發電機定子冷卻水流量參數異常診斷及處理

包小涵，江 成，楊澤秋

（華能國際電力江蘇能源開發有限公司南通電廠，江蘇南通 226000）

0 引言

對于定子繞組水內冷的發電機組，發電機定子冷卻水系統至關重要。由于發電機定子線圈在運行過程中由于存在銅損和鐵損而產生熱量，定冷水主要用于冷卻定子線圈，避免溫度過高造成定子線圈的絕緣強度下降。

某電廠350 MW 汽輪發電機組采用定子繞組水內冷、轉子繞組氫內冷、鐵芯氫外冷的冷卻形式。系統主要由2 臺100%容量的定冷水泵、1 臺冷卻器、1 臺過濾器、1 個水箱、1 臺離子交換器等組成。系統的正常補水采用除鹽水（凝結水僅作應急補水水源），補水經濾網、離子交換器后進入定冷水箱。

正常運行狀態下，絕大部分定冷水由在定冷泵作用下，由定冷水箱進入冷卻器，再經過過濾器，然后分別進入發電機定子繞組和勵磁變，最后經由3 條支路（定冷水主回水、連接環回水、勵磁變回水）回到定冷水箱，另有一小部分定冷水經過過濾器后進入離子交換器，用于改善定冷水整體進入發電機定子線圈的水質，然后回到水箱。

正常運行過程中，定冷水進水壓力約3 bar（1 bar=0.1 MPa），定冷水箱水位約450 mm（滿量程為550 mm），定冷水進水流量穩定在1000 L/min 左右，連接環回水為270 L/min 左右，勵磁變回水在280 L/min 左右，流量測量均采用差壓式孔板流量計。

1 定冷水系統流量參數異常現象

1.1 定冷水進水流量波動

該機組定冷水系統定冷水進水流量“三取二”改“四取三”，增設流量開關管路改造后首次投用。啟泵后，定冷水流量立即出現大幅波動，波動范圍在930～1030 L/min，并泵、對測量管路進行排空氣操作均無作用，連接環回水流量及勵磁變回水流量均在270 L/min，且均無波動情況，定冷水系統投用過程中各項操作均與改造前一致。

1.2 連接環回水流量波動

（1）某日該機組調停后開機，定冷水系統投運后連接環流量出現波動情況，機組進行啟動準備前期，啟動定冷泵，此時定冷水流量穩定，約為967 L/min 左右，連接環流量在260～309 L/min 間波動，并泵未能消除流量波動，機組并網后監視定子線圈溫度無異常，就地無泄漏現象，隔日并泵后恢復正常（圖1）。

圖1 并泵后連接環流量穩定

（2）某日該機組調停后開機，投運定冷水系統，此時定冷水流量約967 L/min，流量穩定，連接環流量在258～315 L/min 之間波動，現場檢查無泄漏，測量管路排空氣，管路內負壓側水流呈間斷性排出。運行半個月左右連接環流量依然不穩定，期間多次進行并泵運行，每次并泵時長約為5 min，連接環流量仍在250～310 L/min 之間波動（圖2）。停機檢查過程中發現連接環回水管路內壓力與大氣壓力幾乎一致，勵磁變回水管路內存在負壓。

圖2 并泵后連接環流量波動

2 定冷水系統各流量異常原因分析

2.1 正常運行狀態及工作原理

定冷水系統各流量取樣及各管路走向如圖3 所示。

圖3 定冷水系統各流量取樣及各管路走向

定冷水進口流量取自定冷水泵出口，流量和壓力測點因為距離水泵出口較近均有較大波動，定冷水主回水管道從發電機端部回水，靠近管道出口處設計防虹吸管道，與水箱上部連接通過水箱上部放空管與大氣聯通，用于打破虹吸作用，防止發電機定子線棒內的水被吸回水箱。連接環回水流量與勵磁變回水流量管徑相近，約為進水流量或主回水管管徑的1/2，運行中均為滿管。因此，在豎直管段上，所有管路均可看作滿度和坡度相同的管道。水力半徑與管道半徑成正比，管徑越大，相應的流速就越大。因此在系統停運過程中，主回水管路與進水管路中的水更快回落至水箱或水平管段。連接環流量由于與進水管路相通，回水量相對較少，而勵磁變管路由于進回水均為細管段，兩側回落速度均較慢。當水箱滿水后，放空管入口也已充水，勵磁變管路內會形成一定的負壓，即：

其中，H 為勵磁變回水管路內壓力平衡后的等效高度。

連接環回水與勵磁變回水管路進入水箱前，豎直管道上均有一段1 m 左右的擴大管，回水測點安裝在擴大管前。對于同一直管段，管路的突然擴大會導致流速降低，根據伯努利方程：

由于管段為豎直管段，進入擴大管段后壓力會降低，因此受到影響時容易出現擴大管不滿管現象，從而導致流量參數異常。

2.2 定冷水系統流量波動原因

2.2.1 定冷水進水流量改造后波動原因

定冷水進水流量取樣點靠近水泵出口，根據其工作原理，會存在一定程度的波動，但改造前流量十分穩定。對比改造前后的流量取樣管路，發現孔板取樣出口原來使用的接頭內置有阻尼件，減少了壓力波動，使流量測量值較為穩定。更換內置阻尼件的接頭后，定冷水進水流量測量值恢復穩定。

2.2.2 連接環回水流量調停后波動原因

經過現場檢查，并對從連接環流量波動狀態以及過往操作過程進行分析，發現每一次停機后再啟機均會發生不同程度的連接環流量波動，可能的原因有：

（1）連接環流量測量儀表及測量管路存在大量空氣。①停機后定冷水回落水箱，儀表管路內的存水被大量帶走，導致測量管路內可能存在空氣；②由于停運過程中，連接環回水管路內壓力幾乎和大氣壓力相等，相較于負壓的勵磁變，需要更長時間排出管路內的空氣。

（2）部分參數控制和管系特性配合不當。定冷水箱標高550 mm，日常運行過程中，水位常常控制在400 mm 以上，高水位保證了即使在并泵過程中也不會出現打空泵的情況，確保定冷水泵以及進水的穩定性。但在停運時，回水大量落回定冷水箱，直接沒過排空管口，導致勵磁變管路內形成負壓。一方面，當再次啟機時作為并聯管路，充滿勵磁變回水的管路所需的壓降及管道內空氣阻力均遠小于連接環回水管路；另一方面，水位沒過水箱排空口，這意味著水進入了防虹吸管，直接導致系統排空氣能力降低。由流量波動檢查過程中多次排空氣，負壓側排水均有波動可知，存氣并不是單純的測量管路內存有空氣，而是系統內空氣未能排盡，且負壓側靠近擴大管段，說明管內壓力不足以排出擴大管內的空氣，導致負壓側擾動，造成流量參數異常。

更重要的是，根據伯努利方程，系統內含空氣的狀態下啟動后，在連接環回水形成時，管路內壓力可得瞬時方程：

其中，為發電機頂部連接環回水壓力，Δh 為發電機頂部至定冷水箱液位的高度差。在其他條件不變的情況下，水箱液位較高，即Δh 減小時，排出空氣的能力會更小。

3 總結

通過檢查分析可知，定冷水系統流量參數異常的原因為：①定冷水進水流量取樣靠近定冷泵出口，而沒有采用內置阻尼件的接頭；②啟機過程中系統內及測量管路內含有大量空氣，單泵出力較難排凈；③運行過程中，水箱水位控制過高，回水沒入排空管和防虹吸管，造成第二次啟機系統內排空氣困難。

為防止定冷水系統出現異常波動，可以采取以下應對措施：①對流量、壓力波動大的表計，在取樣出口處增設阻尼件，可以在減少波動的同時保證準確測量；②投運前期，少量多次并泵運行，排出管路內的空氣，管路內空氣較難排出時可以適當降低水箱水位，以減少排空氣阻力；③可在啟機前/停機后，降低水箱水位，保證防虹吸管和排空管內無積水，有運行需要再行補水。