秦山320 MW核電機組汽輪發電機空冷系統結露原因分析及處理

趙高玉

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽314300）

0 引言

秦山320 MW核電機組是中國內陸首臺核電機組，坐落在杭州灣畔。汽輪發電機是雙水內冷的空-水-水冷系統，發電機空冷器的冷卻水由杭州灣海水直接供應。根據近年來機組運行實踐發現：發電機空冷器在春、冬季節容易出現結露現象，尤其是在梅雨季節空氣濕度高達95.0%及以上，這種現象更為明顯；給汽輪發電機組安全運行工作帶來了潛在隱患。

1 0320MW核電汽輪發電機空氣冷卻系統工作原理

圖1為發電機空氣冷卻系統圖。發電機空氣冷卻系統是由安裝在發電機轉子兩端的風扇、八組空氣冷卻器、進風室、回風室及定轉子間隙組成。當發電機運轉時，兩端風扇跟隨發電機轉子同步高速旋轉，驅動周圍空氣進入發電機內部的空隙，使發電機兩側A區形成負壓區，將C區的冷卻空氣吸入A區，然后經過兩側風扇送到D區。在風扇的作用下，D區風壓為正壓，分三路進入發電機本體內部，一路進入氣隙，吹拂轉子表面，經定子鐵芯徑向通風道流向鐵芯背部，冷卻定子鐵芯；一路經磁屏蔽徑向通風道冷卻端部結構件；第三路冷卻氣體經定子線圈端部空間沿機座外壁上的通風孔進入定子鐵芯背部空間。三路氣體由機座出風口進入熱風道B區，被空氣冷卻器冷卻，回到C區。如此循環，構成一個封閉循環冷卻系統，實現對發電機的冷卻。

圖1 發電機空氣冷卻系統圖

2 發電機空冷器結露原因分析

2.1 空氣發生結露的原理

空氣由干空氣和水蒸氣兩部分組成。當空氣相對濕度較小時，大氣中水蒸氣的含量少，根據分壓原理，水蒸氣分壓低，相對應的飽和溫度低[1]。當空氣溫度大于水蒸氣飽和溫度時，空氣還能吸收水分，不會結露。如圖2所示，如果空氣中水蒸氣含量不變，對空氣進行冷卻，將從狀態點0變至點1，此時，不會產生結露。繼續降低溫度，到達點2，則空氣溫度等于水蒸氣分壓力對應的飽和溫度，相對濕度達到100%，空氣將不能吸收水分。達到點2后，若再進一步降溫，此時濕空氣總處于飽和狀態，沿飽和線向濕度減小、溫度降低的方向變化，水蒸氣不斷冷凝析出[2]。

圖2 濕空氣冷卻去濕過程圖

2.2 空冷器結露原因分析

發電機空冷系統理論上屬于密閉系統，但由于密封性低的原因，發電機外的空氣會進入發電機空冷系統。在空冷器小室有多處漏風點，如在墻體和補風口結合的部位、冷卻水管與墻體結合的部位以及空冷小室隔離門等部位均有漏點。機組正常運行時，外部空氣經漏風點進入發電機空冷器內，增大了空冷器內冷卻空氣的濕度，極端情況下機內與機外的空氣絕對濕度基本相等。因此，在空氣濕度較高或梅雨季節，大量潮濕空氣進入空冷系統，水蒸氣分壓力增大，露點溫度上升，在同樣的冷卻換熱條件下，冷卻后的空氣溫度將低于露點溫度，冷卻空氣中的水蒸汽將冷凝析出，在空冷器冷卻管外壁結露。

空冷器管壁表面的結露水珠在重力作用下將滴落空冷小室地面，由于空冷系統不嚴密，機外的濕空氣也將源源不斷地進入空冷系統，反復循環，導致發電機小室內積水，引起濕度差動檢漏儀誤報，并對發電機定轉子線圈絕緣壽命帶來不利影響。

2.3 空冷器結露溫度計算

為了進一步證明空冷器表面結露原因，對廠房內結露的溫度，按照如下模式展開運算：

（1）飽和水蒸氣壓力Ps根據廠房內溫度在表1中可獲得；

表1 不同溫度下的飽和水蒸汽壓P s

（2）由廠房內相對濕度U與飽和水蒸氣壓Ps的乘積作為水蒸氣分壓Ps；

（3）由水蒸氣分壓Ps在表1中查找得到露點溫度。對比露點溫度與經海水冷卻后的空氣溫度大小，判斷是否結露。

以本年度2月18日發電機空冷器結露為實踐案例運算。發電機空冷小室C區實際溫度約22℃，相對濕度約80%，空冷器海水實際溫度為11℃，針對露點溫度求數值：

（1）在表1里發電機空冷小室C區溫度22℃對應的飽和水蒸氣壓Ps值為19.82 mmHg；

（2）運算水蒸氣分壓；

（3）求露點溫度。

a.在表1里找到，水蒸汽分壓Ps=15.8560 mmHg。這個方面前后相鄰分布的兩個點（t1，P1）、（t2，P2）依次是（18，15.47）、（19，16.47）；

b.由兩點線性插值，建立方程：

即露點溫度t：

c.把有效數值帶入，

因為露點溫度18.614℃>海水溫度11℃，所以發生了結露現象[2]。

用上述同樣的方法，計算出發電機空冷小室C區溫度約22℃，相對濕度約70%和60%時的結露溫度分別為16.27℃和13.88℃。與空冷器海水溫度表2中的海水溫度比較，發現空冷器結露最有可能發生的月份為1月、2月、3月、4月、11月、12月。

表2 空冷器海水溫度

3 防止結露的方法

3.1 加強空冷系統的密封，減少水蒸氣的進入

從上面分析可知，發電機空冷器結露的主要原因是空冷系統密閉性差，系統外的大量濕空氣進入。因此，加強空冷系統的密閉性可有效控制結露現象。在機組停堆換料期間，發電機停運后可將空冷系統的各處漏風點進行封堵，并用防水涂料粉刷墻體，盡量減少空冷系統空氣與外界空氣對流。在機組運行期間，汽輪機廠房外空氣濕度較大時應及時關閉汽輪機廠房窗戶，停止屋頂風機，盡量減少濕空氣對流，避免發電機小室結露。

3.2 適當減少發電機空冷器冷卻水量

可降低空冷器冷卻效果，將冷卻空氣溫度控制在露點溫度以上，能有效防止結露。為此，可減少流過空冷器的冷卻海水流量，降低冷卻效果，提高空冷器管表溫度。但是空冷系統的目的在于冷卻發電機鐵芯及線圈，減少發電機空冷器冷卻水量，將會引起發電機進風溫度升高。如果發電機進風溫度過高，發電機鐵芯熱量不能及時散熱帶出，發電機絕緣將會因溫度過高而加速老化。相反，發電機空冷器會結露。

3.3 對發電機內空氣進行除濕干燥

上述兩種防止結露的方法（減少水蒸氣進入或控制冷卻海水量）在發電機空冷器結露不嚴重的情況下，實際工作中可收到較好的效果，但是在梅雨季節或者冬季海水溫度較低時發電機空冷器結露現象還是無法有效的控制。因此，借鑒發電機封閉母線的空氣干燥裝置的除濕功能，建議在發電機空冷系統中安裝一套空氣除濕裝置來控制發電機空冷器結露的現象。

表3 環境空氣濕度

發電機空冷系統空氣除濕裝置的功能是用以清除發電機內冷卻空氣中的水分。在發電機空冷系統A區和B區安裝濕度監測儀可實時監控進出發電機空氣的相對濕度。由B區的濕度監測儀控制循環風機啟停，當B區空氣濕度大于50%時，B區濕度監測儀向循環風機發送啟動信號，循環風機自動啟動。此時，除濕裝置開始從B區吸入濕空氣，然后送入吸附式干燥器，最后，將干燥的空氣返回至A區。當B區空氣濕度小于40%時，B區濕度監測儀向循環風機發送停止信號，循環風機自動停運，發電機空氣除濕裝置示意圖如圖3所示。

圖3 發電機空氣除濕裝置圖

吸附式干燥器的旁路閥可以隔離干燥器，在空冷系統空冷器海水流量調至最小時，發電機內空氣仍然較低，可以通過發電機除濕裝置分流熱風室B中的空氣，不經空冷器直接送到發電機A區。路徑為發電機B區—循環風機—吸附式干燥器旁路閥—發電機A區。

4 結論

發電機空冷系統結露標志著發電機內部冷卻空氣濕度較大，潮濕空氣會降低發電機定子繞組、轉子繞組之間的絕緣電阻，絕緣電阻降低會增強繞組之間的電場，造成繞組絕緣老化，嚴重時繞組絕緣被擊穿造成發電機定子或轉子繞組短路，影響發電機安全運行。

要徹底解決發電機空冷器結露問題，防止隱患威脅機組安全穩定運行，根據發電機封閉母線空氣干燥裝置的高效、穩定運行情況，建議在下次機組停堆換料期間，在發電機空冷系統安裝除濕裝置。