發(fā)電機定子線棒堵塞治理與定冷水水質(zhì)優(yōu)化

關(guān)玉芳，樓新明，馮禮奎

（1.浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 金華 321100；2.浙江電力試驗研究院，杭州 310014）

1 發(fā)電機定子線棒堵塞現(xiàn)象

某600 MW發(fā)電機為東方電機股份有限公司引進日立公司技術(shù)制造，采用水-氫-氫冷卻方式，即定子繞組直接水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子繞阻和定子鐵心氫冷。機組于2006年4月投產(chǎn)運行，2008年7月開始出現(xiàn)發(fā)電機定子繞組層間溫差偏高、定冷水流量下降現(xiàn)象，至2009年4月發(fā)電機定子繞組層間溫差超過8℃，最大溫差達10℃以上，定冷水流量由新投運時的90 t/h下降到83 t/h左右。為保持機組穩(wěn)定運行，運行人員通過提高定冷水壓力或在線反沖洗的辦法，暫時將線棒的溫差控制到8℃，但問題無法得到根本解決，在線沖洗效果越來越差。

根據(jù)上述現(xiàn)象初步分析認為定子線棒堵塞的可能性很大，2010年3月機組B修期間對發(fā)電機定子線棒進行割管檢查，將運行中線圈層間溫差最大的39號槽線圈出水端引水管接頭割開，用內(nèi)窺鏡檢查，發(fā)現(xiàn)上下層線圈的并頭套內(nèi)線棒端口處結(jié)垢嚴(yán)重，部分空心導(dǎo)線出水口堵塞面積近1/3，圖1為39號槽上層線圈內(nèi)窺檢查情況。據(jù)此認定線棒空心導(dǎo)線堵塞是導(dǎo)致定冷水流量下降、定子繞組溫差上升的主要原因。

圖1 39號槽上層線圈內(nèi)窺照片

2 線棒堵塞原因分析

對空心導(dǎo)線內(nèi)的垢樣進行成分分析，發(fā)現(xiàn)銅氧化物占80%以上，表明造成空心導(dǎo)線堵塞的物質(zhì)主要是銅腐蝕產(chǎn)物，也反映出定冷水系統(tǒng)運行過程中銅腐蝕未能得到較好控制，銅腐蝕產(chǎn)物在部分空心導(dǎo)線內(nèi)長期沉積導(dǎo)致通流面積減小。

定冷水系統(tǒng)自投運以來一直采用小混床旁路部分處理方式，最大處理量為定冷水流量的4%，小混床裝填氫型陽樹脂和氫氧型陰樹脂，陽、陰樹脂裝填比例為1:2，定冷水箱為敞開式，未采取充氮或水封等密封措施，系統(tǒng)補水來自化學(xué)制水車間除鹽水箱，除鹽水pH值一般在6.2～6.8之間。在這種處理方式下，定冷水系統(tǒng)長期在低pH值、高溶氧的水質(zhì)條件下運行，自投運以來定冷水水質(zhì)基本保持在pH值低于7、銅離子10～20 μg/L、電導(dǎo)率小于0.2 μs/cm的水平，雖然銅含量和電導(dǎo)率滿足DL/T 801-2002《大型發(fā)電機定冷卻水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求》規(guī)定，但較低的pH值加上敞開式環(huán)境造成銅導(dǎo)線腐蝕依然非常嚴(yán)重。

銅腐蝕速率與水的pH值及溶氧量有關(guān)[1]，如圖2所示。銅在含氧水中腐蝕產(chǎn)物為銅氧化物，一般情況下銅氧化物在銅的表面形成一層保護層，而隨著腐蝕的進行，氧化層不斷變厚并發(fā)生脫落。銅的腐蝕速度主要取決于水的含氧量和pH值，含氧量在200～300 μg/L范圍內(nèi)，銅的腐蝕率最大。在含氧水中，pH值為8～9時銅的腐蝕速率很低，銅腐蝕速率基本不受溶解氧的影響。降低pH值，銅腐蝕速率上升，特別是pH值小于7時，隨著pH值的降低有大幅度的增加，而在pH值大于9時，銅腐蝕速率也重新上升。在低pH值條件下，定冷水敞開式環(huán)境使CO2進入冷卻水中加劇了銅的腐蝕，在CO2和氧的聯(lián)合作用下氧化銅保護膜被破壞，生成疏松易剝落的堿式碳酸銅。

圖2 銅的腐蝕速度與水的pH值及水中溶氧含量的關(guān)系

圖3所示為不同pH值條件下氧化銅溶解度與溫度的關(guān)系[2]，在pH值小于8.2、溫度低于64℃范圍內(nèi)，氧化銅溶解度隨溫度上升而下降。發(fā)電機運行過程中冷卻水從進水到出水是一個溫度上升過程，運行溫度一般在20～70℃之間，因此定冷水在發(fā)電機空心導(dǎo)線內(nèi)隨水流方向氧化銅的溶解度是不斷下降的，這導(dǎo)致在溫度較高的出水端容易發(fā)生氧化銅的析出和沉積。由此可見，定冷水系統(tǒng)長期在低pH值、敞開式環(huán)境下運行應(yīng)是造成定冷水系統(tǒng)銅腐蝕，并最終導(dǎo)致線棒阻塞、定子繞棒超溫的主要原因。

圖3 氧化銅溶解度與水的pH值及溫度的關(guān)系

3 線棒堵塞的治理措施

對已堵塞線棒的治理無外乎物理與化學(xué)2種方式，物理方式即通過正、反向水沖洗或氣體吹掃方式清除堵塞物，此方式可以清除小顆粒異物和疏松腐蝕產(chǎn)物，化學(xué)方式即通過化學(xué)清洗方式將沉積在線棒內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物溶解清除。

發(fā)現(xiàn)線棒有超溫現(xiàn)象后采取水沖洗措施來維持機組正常運行，此方式在初期起到了較明顯的效果，但隨著機組運行時間延長，水沖洗效果越來越差，這主要是因為線棒內(nèi)致密的腐蝕產(chǎn)物沉積越來越多，物理方式已不能起到清除積垢恢復(fù)通流面積的效果。經(jīng)過充分討論及調(diào)研，最終決定在機組停機期間通過化學(xué)清洗方式徹底清除定子線棒內(nèi)沉積物，恢復(fù)所有堵塞線棒冷卻水通流能力。

化學(xué)清洗采用了銅專用清洗劑，清洗后使用保護液沖洗至潔凈，酸洗時間為3 h，酸洗腐蝕指示片腐蝕速率 0.12 g/（m2·h），根據(jù)清洗系統(tǒng)容積和平衡后的銅離子濃度計算被清洗下來的氧化銅總量大約為1 092 g。

圖4為化學(xué)清洗前后的發(fā)電機定子各線棒流量測試對比情況。定冷水系統(tǒng)清洗前各線棒間流量均勻性很差，最高流量高于平均值14.19%，最低低于平均值31.58%，偏差值的絕對值平均為7.56%，特別是34—39號線棒，流量低于平均值20%以上。清洗后各線棒流量偏差絕對值的平均值降至2.94%，最高流量高于平均流量6.17%，最低流量低于平均值7.11%，34—39號線棒流量偏差絕對值也大幅縮小到6%以內(nèi)，清洗后的定冷水總流量較清洗前明顯增加，基本恢復(fù)到機組投產(chǎn)初期水平。清洗前后的數(shù)據(jù)對比表明，化學(xué)清洗使定子線棒通流狀況得到很大改善，各線棒流量均一性更好，化學(xué)清洗達到預(yù)期目的。

圖4 化學(xué)清洗前后的發(fā)電機定子各線棒流量測試數(shù)據(jù)

4 定冷水水質(zhì)調(diào)整優(yōu)化

采用化學(xué)清洗的方法雖可暫時去除線棒內(nèi)的銅腐蝕產(chǎn)物，但由于原定冷水處理方式下銅線棒處于較強的腐蝕氛圍，若不采取水質(zhì)調(diào)節(jié)措施，在經(jīng)歷一段時間的運行后，同樣的線棒堵塞現(xiàn)象可能會再次發(fā)生。根據(jù)銅在水中的腐蝕電位圖和銅的腐蝕速度與含氧量及pH值的關(guān)系，控制定冷水系統(tǒng)銅的腐蝕途徑有2條：一是調(diào)節(jié)pH值至堿性，二是使系統(tǒng)貧氧運行，或者雙管齊下同時控制pH值和含氧量。pH值調(diào)節(jié)方法中，有采用加入含氨凝結(jié)水來提升定冷水pH值的，但由于氨對銅的影響，此方法并未普遍采用，目前普遍采用的方法有堿化樹脂處理法和加氫氧化鈉法，而要使系統(tǒng)貧氧運行，則必須采用定冷水箱氮封法。

該機組采用了定冷水箱充氮密封法及相對簡單的堿化樹脂處理法——單床離子交換微堿化，即利用原有的離子交接設(shè)備，將原來的RH，ROH氫氧型混合樹脂用RH，RNa型和ROH型混合樹脂替換，其反應(yīng)機理：定冷水中有一定濃度的鐵、銅等陽離子（μg/L級），只要RNa和ROH未失效，就能將交換能力位于Na+以前的雜質(zhì)離子不斷轉(zhuǎn)化為Na+，其他陰離子（離子交換順序位于OH-以前）不斷被轉(zhuǎn)化為OH-，從而間接產(chǎn)生了微量的氫氧化鈉，因此只需要微量的鐵、銅等雜質(zhì)離子，就能將pH值升高到微堿性，從而起到減緩銅線棒酸性腐蝕速度的作用。離子交換過程如下：

式中：M為銅、鐵、銨等陽離子；n為陽離子電荷數(shù)。

式中：A為氯、碳酸氫根等陰離子；k為陰離子電荷數(shù)。

堿化樹脂投入使用后，定冷水系統(tǒng)的電導(dǎo)率由0.1 μs/cm以下逐漸上升到0.43 μs/cm，pH值由投運前的6.8上升至7.9，銅離子查定結(jié)果比堿化處理前大幅降低，銅含量變化如圖5所示。

圖5 樹脂更換前后定冷水系統(tǒng)銅離子含量變化

從堿化樹脂使用前后定冷水水質(zhì)變化情況來看，堿化樹脂對提高定冷水pH值是有效的，而在堿性環(huán)境中定冷水系統(tǒng)銅腐蝕情況也確實比在中性環(huán)境中要好，使用堿化樹脂的定冷水處理方式達到了預(yù)期效果。

5 結(jié)論與建議

發(fā)電機定子線棒堵塞導(dǎo)致線棒超溫是發(fā)電機安全運行的重大隱患之一，而在發(fā)生線棒堵塞的案例中，絕大部分是因為定冷水系統(tǒng)銅腐蝕控制不力造成的，銅腐蝕產(chǎn)物在定冷水系統(tǒng)特定的磁場和溫度環(huán)境中容易在空心導(dǎo)線內(nèi)沉積，由于空心導(dǎo)線的通流面積非常小，即使很少量的沉積也會影響到線棒水流的分配，使線棒超溫和線棒間溫差上升。

對以銅為空心導(dǎo)線材質(zhì)的發(fā)電機，其定冷水系統(tǒng)銅腐蝕的防控必須從嚴(yán)要求，水質(zhì)不能僅按照滿足國家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DL/T 1039-2007）中銅離子含量小于40 μg/L標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，而是要從根本上控制銅的腐蝕，如調(diào)節(jié)內(nèi)冷水至堿性環(huán)境，或保持定冷水貧氧運行。

對因腐蝕產(chǎn)物沉積造成線棒堵塞的定冷水系統(tǒng)，采用化學(xué)清洗方式恢復(fù)線棒通流能力是可行的，目前的清洗技術(shù)能夠?qū)~腐蝕速率控制在極低的水平，短時間的清洗對空心導(dǎo)線的減薄微乎其微。但對定冷水系統(tǒng)化學(xué)清洗，除了必須通過試驗選擇腐蝕速率最低的酸洗劑和緩蝕劑外，對于有嚴(yán)重腐蝕坑或空心導(dǎo)線厚度明顯減薄的機組必須慎重考慮。

[1]孫本達.馬智敬.超超臨界機組發(fā)電機內(nèi)冷卻水運行中存在的問題及處理[J].熱力發(fā)電，2009（1）:96-98.

[2]張警聲.發(fā)電機冷卻介質(zhì)[M].北京：中國電力出版社，1995.