干冰清洗技術在水電站機組檢修中的應用

陳明輝

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 引言

廣州抽水蓄能電廠（以下簡稱廣蓄電廠）位于廣州市從化區境內，距廣州市120 km，廣蓄A、B 廠總裝機容量為2 400 MW（8×300 MW），其中A 廠(一期工程)裝機容量為1 200 MW（4×300 MW），于1994 年全部建成投產。廣蓄B 廠(二期工程)裝機容量為1 200 MW（4×300 MW），于2000 年全部建成投產。2020 年10 月份在進行B 廠5 號機組A 級檢修過中，對發電機定子繞組清洗過程中，首進引進了干冰清洗技術，改變了傳統的清洗工藝手段，不僅在清洗效率上有了非常大的提高，而且在清洗質量上也達到了理想的效果。

2 工作原理

干冰清掃又稱為干冰冷噴射清洗，是利用干冰（CO2）對相關設備表面進行清掃服務，以去除附著在設備表面的油污、灰塵等污染物。干冰清掃是在不改變被清除設備表面化學特性的條件下，通過干冰清洗機將干冰顆粒進行分解后，以壓力噴霧狀的方式覆蓋急凍被清除物，低溫接觸使污染物形成微裂紋，霧狀干冰通過裂縫進一步進入內表面并迅速膨脹，達到分解效果，最終迫使被清洗物剝離附體。

最后階段的干冰顆粒已經轉化為在污染物表面下迅速膨脹的無害CO2氣體。然后將污染物重新定位，通常落在地面上，由于干冰蒸發，因此只需處置污染物。

圖1 干冰清洗原理圖

3 干冰清洗設備構成

圖2 干冰清洗設備系統圖

3.1 干冰清洗機

干冰清洗機的工作原理與噴鋼砂、噴塑料砂相似，在干冰清洗作業時使介質干冰顆粒在高壓氣流中加速，通過噴嘴噴出，沖擊待清洗表面。目前市面上已經有較成熟型號的干冰清洗機，根據每小時的干冰消耗量的大小，價格在幾千元至幾萬元之間不等，采購可結合平時清掃時的工作量來選擇具體型號。一般干冰消耗量在（0~25 kg/h）可基本滿足水電站機組檢修清掃使用。

3.2 干冰材料

干冰作為一種即時消耗品并不能進行長期存儲，因此對于清洗時需要使用的干冰可以采取兩種方式：一是將液態的CO2放入干冰造粒機，即可獲得干冰；二是直接從供貨商處購買。水電站機組檢修干冰材料由于需要量不是很多，建議直接購買成品，干冰儲存于泡沫箱內一般可以保存2~3 d 左右，放專用干冰保溫桶可保存6~10 d 左右。直接采購的干冰價格大約在5 元/kg 左右。

3.3 空氣壓縮機

干冰清洗設備跟許多工業清洗設備是一樣的，除了清洗設備本身，還需要空氣壓縮機進行動力的提供。空氣壓縮機的選用型號取決于干冰清洗機技術說明書上要求的壓縮空氣供應量，壓縮空氣要求清潔、無油、干燥、無異物，所以最好用無油的空氣壓縮機，如果是螺桿式的，可以在外面加一個濾油器。

3.4 干冰機噴嘴

噴嘴是干冰清洗系統中的關鍵部位之一，其作用是改變氣、固兩相流體的運力和動力特性。在噴射過程中，噴嘴的結構、氣流的超音速自由噴流流場、顆粒的密度等參數對氣、固兩相流的動力特性都有影響。針對不同的清洗部位可以選擇不同外形的噴嘴，特殊結構的部件可以通過定制特殊外形的噴嘴。

圖3 干冰機噴嘴型式

4 干冰清洗在機組檢修中的優勢

（1）對于機組檢修中有電氣絕緣性能要求的結構部件，比如發電機定子繞組、發電機轉子的磁極繞組等結構部件，采用干冰清洗技術，不但能有效清理附著于絕緣表面的油污、灰塵等，而且能確保不破壞這些設備的絕緣層。

（2）對于機組檢修中常規的結構件清洗，如空氣冷卻器、金屬構件接合面表面、管路內壁、氣罐內腔等表面，去除表面的油污、脫落的油漆、鐵銹部位，采用干冰清洗技術，能夠有效快速的清理部件的各個部位，達到較好的清洗效果。

5 發電機定子與轉子采用干冰清洗的優點

5.1 清洗材料對比

傳統的清掃方式：需要使用清洗劑和酒精，都屬于化學試劑，對環境有污染，清洗材料對機組絕緣有腐蝕作用，清洗材料對人體有害。

干冰清掃方式：需要使用干冰材料，干冰的特性是由固態直接到氣態CO2，對環境沒有任何影響、CO2直接清掃，不會腐蝕機組絕緣。清洗過程中的氣化的CO2非常少，對人體無害。

5.2 清洗方式及清洗效果

傳統的清掃方式：需要人工做好防護，使用棉布等清洗工具進行清洗。清洗后會形成大量的工業垃圾（帶腐蝕性化學試劑）。狹小施工空間無法清洗，如定子繞組清掃基本上只能清掃到60%~70%的區域。清洗后，被清洗區域會有粘附溶劑，本身對設備的運行有影響，清掃無法達到預期效果。

干冰清掃方式：清洗完成后，不會形成任何工業垃圾。狹小空間幾乎不影響清洗效果，基本上能做到全面清掃。對于設備清掃，表面沒有任何遺留物。

5.3 時間及人工投入

傳統的清掃方式：不僅需要投入較長的時間，占用檢修關鍵線路直線工期，而且需要投入大量的人力。

干冰清掃方式：施工時間非常短，清理快，只需要幾個經過培訓的專業清洗工和無污染的干冰材料。

5.4 施工風險

傳統方式：大量人員施工，交叉作業等，安全風險大，風險可控性差清洗劑都屬于易燃物質清洗后的垃圾處理非常困難，污染環境。

干冰清掃方式：沒有交叉作業，專業人員操作施工，風險可控性好，不屬于易燃物質，無清洗后的垃圾污染環境。干冰清洗設備是采用自身的部件形成高壓壓縮空氣，碎化干冰噴出，利用干冰從固態到氣態的直接轉化特性（沒有液態）。并且是專用器皿包裝，現場施工只需要防止接觸人員皮膚凍傷及噪音防護外，沒有其他風險，施工工藝非常環保，沒有任何化學有毒物質產生，不會對環境造成污染。

6 干冰清掃注意事項

從清洗方法本質上來分析，清洗方法的第一原則是既要確保被清洗設備的基本性能不被破壞，又要達到清洗的目的。干冰清洗技術也要遵守這個原則。而干冰清洗是將干冰顆粒分解后以壓力霧狀方式噴射到設備的表面，設備表面必然要承受一定的風壓，如果設備表面硬度差，不能承受一定的風壓，則不能采用干冰清洗技術。

同時干冰清洗過程中會產生高分貝的噪音，因此在整個清洗過程中，操作人員及靠近清洗區域的人員需要正確配戴耳塞、耳罩等護耳設備。

7 案例運用情況

7.1 在機組A 級檢修中的應用

水電站機組A 級檢修過程中，定子與轉子的清掃工作是必須進行的，受限于這些設備的結構特性，部分位置的清掃效果不理想甚至無法完成。特別是定子繞組端部的斜邊墊塊縫隙，定子鐵芯通風槽、轉子磁極繞組、轉子磁軛通風槽等部位，由于空間狹小，普通的清洗手段不僅效率不高，而且基本上無法達到滿意效果。發電機設備的清洗需要一種新型的清洗手段來完成，2020 年10 月份廣蓄電廠在進行B 廠5 號機組A 級檢修過中，對發電機定子繞組上下端部清洗過程中，首次引進了絕緣干冰清洗技術，由專業化的干冰技術清洗公司進行。

考慮到廣蓄電廠采用干冰清洗發電機定子繞組的方式屬于首次應用，干冰接觸到定子繞組表面，是否會造成其絕緣外層防暈材料和絕緣性能下降。清洗公司承諾干冰清洗對發電機定子繞組的電氣絕緣性能不會改變，他們也有過很多成功的案例。廣蓄5 號機組A 級檢修項目組決策領導為了慎重起見，在干冰清掃全面投入使用前，專門拿一根定子繞組備品線棒進行干冰清洗的試驗，通過測試備品線棒清洗前后的絕緣、直流耐壓及泄漏電流試驗，備品線棒的絕緣性能沒有發生明顯變化。

B 廠5 號機組定子繞組上下端部清洗，干冰清洗時間3 人/1 d 完成，較以往采用人工清洗方式，清洗時間上大大縮短，以往采用人工清洗的方式至少要安排8 人/4 d 完成。而且采用人工清洗的方式，很多定子繞組的背面、下層線棒人工清洗工具不能到達的區域，采用干冰清掃的方式都能很好的完成，總體清洗的效果比采用人工清洗的方式要提高很多。

5 號機組定子繞組上下端部整體清洗結束后，進行了定子直流耐壓及泄漏電流試驗。對比試驗前后數據，定子絕緣性能在干冰清掃前后未發生明顯變化。

圖4 干冰清洗發電機定子繞組

7.2 在機組緊急搶修中的應用

2021 年10 月24 日21：15：00，廣蓄電廠8 號機組發生一起因監控系統程序設計不完善導致機組從零轉速到額定轉速升速過程中機械剎車誤投入，造成廣蓄8 號機組剎車片磨損后產生的粉末污染了發電機定轉子的緊急缺陷。由于發電機定子與轉子的間隙僅50 mm 左右，采用傳統的人工清洗方式基本無法進行，必須將轉子的磁極全部拆除后才有可能完成，發電機轉子磁極的拆卸與回裝將耗費大量人力和時間，初步排列整個清洗完成工期大概為28 d。

后經8 號機組搶修組研討，決定緊急由干冰清洗專業公司采用干冰清洗方式進行清洗，采用一種合適大小的干冰噴嘴，讓其能在發電機定轉子空氣間隙中上下移動，只要將干冰機的氣管接長，就可以保證很好的對發電機定轉子進行清洗。同時將發電機空冷器拆卸下來，也采用干冰清洗的方式進行。

由于采用干冰清洗技術，省略了轉子磁極拆卸與回裝的直線工期，為本次8 號機組提前并高質量的完成故障修復奠定了重要的基礎。最終8 號機組故障的搶修，從發現故障到完成清掃交回電網系統備用縮短至5 d。

圖5 干冰清洗發電機空冷器

8 結語

通過以上兩起干冰清洗技術在廣蓄電廠發電機清洗中的運用案例分析，說明干冰清洗技術不僅能提升工作效率，而且能完成很多受空間限制，人工清洗無法完成的區域，在清洗效果以及保證電氣絕緣性能上都是有可靠保證的。

但是目前干冰洗掃技術在國內水電站機組檢修中的應用還未完全普及，一方面受限于目前干冰清洗主要由國內少數專業清洗公司進行，清洗服務收費相對較高，這在很大程度上制約了該技術的普及。另一方面干冰清洗這一節能環保的清洗技術，建議管理部門加大這一先進技術在水電行業機組安裝與檢修中的宣傳、應用和推廣，使其成為水電站安裝與檢修清洗中的一種常規方法。