發(fā)電機(jī)定子冷卻水流量參數(shù)異常診斷及處理

包小涵，江 成，楊澤秋

（華能?chē)?guó)際電力江蘇能源開(kāi)發(fā)有限公司南通電廠，江蘇南通 226000）

0 引言

對(duì)于定子繞組水內(nèi)冷的發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)至關(guān)重要。由于發(fā)電機(jī)定子線圈在運(yùn)行過(guò)程中由于存在銅損和鐵損而產(chǎn)生熱量，定冷水主要用于冷卻定子線圈，避免溫度過(guò)高造成定子線圈的絕緣強(qiáng)度下降。

某電廠350 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組采用定子繞組水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷、鐵芯氫外冷的冷卻形式。系統(tǒng)主要由2 臺(tái)100%容量的定冷水泵、1 臺(tái)冷卻器、1 臺(tái)過(guò)濾器、1 個(gè)水箱、1 臺(tái)離子交換器等組成。系統(tǒng)的正常補(bǔ)水采用除鹽水（凝結(jié)水僅作應(yīng)急補(bǔ)水水源），補(bǔ)水經(jīng)濾網(wǎng)、離子交換器后進(jìn)入定冷水箱。

正常運(yùn)行狀態(tài)下，絕大部分定冷水由在定冷泵作用下，由定冷水箱進(jìn)入冷卻器，再經(jīng)過(guò)過(guò)濾器，然后分別進(jìn)入發(fā)電機(jī)定子繞組和勵(lì)磁變，最后經(jīng)由3 條支路（定冷水主回水、連接環(huán)回水、勵(lì)磁變回水）回到定冷水箱，另有一小部分定冷水經(jīng)過(guò)過(guò)濾器后進(jìn)入離子交換器，用于改善定冷水整體進(jìn)入發(fā)電機(jī)定子線圈的水質(zhì)，然后回到水箱。

正常運(yùn)行過(guò)程中，定冷水進(jìn)水壓力約3 bar（1 bar=0.1 MPa），定冷水箱水位約450 mm（滿量程為550 mm），定冷水進(jìn)水流量穩(wěn)定在1000 L/min 左右，連接環(huán)回水為270 L/min 左右，勵(lì)磁變回水在280 L/min 左右，流量測(cè)量均采用差壓式孔板流量計(jì)。

1 定冷水系統(tǒng)流量參數(shù)異常現(xiàn)象

1.1 定冷水進(jìn)水流量波動(dòng)

該機(jī)組定冷水系統(tǒng)定冷水進(jìn)水流量“三取二”改“四取三”，增設(shè)流量開(kāi)關(guān)管路改造后首次投用。啟泵后，定冷水流量立即出現(xiàn)大幅波動(dòng)，波動(dòng)范圍在930～1030 L/min，并泵、對(duì)測(cè)量管路進(jìn)行排空氣操作均無(wú)作用，連接環(huán)回水流量及勵(lì)磁變回水流量均在270 L/min，且均無(wú)波動(dòng)情況，定冷水系統(tǒng)投用過(guò)程中各項(xiàng)操作均與改造前一致。

1.2 連接環(huán)回水流量波動(dòng)

（1）某日該機(jī)組調(diào)停后開(kāi)機(jī)，定冷水系統(tǒng)投運(yùn)后連接環(huán)流量出現(xiàn)波動(dòng)情況，機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)準(zhǔn)備前期，啟動(dòng)定冷泵，此時(shí)定冷水流量穩(wěn)定，約為967 L/min 左右，連接環(huán)流量在260～309 L/min 間波動(dòng)，并泵未能消除流量波動(dòng)，機(jī)組并網(wǎng)后監(jiān)視定子線圈溫度無(wú)異常，就地?zé)o泄漏現(xiàn)象，隔日并泵后恢復(fù)正常（圖1）。

圖1 并泵后連接環(huán)流量穩(wěn)定

（2）某日該機(jī)組調(diào)停后開(kāi)機(jī)，投運(yùn)定冷水系統(tǒng)，此時(shí)定冷水流量約967 L/min，流量穩(wěn)定，連接環(huán)流量在258～315 L/min 之間波動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)檢查無(wú)泄漏，測(cè)量管路排空氣，管路內(nèi)負(fù)壓側(cè)水流呈間斷性排出。運(yùn)行半個(gè)月左右連接環(huán)流量依然不穩(wěn)定，期間多次進(jìn)行并泵運(yùn)行，每次并泵時(shí)長(zhǎng)約為5 min，連接環(huán)流量仍在250～310 L/min 之間波動(dòng)（圖2）。停機(jī)檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)連接環(huán)回水管路內(nèi)壓力與大氣壓力幾乎一致，勵(lì)磁變回水管路內(nèi)存在負(fù)壓。

圖2 并泵后連接環(huán)流量波動(dòng)

2 定冷水系統(tǒng)各流量異常原因分析

2.1 正常運(yùn)行狀態(tài)及工作原理

定冷水系統(tǒng)各流量取樣及各管路走向如圖3 所示。

圖3 定冷水系統(tǒng)各流量取樣及各管路走向

定冷水進(jìn)口流量取自定冷水泵出口，流量和壓力測(cè)點(diǎn)因?yàn)榫嚯x水泵出口較近均有較大波動(dòng)，定冷水主回水管道從發(fā)電機(jī)端部回水，靠近管道出口處設(shè)計(jì)防虹吸管道，與水箱上部連接通過(guò)水箱上部放空管與大氣聯(lián)通，用于打破虹吸作用，防止發(fā)電機(jī)定子線棒內(nèi)的水被吸回水箱。連接環(huán)回水流量與勵(lì)磁變回水流量管徑相近，約為進(jìn)水流量或主回水管管徑的1/2，運(yùn)行中均為滿管。因此，在豎直管段上，所有管路均可看作滿度和坡度相同的管道。水力半徑與管道半徑成正比，管徑越大，相應(yīng)的流速就越大。因此在系統(tǒng)停運(yùn)過(guò)程中，主回水管路與進(jìn)水管路中的水更快回落至水箱或水平管段。連接環(huán)流量由于與進(jìn)水管路相通，回水量相對(duì)較少，而勵(lì)磁變管路由于進(jìn)回水均為細(xì)管段，兩側(cè)回落速度均較慢。當(dāng)水箱滿水后，放空管入口也已充水，勵(lì)磁變管路內(nèi)會(huì)形成一定的負(fù)壓，即：

其中，H 為勵(lì)磁變回水管路內(nèi)壓力平衡后的等效高度。

連接環(huán)回水與勵(lì)磁變回水管路進(jìn)入水箱前，豎直管道上均有一段1 m 左右的擴(kuò)大管，回水測(cè)點(diǎn)安裝在擴(kuò)大管前。對(duì)于同一直管段，管路的突然擴(kuò)大會(huì)導(dǎo)致流速降低，根據(jù)伯努利方程：

由于管段為豎直管段，進(jìn)入擴(kuò)大管段后壓力會(huì)降低，因此受到影響時(shí)容易出現(xiàn)擴(kuò)大管不滿管現(xiàn)象，從而導(dǎo)致流量參數(shù)異常。

2.2 定冷水系統(tǒng)流量波動(dòng)原因

2.2.1 定冷水進(jìn)水流量改造后波動(dòng)原因

定冷水進(jìn)水流量取樣點(diǎn)靠近水泵出口，根據(jù)其工作原理，會(huì)存在一定程度的波動(dòng)，但改造前流量十分穩(wěn)定。對(duì)比改造前后的流量取樣管路，發(fā)現(xiàn)孔板取樣出口原來(lái)使用的接頭內(nèi)置有阻尼件，減少了壓力波動(dòng)，使流量測(cè)量值較為穩(wěn)定。更換內(nèi)置阻尼件的接頭后，定冷水進(jìn)水流量測(cè)量值恢復(fù)穩(wěn)定。

2.2.2 連接環(huán)回水流量調(diào)停后波動(dòng)原因

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查，并對(duì)從連接環(huán)流量波動(dòng)狀態(tài)以及過(guò)往操作過(guò)程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)每一次停機(jī)后再啟機(jī)均會(huì)發(fā)生不同程度的連接環(huán)流量波動(dòng)，可能的原因有：

（1）連接環(huán)流量測(cè)量?jī)x表及測(cè)量管路存在大量空氣。①停機(jī)后定冷水回落水箱，儀表管路內(nèi)的存水被大量帶走，導(dǎo)致測(cè)量管路內(nèi)可能存在空氣；②由于停運(yùn)過(guò)程中，連接環(huán)回水管路內(nèi)壓力幾乎和大氣壓力相等，相較于負(fù)壓的勵(lì)磁變，需要更長(zhǎng)時(shí)間排出管路內(nèi)的空氣。

（2）部分參數(shù)控制和管系特性配合不當(dāng)。定冷水箱標(biāo)高550 mm，日常運(yùn)行過(guò)程中，水位常常控制在400 mm 以上，高水位保證了即使在并泵過(guò)程中也不會(huì)出現(xiàn)打空泵的情況，確保定冷水泵以及進(jìn)水的穩(wěn)定性。但在停運(yùn)時(shí)，回水大量落回定冷水箱，直接沒(méi)過(guò)排空管口，導(dǎo)致勵(lì)磁變管路內(nèi)形成負(fù)壓。一方面，當(dāng)再次啟機(jī)時(shí)作為并聯(lián)管路，充滿勵(lì)磁變回水的管路所需的壓降及管道內(nèi)空氣阻力均遠(yuǎn)小于連接環(huán)回水管路；另一方面，水位沒(méi)過(guò)水箱排空口，這意味著水進(jìn)入了防虹吸管，直接導(dǎo)致系統(tǒng)排空氣能力降低。由流量波動(dòng)檢查過(guò)程中多次排空氣，負(fù)壓側(cè)排水均有波動(dòng)可知，存氣并不是單純的測(cè)量管路內(nèi)存有空氣，而是系統(tǒng)內(nèi)空氣未能排盡，且負(fù)壓側(cè)靠近擴(kuò)大管段，說(shuō)明管內(nèi)壓力不足以排出擴(kuò)大管內(nèi)的空氣，導(dǎo)致負(fù)壓側(cè)擾動(dòng)，造成流量參數(shù)異常。

更重要的是，根據(jù)伯努利方程，系統(tǒng)內(nèi)含空氣的狀態(tài)下啟動(dòng)后，在連接環(huán)回水形成時(shí)，管路內(nèi)壓力可得瞬時(shí)方程：

其中，為發(fā)電機(jī)頂部連接環(huán)回水壓力，Δh 為發(fā)電機(jī)頂部至定冷水箱液位的高度差。在其他條件不變的情況下，水箱液位較高，即Δh 減小時(shí)，排出空氣的能力會(huì)更小。

3 總結(jié)

通過(guò)檢查分析可知，定冷水系統(tǒng)流量參數(shù)異常的原因?yàn)椋孩俣ɡ渌M(jìn)水流量取樣靠近定冷泵出口，而沒(méi)有采用內(nèi)置阻尼件的接頭；②啟機(jī)過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)及測(cè)量管路內(nèi)含有大量空氣，單泵出力較難排凈；③運(yùn)行過(guò)程中，水箱水位控制過(guò)高，回水沒(méi)入排空管和防虹吸管，造成第二次啟機(jī)系統(tǒng)內(nèi)排空氣困難。

為防止定冷水系統(tǒng)出現(xiàn)異常波動(dòng)，可以采取以下應(yīng)對(duì)措施：①對(duì)流量、壓力波動(dòng)大的表計(jì)，在取樣出口處增設(shè)阻尼件，可以在減少波動(dòng)的同時(shí)保證準(zhǔn)確測(cè)量；②投運(yùn)前期，少量多次并泵運(yùn)行，排出管路內(nèi)的空氣，管路內(nèi)空氣較難排出時(shí)可以適當(dāng)降低水箱水位，以減少排空氣阻力；③可在啟機(jī)前/停機(jī)后，降低水箱水位，保證防虹吸管和排空管內(nèi)無(wú)積水，有運(yùn)行需要再行補(bǔ)水。