秦山320 MW核電機組汽輪發(fā)電機空冷系統(tǒng)結(jié)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(nèi)陸首臺核電機組，坐落在杭州灣畔。汽輪發(fā)電機是雙水內(nèi)冷的空-水-水冷系統(tǒng)，發(fā)電機空冷器的冷卻水由杭州灣海水直接供應(yīng)。根據(jù)近年來機組運行實踐發(fā)現(xiàn)：發(fā)電機空冷器在春、冬季節(jié)容易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，尤其是在梅雨季節(jié)空氣濕度高達95.0%及以上，這種現(xiàn)象更為明顯；給汽輪發(fā)電機組安全運行工作帶來了潛在隱患。

1 0320MW核電汽輪發(fā)電機空氣冷卻系統(tǒng)工作原理

圖1為發(fā)電機空氣冷卻系統(tǒng)圖。發(fā)電機空氣冷卻系統(tǒng)是由安裝在發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩端的風(fēng)扇、八組空氣冷卻器、進風(fēng)室、回風(fēng)室及定轉(zhuǎn)子間隙組成。當(dāng)發(fā)電機運轉(zhuǎn)時，兩端風(fēng)扇跟隨發(fā)電機轉(zhuǎn)子同步高速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動周圍空氣進入發(fā)電機內(nèi)部的空隙，使發(fā)電機兩側(cè)A區(qū)形成負壓區(qū)，將C區(qū)的冷卻空氣吸入A區(qū)，然后經(jīng)過兩側(cè)風(fēng)扇送到D區(qū)。在風(fēng)扇的作用下，D區(qū)風(fēng)壓為正壓，分三路進入發(fā)電機本體內(nèi)部，一路進入氣隙，吹拂轉(zhuǎn)子表面，經(jīng)定子鐵芯徑向通風(fēng)道流向鐵芯背部，冷卻定子鐵芯；一路經(jīng)磁屏蔽徑向通風(fēng)道冷卻端部結(jié)構(gòu)件；第三路冷卻氣體經(jīng)定子線圈端部空間沿機座外壁上的通風(fēng)孔進入定子鐵芯背部空間。三路氣體由機座出風(fēng)口進入熱風(fēng)道B區(qū)，被空氣冷卻器冷卻，回到C區(qū)。如此循環(huán)，構(gòu)成一個封閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，實現(xiàn)對發(fā)電機的冷卻。

圖1 發(fā)電機空氣冷卻系統(tǒng)圖

2 發(fā)電機空冷器結(jié)露原因分析

2.1 空氣發(fā)生結(jié)露的原理

空氣由干空氣和水蒸氣兩部分組成。當(dāng)空氣相對濕度較小時，大氣中水蒸氣的含量少，根據(jù)分壓原理，水蒸氣分壓低，相對應(yīng)的飽和溫度低[1]。當(dāng)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(jié)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(tài)點0變至點1，此時，不會產(chǎn)生結(jié)露。繼續(xù)降低溫度，到達點2，則空氣溫度等于水蒸氣分壓力對應(yīng)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(tài)，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(jié)露原因分析

發(fā)電機空冷系統(tǒng)理論上屬于密閉系統(tǒng)，但由于密封性低的原因，發(fā)電機外的空氣會進入發(fā)電機空冷系統(tǒng)。在空冷器小室有多處漏風(fēng)點，如在墻體和補風(fēng)口結(jié)合的部位、冷卻水管與墻體結(jié)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(jīng)漏風(fēng)點進入發(fā)電機空冷器內(nèi)，增大了空冷器內(nèi)冷卻空氣的濕度，極端情況下機內(nèi)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(jié)，大量潮濕空氣進入空冷系統(tǒng)，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(jié)露。

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

2.3 空冷器結(jié)露溫度計算

為了進一步證明空冷器表面結(jié)露原因，對廠房內(nèi)結(jié)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(jù)廠房內(nèi)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(nèi)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(jīng)海水冷卻后的空氣溫度大小，判斷是否結(jié)露。

以本年度2月18日發(fā)電機空冷器結(jié)露為實踐案例運算。發(fā)電機空冷小室C區(qū)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(shù)值：

（1）在表1里發(fā)電機空冷小室C區(qū)溫度22℃對應(yīng)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(shù)值帶入，

因為露點溫度18.614℃>海水溫度11℃，所以發(fā)生了結(jié)露現(xiàn)象[2]。

用上述同樣的方法，計算出發(fā)電機空冷小室C區(qū)溫度約22℃，相對濕度約70%和60%時的結(jié)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(fā)現(xiàn)空冷器結(jié)露最有可能發(fā)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(jié)露的方法

3.1 加強空冷系統(tǒng)的密封，減少水蒸氣的進入

從上面分析可知，發(fā)電機空冷器結(jié)露的主要原因是空冷系統(tǒng)密閉性差，系統(tǒng)外的大量濕空氣進入。因此，加強空冷系統(tǒng)的密閉性可有效控制結(jié)露現(xiàn)象。在機組停堆換料期間，發(fā)電機停運后可將空冷系統(tǒng)的各處漏風(fēng)點進行封堵，并用防水涂料粉刷墻體，盡量減少空冷系統(tǒng)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(yīng)及時關(guān)閉汽輪機廠房窗戶，停止屋頂風(fēng)機，盡量減少濕空氣對流，避免發(fā)電機小室結(jié)露。

3.2 適當(dāng)減少發(fā)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(jié)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(tǒng)的目的在于冷卻發(fā)電機鐵芯及線圈，減少發(fā)電機空冷器冷卻水量，將會引起發(fā)電機進風(fēng)溫度升高。如果發(fā)電機進風(fēng)溫度過高，發(fā)電機鐵芯熱量不能及時散熱帶出，發(fā)電機絕緣將會因溫度過高而加速老化。相反，發(fā)電機空冷器會結(jié)露。

3.3 對發(fā)電機內(nèi)空氣進行除濕干燥

上述兩種防止結(jié)露的方法（減少水蒸氣進入或控制冷卻海水量）在發(fā)電機空冷器結(jié)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(jié)或者冬季海水溫度較低時發(fā)電機空冷器結(jié)露現(xiàn)象還是無法有效的控制。因此，借鑒發(fā)電機封閉母線的空氣干燥裝置的除濕功能，建議在發(fā)電機空冷系統(tǒng)中安裝一套空氣除濕裝置來控制發(fā)電機空冷器結(jié)露的現(xiàn)象。

表3 環(huán)境空氣濕度

發(fā)電機空冷系統(tǒng)空氣除濕裝置的功能是用以清除發(fā)電機內(nèi)冷卻空氣中的水分。在發(fā)電機空冷系統(tǒng)A區(qū)和B區(qū)安裝濕度監(jiān)測儀可實時監(jiān)控進出發(fā)電機空氣的相對濕度。由B區(qū)的濕度監(jiān)測儀控制循環(huán)風(fēng)機啟停，當(dāng)B區(qū)空氣濕度大于50%時，B區(qū)濕度監(jiān)測儀向循環(huán)風(fēng)機發(fā)送啟動信號，循環(huán)風(fēng)機自動啟動。此時，除濕裝置開始從B區(qū)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(qū)。當(dāng)B區(qū)空氣濕度小于40%時，B區(qū)濕度監(jiān)測儀向循環(huán)風(fēng)機發(fā)送停止信號，循環(huán)風(fēng)機自動停運，發(fā)電機空氣除濕裝置示意圖如圖3所示。

圖3 發(fā)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(tǒng)空冷器海水流量調(diào)至最小時，發(fā)電機內(nèi)空氣仍然較低，可以通過發(fā)電機除濕裝置分流熱風(fēng)室B中的空氣，不經(jīng)空冷器直接送到發(fā)電機A區(qū)。路徑為發(fā)電機B區(qū)—循環(huán)風(fēng)機—吸附式干燥器旁路閥—發(fā)電機A區(qū)。

4 結(jié)論

發(fā)電機空冷系統(tǒng)結(jié)露標(biāo)志著發(fā)電機內(nèi)部冷卻空氣濕度較大，潮濕空氣會降低發(fā)電機定子繞組、轉(zhuǎn)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(fā)電機定子或轉(zhuǎn)子繞組短路，影響發(fā)電機安全運行。

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