大型蒸發(fā)冷卻機(jī)組上集氣環(huán)管感應(yīng)電流分析及處理

劉國(guó)建，饒 蕾，徐長(zhǎng)福，鄧棟梁

（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

蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于水輪發(fā)電機(jī)是繼目前已廣泛采用的全空冷、定子水內(nèi)冷方式后的新型冷卻技術(shù)，不需要外加機(jī)械泵和消耗外加動(dòng)力，即可實(shí)現(xiàn)無泵密閉自循環(huán)，具有自調(diào)節(jié)與自適應(yīng)的技術(shù)特點(diǎn)。

某電廠的2 臺(tái)700 MW 發(fā)電機(jī)組其定子繞組采用定子線棒密閉自循環(huán)蒸發(fā)冷卻，匯流銅排、定子鐵心及轉(zhuǎn)子繞組空氣冷卻。每根定子線棒內(nèi)設(shè)有32股實(shí)心導(dǎo)線和8 股空心導(dǎo)線，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)空心導(dǎo)線通入HFC-4310（二氫十氟戊烷，分子式C5H2F10）對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組進(jìn)行冷卻。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)采用絕緣性能好的冷卻介質(zhì)，即使發(fā)生微量滲漏，不會(huì)影響發(fā)電機(jī)運(yùn)行，從本質(zhì)上去除了內(nèi)冷系統(tǒng)中泄漏引發(fā)電氣故障的技術(shù)難點(diǎn)，且運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)壓力較低，運(yùn)行可靠性大大增強(qiáng)。該電廠兩臺(tái)蒸發(fā)冷卻發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中存在上集氣環(huán)管卡箍過流灼燒現(xiàn)象，本文針對(duì)這一現(xiàn)象的形成做詳細(xì)分析，并提出可靠的解決方案。

1 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某電廠蒸發(fā)冷卻發(fā)電機(jī)的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 蒸發(fā)冷卻發(fā)電機(jī)有關(guān)技術(shù)參數(shù)

蒸發(fā)冷卻機(jī)組定子蒸發(fā)冷卻自循環(huán)系統(tǒng)由6 部分組成[3-4]：定子繞組蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)、冷凝器、冷凝器供排水管路系統(tǒng)、均壓排氣管路系統(tǒng)、蒸發(fā)冷卻供排液系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。另外配置1 套移動(dòng)式抽真空裝置（2 臺(tái)機(jī)共用）。

蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)各部件簡(jiǎn)要說明：

（1）定子線棒：由實(shí)心和空心股線編織換位制成，線棒兩端配備液電分離接頭。

（2）冷凝器：冷卻系統(tǒng)熱量交換部件，后面詳細(xì)講解。

（3）下集液環(huán)管：定子繞組下方配置的水平環(huán)管，簡(jiǎn)稱下環(huán)管。按定子線棒數(shù)在環(huán)管上裝設(shè)接口，經(jīng)密封構(gòu)件與絕緣引流管連接，以確保所有線棒中冷卻介質(zhì)均勻分配。

（4）絕緣引流管：定子線棒上、下兩端通過絕緣引流管分別與上集氣環(huán)管和下集液環(huán)管連接，形成蒸發(fā)冷卻通路，并起電絕緣作用。

（5）上集氣管：定子繞組上方配置的水平環(huán)管，簡(jiǎn)稱上環(huán)管，其結(jié)構(gòu)類似于下集液環(huán)管，將線棒出口的兩相介質(zhì)匯集于此，使其壓力和溫度均勻。

（6）上導(dǎo)流管：將兩相介質(zhì)從上集氣環(huán)管引入冷凝器的連通管。

（7）回液管：冷凝器下部和下集液環(huán)管之間的連通管。

（8）均壓管：全部冷凝器上部相互連通的環(huán)形管。

（9）排氣管：均壓管徑直方向上對(duì)稱裝設(shè)與外部空間相連通的一段管路，依靠閥門動(dòng)作排除系統(tǒng)內(nèi)空氣和釋壓保護(hù)，稱為排氣管，并可兼做系統(tǒng)灌液通道。

按照冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向，包括：回液管、下集液環(huán)管、下絕緣引流管、定子線棒、上絕緣引流管、上集氣環(huán)管、上導(dǎo)流管、冷凝器，以及管路內(nèi)部充入適量的冷卻介質(zhì)等，同時(shí)各冷卻單元通過冷凝器上部的均壓管連接成整體，形成蒸發(fā)冷卻循環(huán)回路。如圖1 和圖2 所示[1-2]。

圖1 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)示意圖

圖2 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)模型圖

基本原理：當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，定子線棒發(fā)熱，線棒空心導(dǎo)體中的冷卻介質(zhì)（介質(zhì)HFC-4310，二氫十氟戊烷，沸點(diǎn)55℃，無色透明，易揮發(fā)）吸收定子線棒的熱量，當(dāng)冷卻介質(zhì)溫度達(dá)到一定時(shí)冷卻介質(zhì)部分沸騰汽化，由于空心導(dǎo)體內(nèi)的介質(zhì)為氣液混合態(tài)，其密度小于回液管中純液態(tài)介質(zhì)的密度。回液管和空心導(dǎo)體間的密度差在重力加速度作用下，生成流動(dòng)壓頭。該壓頭克服回路中的阻力壓降維持一定流量的循環(huán)，使含熱兩相介質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)中壓力最低的冷凝器，經(jīng)與二次冷卻介質(zhì)——水進(jìn)行熱交換后還原為純液態(tài)再流到回液管進(jìn)行新一輪循環(huán)，如此往復(fù)把熱量傳到外部，從而冷卻發(fā)電機(jī)定子線棒[5]。

簡(jiǎn)單來說，介質(zhì)HFC-4310 冷卻定子線棒，技術(shù)供水用于冷卻介質(zhì)HFC-4310。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)能自行調(diào)整蒸發(fā)點(diǎn)位置、介質(zhì)流量和蒸氣干度，這一過程不依靠外力，是自循環(huán)調(diào)整方式。當(dāng)二次冷卻水足量時(shí)，冷凝器內(nèi)介質(zhì)所在空間幾為零壓狀態(tài)，而系統(tǒng)中各種部件所承受的壓力僅是其內(nèi)含液態(tài)介質(zhì)重力的反映，各部分壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純水系統(tǒng)壓力，運(yùn)行可靠性大幅度上升。

蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展歷史相對(duì)其他冷卻方式較短，且缺乏大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累相對(duì)較少，運(yùn)行規(guī)律大多也基于理論計(jì)算，在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問題要具體對(duì)待。

（1）為防止蒸發(fā)冷卻機(jī)組運(yùn)行過程中集液管形成較大的感應(yīng)電流，在蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)集液管與接地銅板支架連接一條銅編織接地線。檢修期間進(jìn)行發(fā)電機(jī)耐壓試驗(yàn)或者搖絕緣時(shí)需將此接地線解除。搖測(cè)絕緣方法參照水內(nèi)冷機(jī)組進(jìn)行操作，搖表使用水內(nèi)冷搖表。

（2）HFC-4310 揮發(fā)性強(qiáng)，密度大于空氣，可造成窒息，進(jìn)入發(fā)電機(jī)風(fēng)洞、水車室等部位工作時(shí)，應(yīng)檢查介質(zhì)探測(cè)報(bào)警器HFC-4310 氣體含量和含氧量在正常范圍內(nèi)，盡量避免一人進(jìn)入上述區(qū)域進(jìn)行巡視，且不要長(zhǎng)時(shí)間逗留。HFC-4310 介質(zhì)發(fā)生泄漏時(shí)，應(yīng)戴有氧防毒面具，并啟動(dòng)機(jī)組水車室排風(fēng)機(jī)。HFC-4310 在高溫（500 ℃）條件下分解出有毒氣體，在未排液情況下風(fēng)洞內(nèi)不應(yīng)進(jìn)行動(dòng)火作業(yè)。應(yīng)禁止將頭伸入含有HFC-4310 蒸氣濃度的槽體或容器中。HFC-4310 沸點(diǎn)55℃，禁止將盛HFC-4310 的容器存放至環(huán)境溫度超過40℃處。人體吸入過量HFC-4310，會(huì)有暈眩、抽搐、窒息、不規(guī)則心跳、失去意識(shí)等癥狀。應(yīng)立即移至新鮮空氣處，保持冷靜；若呼吸困難，立即實(shí)施人工呼吸；當(dāng)持續(xù)呼吸困難，立即給予氧氣并呼叫醫(yī)生。

2 蒸發(fā)冷卻機(jī)組在運(yùn)行中面臨上集氣環(huán)管卡箍過流問題

上集氣管為整環(huán)分段結(jié)構(gòu)，由16 段集氣管組成，均采用不銹鋼管，相鄰兩段集氣管端部用Straub（斯特勞勃）接頭連接。環(huán)管通過16 根集氣支管與冷凝器相連，支管連接法蘭處采用8 mm 厚三元乙丙橡膠密封墊，法蘭連接螺栓設(shè)有絕緣套管，上集氣環(huán)管采用一點(diǎn)接地。在實(shí)際運(yùn)行中，上集氣環(huán)管存在卡箍處過流灼燒的現(xiàn)象。檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)卡箍一側(cè)（靠近主引出線側(cè)）有黑色黏著物、外表面有明顯過熱痕跡。將其解剖并從環(huán)管上取下后發(fā)現(xiàn)，里面密封橡膠一側(cè)已經(jīng)嚴(yán)重碳化，鋼夾片有部分熔化，且該側(cè)的不銹鋼密封齒已經(jīng)融合在一起，而卡箍另外一側(cè)包括密封橡膠、不銹鋼，鋼夾片、密封齒則完好無損。將受損卡箍更換為新卡箍，運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)更換新卡箍的兩端連接銅辮子明顯過熱，表面發(fā)黑并變形；檢查其余15 個(gè)卡箍測(cè)溫片，發(fā)現(xiàn)1 個(gè)達(dá)到滿刻度127 ℃，其余14 個(gè)最高溫度在77 ℃以下。

造成過流的原因有兩點(diǎn)：

（1）上集氣環(huán)管卡箍存在設(shè)計(jì)缺陷；

（2）上集氣環(huán)管與冷凝器之間法蘭密封安裝不到位及螺栓間的絕緣墊片材質(zhì)差。

在實(shí)際運(yùn)行中，由于卡箍結(jié)構(gòu)的局限性，在振動(dòng)或者有溫度變化的情況下會(huì)造成卡箍的緊固螺栓松動(dòng)，使卡箍與上集氣環(huán)管的接觸不牢固，加上集氣管在有多點(diǎn)接地的情況下，環(huán)管中局部存在較大環(huán)流，最高溫度的卡箍與環(huán)管一側(cè)接觸電阻大，造成損耗發(fā)熱，卡箍過流，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致放電灼燒，內(nèi)側(cè)密封橡膠炭化等現(xiàn)象（圖3 和圖4 顯示為上集氣環(huán)管的卡箍結(jié)構(gòu)和卡箍過流燒熔處）。

圖3 集氣管卡箍結(jié)構(gòu)圖

圖4 卡箍處過流

假設(shè)兩點(diǎn)接地的情況，如圖5。由于上集氣環(huán)管用卡箍連接方式分成16 段，其中R1 等代表每段的等效電阻。假設(shè)1 卡箍（對(duì)應(yīng)R1）出現(xiàn)螺栓松動(dòng)的情況，R1 的兩側(cè)出現(xiàn)較大的電位差u，等效如圖6所示。上集氣環(huán)管處在交變的磁場(chǎng)中，由電磁感應(yīng)原理，在其表面會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于u的出現(xiàn)，導(dǎo)致接地點(diǎn)a、b 的電位不同，造成環(huán)流。由于電流的集膚效應(yīng)，螺栓松動(dòng)卡箍中靠近環(huán)管的一側(cè)會(huì)有較大電流通過，產(chǎn)生過流，機(jī)組長(zhǎng)此運(yùn)行下去，造成該處灼燒碳化。而在實(shí)際運(yùn)行中，存在多點(diǎn)接地，使得過流情況更為嚴(yán)重。

圖5 兩點(diǎn)接地示意圖

圖6 卡箍過流等效電路圖

3 上集氣環(huán)管卡箍處過流灼燒的解決方案

（1）針對(duì)卡箍設(shè)計(jì)問題，將發(fā)電機(jī)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)集氣環(huán)管上的16 個(gè)卡箍接頭更換為法蘭。在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近的一處法蘭螺栓孔內(nèi)套“T”型絕緣套，再用螺栓把緊，確保螺栓與法蘭不直接接觸，測(cè)兩側(cè)法蘭之間絕緣電阻≥2 MΩ，使集氣環(huán)管在此處形成斷開點(diǎn)，然后連接其它法蘭，在對(duì)側(cè)進(jìn)行可靠接地。

（2）針對(duì)多點(diǎn)接地情況，更換法蘭密封及螺栓間的絕緣墊片，將原有的絕緣墊片更換為新型材料。安裝時(shí)要求墊片與法蘭完全貼合。且選取斷開點(diǎn)正對(duì)立面（180°）的一根集氣支管作為一點(diǎn)接地，將這根集氣支管與集氣管間連接法蘭直接用接地銅編織線進(jìn)行短接。

（3）對(duì)集氣環(huán)管上另外15 個(gè)法蘭兩端用接地銅編織線進(jìn)行可靠連接（圖7），集氣管和法蘭上貼上測(cè)溫片。

圖7 法蘭兩端用接地銅編織線可靠連接

（4）上述步驟完成后，進(jìn)行電氣耐壓試驗(yàn)。

（5）電氣耐壓試驗(yàn)合格后，進(jìn)行蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)氣密性試驗(yàn)。

（6）氣密性試驗(yàn)合格后機(jī)組試運(yùn)行，檢查蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)泄露和測(cè)溫片顯示。

（7）機(jī)組熱穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

通過分析某電廠上集氣環(huán)管卡箍處過流灼燒現(xiàn)象形成原因，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的故障區(qū)域逐一排查，找出缺陷形成的原因是上集氣環(huán)管卡箍存在設(shè)計(jì)問題和上集氣環(huán)管與冷凝器之間法蘭密封安裝緊固螺栓松動(dòng)，法蘭密封材質(zhì)及螺栓間的絕緣墊片材質(zhì)問題兩個(gè)方面。

從2013 年改造完成至今，未出現(xiàn)蒸發(fā)冷卻機(jī)組上集氣環(huán)管局部過流的狀況。從根本上解決了上集氣環(huán)管卡箍處過流灼燒的問題。確保了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。