引起冷卻水中銅離子含量增加，使定子冷卻水的電導率增大。如果定子冷卻水pH 值過高，同樣會造成堿性腐蝕，引起定子冷卻水銅離子超標，導致電導率上升。一般在pH 值為7～10時，銅離子區域穩定，電導率相對較低。

3.3 內冷水系統問題

（1）發電機內冷水系統有兩路水源供給：凝結水和除鹽水。由于凝汽器的滲漏現象會導致內冷水電導率超標，一般只采用除鹽水作為系統補水。除鹽水補水管路長，系統嚴密性問題會導致空氣中二氧化碳、氧氣溶入定子冷卻水中，引起pH 值降低，銅離子含量增加，電導率增大。

（2）系統內漏。例如定子冷卻水冷卻器泄漏，導致水質劣化。

（3）定子冷卻水離子交換器樹脂失效導致電導率增加。

（4）除鹽水水質不合格造成內冷水水質劣化。

（5）儀表測量不準確。儀表設備長期運行準確性降低。

（6）系統檢修、更換管道部件等設備后沖洗不完全，將雜質引入內冷水系統。

4 處理措施

（1）優化密封條件。為保證除鹽水管路的嚴密性，管路設計上盡量減少管道行程，全面排查管道、閥門等節點部位密封不嚴問題。為防止定子水箱密封不嚴，可考慮在定子冷卻水箱上部設置充氮密封，水箱上部空間保持微正壓，使定子水箱內的水與空氣隔絕。

（2）定期組織定子冷卻水系統查漏工作，消除系統內漏隱患?？赏ㄟ^經驗數據比對、限時計算補水量與排水量的差值等方法查找是否存在漏點。

（3）定期檢查定子冷卻水離子交換器樹脂是否失效。根據離子交換器進水和出水電導率情況、離子交換器壓力損失情況、樹脂觀察窗檢查情況判斷樹脂是否失效，避免樹脂失效運行，保證離子交換器出水電導率在允許范圍內。

（4）保證除鹽水補水合格率。在定子水箱補水前，沖洗補水管路，化驗補水水質合格后方可進行補水。

（5）校驗在線儀表精度。定期檢查、校驗儀表，跟蹤化驗水質，比對人員實測數據與在線測量數據，調節儀表準確度，保證內冷水質合格。

（6）除鹽水或內冷水系統檢修時，如果出現設備更換、管道焊接等處理方式，需要完全沖洗干凈，化驗管路出口水質合格后，方可投入系統運行。

（7）增加內冷水微堿化裝置。通過在定子水系統中加裝SL-6 型第六代發電機內冷水微堿化膜處理裝置，解決發電機線棒的腐蝕等問題，降低內冷水中銅離子含量。

SL-6 型內冷水微堿化膜處理裝置采用類石墨烯膜微堿化處理技術，可以去除內冷水中的離子態銅、固態銅、機械雜質及不溶物，保留有益的堿性離子，避免因水中雜質問題造成的發電機銅導線堵塞、沖擊腐蝕等隱患。同時可以去除內冷水中大分子量物質，輔助降低電導率，大幅度延長離子交換樹脂的運行時間。利用離子交換樹脂吸附水中其他的陰陽離子，與此同時，再通過微堿化技術向內冷水釋放微量的堿性物質。

5 實施效果

實施一系列改善措施后，定子水水質得到提高，水質平穩、合格，電導率長期穩定在0.5～0.9 μS/cm，內冷水pH 得到有效提高，均維持在8～9，銅離子含量較之前降低效果明顯，基本穩定在7 μg/L 以下，完全符合電力行業標準中對大型發電機內冷水質的要求，保證了內冷水水質安全、優標，保護發電機安全。

6 結束語

發電機內冷水水質直接影響發電機的安全穩定運行?？偨Y機組長期運行規律，不斷摸索控制內冷水水質在合適范圍內的方法。加裝內冷水微堿化膜處理裝置后，結合優化水質、系統查漏、設備校驗等工作，將內冷水pH 值、電導率、銅離子含量控制在允許范圍內，保證內冷水系統安全穩定運行。