抽蓄機組發電機干冰清掃技術應用

于 瀟，張一波，張 鑫，張苗苗

（河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊050300）

1 概述

發電設備在長期運行過程中，發電機的定子鐵心、線圈表面會沾滿油灰，油污嚴重會侵蝕定子繞組的絕緣。發電機定子中油污隨機組的對流空氣，會粘附到鐵心通風槽中，造成散熱效率下降（圖1）。

圖1 定子油污污染示意圖

發電機定子的清掃工作受空間的影響，一直以來都是一個非常困難的工作。加上清洗材料對設備的影響，在清洗過程中如果不注意材料的使用和清洗工作施工方法的影響，往往會對機組造成進一步的傷害。特別是發電機定子繞組、定子鐵心通風槽等區域空間狹小，常規采用帶電清洗劑的方式無法達到理想的清洗效果。發電機定子的清掃急需一種新型的清洗手段來完成，解決發電機定子各部分清洗的難題。

圖2 現有發電機定子清掃方式弊端

2019年張河灣公司1號機進行A修，我們積極探索發電機定子新型清掃方法，以便快速、高效地完成清掃工作。我們查閱大量資料，借鑒國外先進發電機清掃經驗，決定采用：干冰清掃。

2 干冰清掃技術簡介

2.1 技術原理

干冰清洗技術也稱干冰冷噴射清洗技術。是利用極低溫(－78 ℃)的干冰顆粒，通過廠房低壓用氣作為載體和動力，干冰顆粒被加速到接近音速（274 m/s）的速度撞擊被清洗的表面污垢，表面污垢突然降溫導致表面脆化，同時這些溫度極低的干冰氣體進入出現裂縫的污染物內; 當表面的污垢遭到撞擊時，干冰顆粒迅速升華為氣體，(這里氣體所產生的能量大約是原能量的700 倍)使碎裂的污染物從物體的表面被剝離移走。

整個干冰清洗分為3個過程。

(1)“能量轉移”：干冰顆粒高速撞擊到被清洗表面，撞擊動能散逸，干冰粒與清洗表面發生極其快速的熱轉移，二氧化碳瞬間升華。

(2)“低溫龜裂”：不同熱膨脹系數的兩種材料之間的溫差會破壞兩種材料間的結合。干冰粒沖擊處理物表面，使污垢冷凍至脆化及爆裂，產生“龜裂”，影響粘附污垢的機械性能。

(3)“微爆炸”：干冰顆粒鉆進污垢裂縫后，在幾千分之一秒內氣化，其體積瞬間膨脹600～800倍，將污垢剝離物件表面。

圖3 干冰除污原理

2.2 清洗過程

（1）封閉防護

干冰顆粒噴射到被清洗物體表面之后瞬間升華為CO2氣體，但是CO2比空氣質量重，所以在封閉空間進行干冰清掃時，一定要注意保證通風。由于1號機組進行A級檢修，發電機風洞與水輪機水車室垂直作業，需要做好發電機風洞至水輪機水車室蓋板的防護，以防長時間進行干冰清掃，CO2氣體下沉至水輪機水車室，對工作人員產生窒息的危險。

（2）密閉空間氣體檢測

使用密閉空間氣體含量檢測儀，每小時對發電機風洞和水車室氧氣含量進行測量，如果含量下降明顯，則停止干冰清掃工作。

（3）干冰清掃發電機定子上端部繞組（圖4）

圖4 清掃定子上端部繞組

（4）干冰清掃發電機定子鐵心及通風槽（圖5）

圖5 清掃定子鐵心及通風槽

（5）干冰清掃發電機定子下端部繞組（圖6）

圖6 清掃定子下端部繞組

（6）定子直流耐壓及泄露電流試驗

2019年3月20日張河灣公司1號機組A級檢修開始，3月24日進行1號發電機修前定子直流耐壓及泄露電流試驗。干冰清掃結束后，5月22日進行定子直流耐壓及泄露電流試驗。針對數據進行對比，定子絕緣性能在干冰清掃前后未發生明顯變化，1號發電機定子絕緣性能良好。

圖7 干冰清掃前后定子直流耐壓及泄露電流試驗

（7）注意事項

噪聲：就像使用其它壓縮空氣系統一樣，使用干冰噴射方法進行清洗時，一般噪聲會達到102 dB（A），為此需要使用較好的護耳設施。但當長時間使用干冰噴射清洗設備時，即使是插了耳塞，噪音還是很大，且隨著時間的延長對人體會帶來越來越大的刺激，此時使用帶耳塞的御寒耳罩可以起到一定的防護作用。

防寒：如果干冰顆粒以接近音速( 274 m/s) 的速度噴射到人身上時，人體是根本無法抵抗的。因此，為了安全，在操作前必須穿戴好所有的防護設施，其中包括: 耐用手套、全面罩以及長袖工作服。在清洗操作中還要時刻注意附近是否有人，以免干冰顆粒噴出傷害到他人。

2.3 技術特點

（1）干冰清洗技術不受制于發電機定子空間的約束，能在非常狹小的空間進行清理。特別是對定子繞組端部的斜邊墊塊縫隙、鐵心通風槽縫隙、定子鐵心端部狹小空間中的油污、灰塵等都能進行清理。

圖8 干冰清掃繞組端部斜邊區域

圖9 干冰清掃繞組端部槽口區域

（2）干冰顆粒需要被加速至接近音速才能有效沖擊被清洗物體表面，將廠房低壓用氣接入干冰顆粒噴射機作為載體和動力，干冰顆粒經高壓擠出成型，密度大，能夠產生最大的沖擊能量，保證干冰清洗噴射不斷續，清洗均勻，有效提高干冰清洗效率。

（3）針對張河灣發電機組特點，分析定子通風結構。定子通風槽十分狹小，需要對干冰顆粒的大小進行甄選，大的顆粒難以進入狹小的通風槽，經過試驗發現直徑1～3 mm的干冰可以滿足通風槽、定子繞組斜邊墊塊縫隙等區域的清掃要求。

（4）針對張河灣發電機組特點，分析發電機鐵心、繞組絕緣結構，聯合科研機構對鐵心、線棒模型進行多種型式試驗，最終確定制作干冰的過程中填加一定比例的惰性氣體，可以有限避免水汽的凝結，對后續機組運行過程中油污、灰塵起到一定的隔離作用，保證各部件的機械性能和絕緣性能。

（5）干冰顆粒噴射到定子表面，完成清洗任務后，已經升華成為二氧化碳氣體，清洗過程沒有產生任何二次廢物。

（6）干冰清洗機噴嘴類型多樣，定子鐵心表面、端部繞組清洗使用大型噴嘴。斜邊墊塊縫隙、鐵心端部槽口、通風槽縫隙清洗使用小型噴嘴。

3 項目成果

清掃后，定子鐵心表面干凈平整，無遺留雜質（圖10），端部繞組等狹小空間中的油污、灰塵等幾乎全部清除。通過定子直流耐壓及泄露電流試驗，定子絕緣性能在干冰清掃前后無明顯變化

圖10 定子鐵心表面干冰清掃試驗對比圖

4 項目延伸

干冰清掃在工業清掃方面具有很高的優勢，清掃發電機定子的成功經驗可以推廣至發電機相關設備的各個方面。

（1）發電機轉子的清掃。可以使用干冰清掃對磁軛通風槽這些空間狹小的部位進行徹底清掃，并且不會對磁極等設備造成絕緣降低方面的困擾。

（2）發電機常規部件的清洗。如對發電機機架、轉動結構件等，清理表面油泥、脫落的油漆、鐵銹，采用干冰清掃，可以達到清洗后設備如新的狀態。

（3）發電機空冷器的清掃。使用干冰清掃，不僅能清理掉散熱片的表面油污、灰塵等，還能清理散熱片的表面氧化物，增強散熱效果，且在清洗過程中不會產生油污廢水，對環境造成破壞。

新源抽水蓄能事業蓬勃發展，如今新源公司多家單位已經進入大修周期，發電機定子清掃工作占用主線工期，采用常規人工清掃方式耗時長、效率低，而采用干冰清掃方式可以節約大量人力物力，提高效率，保證發電機各部件清洗效果，大大節約主線工期時長。

5 經濟效益

2017年張河灣公司3號機組A級檢修，采用常規帶電清洗劑清掃方式，用時15人/22 d。2019年張河灣公司1號機組A級檢修，采用干冰清掃技術，用時5人/7 d。

圖11 經濟性對比

采用干冰技術進行清掃發電機在快速、高效的同時，也為公司節約了原料成本和工時成本，為公司帶來巨大的經濟效益，值得在電站維修中進行推廣。