700 MW 水電機(jī)組純水內(nèi)冷卻系統(tǒng)電導(dǎo)率運(yùn)行特征與風(fēng)險(xiǎn)控制

肖駿逸

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

發(fā)電機(jī)純水內(nèi)冷卻系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱純水系統(tǒng)）用于降低機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)定子繞組因大電流導(dǎo)致的溫升。純水電導(dǎo)率主要影響機(jī)組定子絕緣和純水管道腐蝕問題，若電導(dǎo)率偏高，可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)絕緣降低，甚至定子接地保護(hù)動(dòng)作而導(dǎo)致非計(jì)劃停運(yùn)。若電導(dǎo)率長(zhǎng)期偏低，可能導(dǎo)致部分機(jī)型定子線棒純水回路腐蝕，降低設(shè)備可靠性。隨著對(duì)機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的純水系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)、故障分析，多次優(yōu)化純水系統(tǒng)啟停流程、保護(hù)動(dòng)作條件、相關(guān)機(jī)械設(shè)備[1]、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處理流程等，有效降低了純水系統(tǒng)故障導(dǎo)致非計(jì)劃降負(fù)荷或停運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)。

1 純水內(nèi)冷卻系統(tǒng)概述

某水電站水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)額定容量700 MW，機(jī)端額定電壓20 kV，定子額定電流22 453 A，為降低機(jī)組運(yùn)行時(shí)因大電流導(dǎo)致的溫升，不同廠家的發(fā)電機(jī)采用了空氣冷卻、強(qiáng)迫循環(huán)的純水系統(tǒng)內(nèi)冷+空氣冷卻、蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷卻+空氣冷卻的不同方法。本文重點(diǎn)介紹半水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)組，該種機(jī)組通過空氣冷卻轉(zhuǎn)子及定子鐵心，純水通過中空的定子線棒冷卻定子繞組。

該水電站每臺(tái)半水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)組各配置有一套純水冷卻系統(tǒng)，由機(jī)械泵、熱交換器、離子交換器、機(jī)械過濾器、膨脹水箱和管件等部分組成。純水自定子繞組流出后，依次經(jīng)過純水泵、熱交換器、三通閥、機(jī)械過濾器，最后再次返回到定子繞組。純水由機(jī)械泵提供動(dòng)力，在發(fā)電機(jī)定子線棒內(nèi)部密封循環(huán)流通，對(duì)定子線棒進(jìn)行冷卻；純水系統(tǒng)二次冷卻水通過熱交換器對(duì)純水進(jìn)行冷卻，離子交換器和機(jī)械過濾器用于控制純水水質(zhì)及電導(dǎo)率。為容納定子繞組溫度變化導(dǎo)致的純水熱膨脹體積，在純水系統(tǒng)頂端設(shè)置膨脹水箱。由三通閥控制冷卻后的純水與未冷卻的純水比率，使進(jìn)入定子線棒的純水溫度保持恒定。除此之外，還包括純水控制盤、動(dòng)力盤及監(jiān)控純水流量、壓力、壓差、溫度及導(dǎo)電率等各種傳感器[2]。系統(tǒng)回路原理見圖1。

圖1 純水內(nèi)冷卻系統(tǒng)系統(tǒng)圖

該水電廠水內(nèi)冷機(jī)組由VGS、東方電機(jī)、ALSTOM 廠家生產(chǎn)，其生產(chǎn)工藝有所不同。VGS 和東電機(jī)組的發(fā)電機(jī)線棒內(nèi)純水管線為銅質(zhì)，為抑制銅腐蝕，通過注堿單元將純水維持在低電導(dǎo)率弱堿性狀態(tài)下，如圖1，機(jī)組日常運(yùn)行中，該類機(jī)組純水電導(dǎo)率一般維持在1.7 μs/cm 左右。ALSTOM 機(jī)組發(fā)電機(jī)線棒內(nèi)純水管線為不銹鋼質(zhì)，抗腐蝕能力強(qiáng)，對(duì)純水ph 值要求相對(duì)較低，機(jī)組日常運(yùn)行中，該類機(jī)組純水電導(dǎo)率一般維持在0.18～0.22 μs/cm 左右。

2 純水內(nèi)冷卻系統(tǒng)電導(dǎo)率運(yùn)行特征

在某水電站700 MW 半水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)組停機(jī)后，為防止定子線棒溫度過低而產(chǎn)生凝露，會(huì)關(guān)閉機(jī)組純水二次冷卻水(取自上游水庫(kù))。此時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)殘余的熱能與電磁能會(huì)導(dǎo)致機(jī)組純水溫度緩慢升高，而純水電導(dǎo)率也隨之緩慢升高，兩者趨勢(shì)呈現(xiàn)明顯的一致性，由于VGS 機(jī)組和東方電機(jī)機(jī)組通過注堿單元自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)，將純水系統(tǒng)回路出口電導(dǎo)率控制在1.7 μs/cm 左右，而ALSTOM 機(jī)組純水系統(tǒng)無此功能，機(jī)組純水電導(dǎo)率隨溫度變化尤為明顯。純水電導(dǎo)率主要影響機(jī)組定子絕緣和純水管道腐蝕問題。

當(dāng)液體溫度升高時(shí)，離子熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)、電離度增加且導(dǎo)電離子增多、化合物溶解率增加，即液體的電導(dǎo)率與溫度呈正相關(guān)關(guān)系。為將溶液在實(shí)際溫度下的電導(dǎo)率值轉(zhuǎn)換為參考溫度（一般為25℃）下的電導(dǎo)率值，使得溶液在不同溫度下的電導(dǎo)率具有可比性，現(xiàn)在市場(chǎng)上所使用的電導(dǎo)率儀基本都有溫度補(bǔ)償功能，以滿足比對(duì)或控制指標(biāo)的需要[3]。

該水電站水內(nèi)冷機(jī)組純水系統(tǒng)電導(dǎo)率傳感器和純水出口溫度傳感器安裝位置一致，為探討發(fā)電機(jī)組純水系統(tǒng)溫度和電導(dǎo)率的關(guān)系，甄別純水電導(dǎo)率變化是否受異常因素影響提供了可能性。目前該水電站水內(nèi)冷機(jī)組純水系統(tǒng)電導(dǎo)率測(cè)量的溫度補(bǔ)償，均采用線性補(bǔ)償方式，參考溫度為25℃，溫度系數(shù)設(shè)置為2.10%/℃，即：

式中：t為溫度；K為對(duì)應(yīng)溫度下的實(shí)際電導(dǎo)率；K0為參考溫度下的電導(dǎo)率；α為溫度系數(shù)。

在投入溫度補(bǔ)償后，ALSTOM 機(jī)組純水參考電導(dǎo)率隨純水溫度變化仍然明顯。

工業(yè)純水按電導(dǎo)率不同分為普通純水、高純水、超純水，在25℃下，K=1～10 μs/cm 為普通純水、K=0.1～1.0 μs/cm 為高純水、K=0.055～0.1 μs/cm 為超純水。即該水電站ALSTOM 機(jī)組純水系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，純水電導(dǎo)率一般在高純水范圍內(nèi)；VGS 機(jī)組和東方電機(jī)機(jī)組純水系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，純水電導(dǎo)率一般在普通純水范圍內(nèi)。而超純水與其中雜質(zhì)的溫度特性有很大不同，必須分開考慮。純水的電導(dǎo)率越低，其直接受H+、OH-離子濃度的影響越明顯，越接近理論純水的性質(zhì)，低溫時(shí)溫度系數(shù)較大, 隨著溫度的升高, 溫度系數(shù)逐漸減小，其中理論純水在25℃時(shí)，αH2O為0.055。即：

故而在高純水、超純水范圍內(nèi)，電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償線性公式誤差較大。對(duì)該水電站ALSTOM 機(jī)組純水系統(tǒng)電導(dǎo)率多年數(shù)據(jù)分析后，發(fā)現(xiàn)溫度系數(shù)αH2O隨溫度增加而增加，純水電導(dǎo)率K 隨溫度變化均呈現(xiàn)出正相關(guān)非線性關(guān)系，接近二次增函數(shù)的特征。其中純水溫度變化范圍一般在20～56℃，ALSTOM機(jī)組純水系統(tǒng)電導(dǎo)率實(shí)際的溫度系數(shù)α換算出的變化范圍可達(dá)到2%～6.2%，故此時(shí)無法忽略理論純水自身的電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償問題。使用常規(guī)電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x的溫度補(bǔ)償方法，ALSTOM 機(jī)組電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償誤差將會(huì)明顯大于VGS 機(jī)組和東方電機(jī)機(jī)組。而現(xiàn)階段并沒有非?？煽康母叨燃兯妼?dǎo)率溫度補(bǔ)償方法，均存在一定誤差。需要對(duì)比ALSTOM 機(jī)組純水電導(dǎo)率前后變化時(shí)，可在相同純水出口溫度下進(jìn)行比較（機(jī)組運(yùn)行時(shí)一般控制為38℃或42℃左右）。

若換算出的實(shí)際的電導(dǎo)率溫度系數(shù)α長(zhǎng)期偏離正常范圍，而電導(dǎo)率K本身在同溫度下并無異常變化，則應(yīng)考慮以下原因：①電導(dǎo)率變送器放大系數(shù)或量程設(shè)定有誤；②電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償系數(shù)設(shè)置有誤；③過濾器過濾效果下降；④離子交換器效率降低。

而實(shí)際純水電導(dǎo)率測(cè)量值也會(huì)受到流量、壓力等多方面因素影響，產(chǎn)生了較多數(shù)據(jù)噪點(diǎn)，且各臺(tái)機(jī)組的數(shù)據(jù)換算出的電導(dǎo)率溫度系數(shù)α 變化幅度有所不同。隨著智能化電站建設(shè)，目前的水電站智能分析平臺(tái)可以將長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練成仿真模型，大量數(shù)據(jù)可以排除部分?jǐn)?shù)據(jù)噪點(diǎn)的影響，并可對(duì)單臺(tái)機(jī)組進(jìn)行模型訓(xùn)練，便于在純水電導(dǎo)率出現(xiàn)異常變化時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并提出預(yù)警。

3 電導(dǎo)率故障分析與運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)控制

3.1 純水內(nèi)冷卻系統(tǒng)電導(dǎo)率常見故障原因

（1）電導(dǎo)率傳感器及儀表本身出現(xiàn)故障造成誤報(bào)警或注堿單元注堿泵誤動(dòng)作。某臺(tái)VGS 發(fā)電機(jī)組，曾因純水系統(tǒng)電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x故障，導(dǎo)致測(cè)量出的電導(dǎo)率始終偏低，注堿單元一直向純水注堿，導(dǎo)致發(fā)電站絕緣降低定子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作。

（2）相關(guān)閥門自回關(guān)等原因?qū)е碌牧鹘?jīng)離子交換器的純水流量減少導(dǎo)致離子交換量降低。

（3）離子交換器陰陽(yáng)離子樹脂的離子交換能力降低。

（4）純水過濾器濾芯老化或破損，過濾效果下降，甚至自身成為新的污染源。

3.2 純水內(nèi)冷卻系統(tǒng)電導(dǎo)率運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)控制

（1）當(dāng)出現(xiàn)純水系統(tǒng)電導(dǎo)率異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)記錄現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度、濕度，純水主回路溫度、流量、電導(dǎo)率、壓力、壓差等有關(guān)數(shù)值，離子交換器支路的純水流量、電導(dǎo)率等數(shù)值。

（2）為避免因電導(dǎo)率傳感器、變送器或傳輸電纜問題導(dǎo)致電導(dǎo)率跳變導(dǎo)致機(jī)組保護(hù)誤動(dòng)作，在原電導(dǎo)率高開關(guān)量延時(shí)保護(hù)動(dòng)作的基礎(chǔ)上，增加與電導(dǎo)率過高同時(shí)動(dòng)作并延時(shí)后保護(hù)動(dòng)作的邏輯。

（3）增加電導(dǎo)率低模擬量告警，避免電導(dǎo)率測(cè)量問題導(dǎo)致注堿單元注堿泵誤動(dòng)作。

（4）運(yùn)行維護(hù)人員加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的巡視，及時(shí)調(diào)整流經(jīng)離子交換器的純水分支流量至規(guī)定范圍內(nèi)；更換離子交換樹脂時(shí)要嚴(yán)格按比例進(jìn)行樹脂充分混合。

（5）保持純水主回路流量、溫度等在規(guī)定范圍內(nèi)；純水的各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)化驗(yàn)在規(guī)定范圍內(nèi)。

（6）建立相關(guān)應(yīng)急處理方案，使運(yùn)維人員能及時(shí)、正確做出故障處置。

4 結(jié)語

純水內(nèi)冷卻系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)中的重要組成部分，其故障可能引發(fā)發(fā)電機(jī)溫升保護(hù)動(dòng)作或接地保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃降低負(fù)荷甚至停運(yùn)。純水電導(dǎo)率主要影響機(jī)組定子絕緣和純水管道腐蝕問題，是機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行重點(diǎn)關(guān)注的數(shù)據(jù)之一。線性電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償并不能可靠換算出高純水機(jī)組的參考電導(dǎo)率，且機(jī)組定子線棒絕緣主要與實(shí)測(cè)電導(dǎo)率相關(guān)，故此時(shí)更應(yīng)關(guān)注實(shí)測(cè)電導(dǎo)率。并且應(yīng)當(dāng)尋找更合理且兼具經(jīng)濟(jì)性的高純水電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償方法。在實(shí)際水電機(jī)組運(yùn)行中，純水系統(tǒng)引發(fā)機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)往往需要運(yùn)維人員快速、正確的判斷原因并做出處置，建立完善相關(guān)應(yīng)急處理方案為此提供了極大幫助，本文僅就純水電導(dǎo)率部分進(jìn)行來總結(jié)。

長(zhǎng)期的水電站運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障分析，可以為及時(shí)有效的故障處理、問題預(yù)判和預(yù)防提供可靠參考，并有效降低機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)的概率。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展水電站數(shù)據(jù)分析手段進(jìn)一步自動(dòng)化，而且可以高效進(jìn)行長(zhǎng)期的、大批量的數(shù)據(jù)分析，有效剔除數(shù)據(jù)噪點(diǎn)，模擬出參考模型，進(jìn)一步方便了水電站運(yùn)維人員的分析與風(fēng)險(xiǎn)控制。