汽輪發(fā)電機(jī)定子冷卻水防腐問(wèn)題研究

范 瑾

（國(guó)能榆次熱電有限公司）

0 引言

1 案例概況

以某機(jī)組改造項(xiàng)目為例，針對(duì)其中汽輪發(fā)電機(jī)定子冷卻水防腐問(wèn)題進(jìn)行研究。案例機(jī)組自投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，定子冷卻水的рH值始終偏低，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，含銅量超過(guò)了200μg/l，不符合相關(guān)規(guī)范要求。最初企業(yè)為保障冷卻水中銅含量達(dá)標(biāo)，采取換水的方式進(jìn)行處理，但是換水量巨大，需要消耗大量水資源，極大地增加了系統(tǒng)運(yùn)行成本。后又采取了旁路離子交換法，并結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際情況，調(diào)整了交換樹脂的陰陽(yáng)離子占比，雖然冷卻水當(dāng)中的銅含量有所下降，但рH值仍然無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，這表明該處理方式的效果不理想，系統(tǒng)仍然存在銅導(dǎo)線腐蝕情況。

2 汽輪發(fā)電機(jī)定子冷卻系統(tǒng)

2.1 定子冷卻水路結(jié)構(gòu)

定子冷卻水路結(jié)構(gòu)如圖1所示。繞組部分是由定子線棒連接，每根線棒由若干實(shí)心和空心銅線組成，其中空心銅線主要用于通水，以冷卻定子線棒。實(shí)心銅線與另一根線棒的實(shí)心銅線對(duì)彎后焊接［1］。水電接頭通過(guò)絕緣引水管與匯流管相連，再連接外部水路，以此構(gòu)成定子水路冷卻系統(tǒng)。定子繞組為雙層結(jié)構(gòu)，距離冷卻水出水口最近的風(fēng)區(qū)，兩根線棒之間設(shè)置測(cè)溫元件，用以測(cè)定上下層線棒的平均溫度。

圖1 定子冷卻水路結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 傳熱的基本方式

汽輪發(fā)電機(jī)的主要傳熱方式為熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱，輻射換熱占比較少，甚至在特殊情況下可忽略不計(jì)。

傳導(dǎo)散熱指的是不同溫度物體互相接觸，在微觀粒子運(yùn)動(dòng)之下，發(fā)生能量交換，熱流總是從高溫向低溫方向流動(dòng)的。電機(jī)當(dāng)中的熱量交換多發(fā)生在固體壁面，傳遞熱量大小的計(jì)算公式如下：

式中，Q表示傳遞的熱量；k表示傳熱系數(shù)；A表示傳熱面積；△T表示溫度差。

對(duì)流散熱過(guò)程中，流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移，將熱量從溫度較高的位置傳遞到溫度較低的位置。此類傳熱方式多發(fā)生在流體與固體之間，受到流體運(yùn)動(dòng)、流動(dòng)狀態(tài)以及物理性質(zhì)的影響。換熱量可用如下公式表示：

式中，Q表示換熱量；α表示對(duì)流換熱系數(shù)；A表示換熱面積；△T表示流體與壁面溫差平均值。

輻射散熱是通過(guò)電磁波傳遞能量的方式進(jìn)行熱交換。在發(fā)電機(jī)當(dāng)中，定子鐵心與線圈、冷卻水冷卻定子之間，存在兩種換熱方式，分別是對(duì)流換熱和輻射換熱。

3 汽輪發(fā)電機(jī)定子冷卻水腐蝕原因分析

結(jié)合案例實(shí)際情況展開分析，造成發(fā)電機(jī)定子冷卻水腐蝕的主要原因是，定子冷卻水并未處于完全密封的狀態(tài)之下，導(dǎo)致空氣當(dāng)中二氧化碳和氧氣溶于水，使得銅導(dǎo)線遭到腐蝕。根據(jù)相關(guān)研究可知，定子冷卻水中銅導(dǎo)線的腐蝕速率與水中的含氧量有著密切的關(guān)系，也會(huì)受到冷卻水рH值的影響。當(dāng)水中含氧量處于200~300μg/l時(shí)，銅導(dǎo)線腐蝕速率最快；而且銅導(dǎo)線的腐蝕速率會(huì)隨著рH值的升高而逐漸降低，當(dāng)рH值達(dá)到8.5時(shí)，腐蝕速率最慢，當(dāng)рH值達(dá)到9時(shí)，腐蝕速率又會(huì)逐漸增高［2］。若冷卻水系統(tǒng)密閉性良好，空氣當(dāng)中的二氧化碳和氧氣無(wú)法進(jìn)入到導(dǎo)線內(nèi)部被冷卻水吸收，那么冷卻水當(dāng)中的氧氣含量和рH值將會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在銅氧化膜的保護(hù)下，將不會(huì)發(fā)生銅導(dǎo)線腐蝕情況。但在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，無(wú)法徹底保障冷卻水處于密閉環(huán)境中，因此，難以避免會(huì)出現(xiàn)腐蝕情況。

Para-lingual context also constrains the way of expressing ourselves.We Chinese have a saying:“見(jiàn)人說(shuō)人話，見(jiàn)鬼說(shuō)鬼話”,which means what you say should fit the on-spot context.Chen Zhi’an and Wen Xu(1997:24)give us a good example.The following sentences are both used to ask about the time.

4 汽輪發(fā)電機(jī)定子冷卻水防腐策略

4.1 冷卻水處理

結(jié)合案例項(xiàng)目實(shí)際情況和特點(diǎn)，頻繁換水這一方案成本以及操作復(fù)雜程度都相對(duì)較高，因此從旁路離子交換除鹽法角度入手，在其中加入Nа型、H型陽(yáng)樹脂，以及OH型陰樹脂的方式，對(duì)冷卻水進(jìn)行處理，并結(jié)合實(shí)際情況調(diào)整不同陰陽(yáng)樹脂的比例，將其放入離子交換器。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種冷卻水處理方式有著較好的應(yīng)用效果，能夠在降低銅離子含量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于冷卻水рH值的有效控制，使其達(dá)到7以上，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)上述原理，冷卻水處理主要包括以下幾個(gè)步驟。

（1）Nа型、H型陽(yáng)樹脂，以及OH型陰樹脂比例調(diào)整。為提高冷卻水處理效果，合理控制不同樹脂比例，需要展開多次試驗(yàn)，并從中選取最佳配比。此次試驗(yàn)選用的是開放性除鹽水作為水源。經(jīng)試驗(yàn)，得到的水樣рH值分別為7.12、7.18、7.36、7.47和7.52，最終選擇了рH值提升最大的一組樹脂比例。

（2）按照上述試驗(yàn)方法，使用凝結(jié)水精處理混床出水，取代除鹽水水源，再次對(duì)水樣рH值以及電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)試，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 凝結(jié)水精處理后的試驗(yàn)結(jié)果

（3）根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，準(zhǔn)備樹脂混合劑。將處理好的Nа型、H型陽(yáng)樹脂，以及OH型陰樹脂，按照一定比例均勻混合，然后裝入離子交換器當(dāng)中，在此過(guò)程中，值得注意的是，應(yīng)避免出現(xiàn)樹脂分層情況。

（4）使用除鹽水作為補(bǔ)充水源，然后將裝有樹脂的離子交換器投入到冷卻系統(tǒng)當(dāng)中，并在此過(guò)程中，檢驗(yàn)冷卻水的рH值、電導(dǎo)率、溶氧量以及銅離子含量。經(jīng)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)，冷卻水的рH值有所提高，而且電導(dǎo)率相對(duì)較低，溶氧量也得到了有效改善。在此情況之下，銅導(dǎo)線內(nèi)部會(huì)形成相對(duì)穩(wěn)定的保護(hù)膜，并且冷卻水腐蝕效果較小，整體腐蝕速率有了極大的改善，在維持系統(tǒng)穩(wěn)定長(zhǎng)期運(yùn)行方面能夠起到良好的作用效果［3］。

4.2 運(yùn)行監(jiān)督

為實(shí)現(xiàn)對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)定子冷卻水腐蝕問(wèn)題的有效預(yù)防和及時(shí)處理，需要在旁路離子交換器的運(yùn)行過(guò)程中，采取有效監(jiān)督措施，避免設(shè)備失效，實(shí)現(xiàn)對(duì)于冷卻水的長(zhǎng)期處理，保障冷卻水處于穩(wěn)定狀態(tài)之下，避免銅導(dǎo)線腐蝕。對(duì)此，需要在交換器出口安裝在線電導(dǎo)率表，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)于冷卻水電導(dǎo)率的長(zhǎng)期監(jiān)督和測(cè)控，以便相關(guān)工作人員觀察設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，以及冷卻水處理效果。在此過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率達(dá)到25℃ 0.5us/cm時(shí)，則可能是由于樹脂失效導(dǎo)致的。此時(shí)，需要進(jìn)行體外再生，并重新配置添加劑裝入交換器，以此確保交換器作用能夠得到有效發(fā)揮，避免加劇銅導(dǎo)線腐蝕問(wèn)題。

4.3 定期沖洗

在汽輪發(fā)電機(jī)定子運(yùn)行的過(guò)程中，空心銅線內(nèi)表面遭受腐蝕后，還會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢情況，堵塞線棒。因此，在實(shí)際預(yù)防銅導(dǎo)線腐蝕問(wèn)題時(shí)，還應(yīng)定期進(jìn)行沖洗，處理掉銅導(dǎo)線內(nèi)部表面腐蝕部位，解決線棒堵塞問(wèn)題，確保冷卻系統(tǒng)得以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。常用的清洗方法主要包括物理清洗和化學(xué)清洗兩種。

物理清洗方法主要包括以下措施：（1）正反沖洗，冷卻系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，冷卻水沿著固定方向流動(dòng)，可能會(huì)加劇轉(zhuǎn)角、縮口等位置的腐蝕結(jié)垢情況，對(duì)此，需要通過(guò)正反沖洗的方式，多次改變水流方向，將污垢沖洗干凈；（2）水錘沖洗，向冷卻系統(tǒng)當(dāng)中注入除鹽水和高壓氮?dú)猓偻蝗恍箟海涌焖魉俣取⒃龃鬀_擊壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)于導(dǎo)線內(nèi)容的有效清洗。

但物理清洗方法也存在一定局限性，只針對(duì)小顆粒物質(zhì)或者疏松雜質(zhì)有著較好的祛除效果，對(duì)于致密性較強(qiáng)的腐蝕結(jié)垢情況，其清洗效果不盡如人意，尤其是轉(zhuǎn)角位置的腐蝕結(jié)垢，因此，需要進(jìn)一步采用化學(xué)清洗方式，清除腐蝕結(jié)垢。

化學(xué)清洗的主要原理是通過(guò)酸與腐蝕物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到清理腐蝕產(chǎn)物的效果，為實(shí)現(xiàn)對(duì)于空心銅導(dǎo)線的有效保護(hù)，還需要在完成化學(xué)清洗之后，使用活化劑調(diào)控冷卻水的рH值，并實(shí)現(xiàn)對(duì)于銅線表面的氧化活化處理，形成氧化膜。在實(shí)際采用化學(xué)清洗方式的過(guò)程中，應(yīng)注意清洗介質(zhì)要具有充足的溶解能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于腐蝕結(jié)垢的有效處理，但同時(shí)不會(huì)對(duì)設(shè)備造成不良影響。結(jié)合案例項(xiàng)目實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)空心線棒等具有良好的耐腐蝕性，在復(fù)合酸溶液中浸泡3h后，其腐蝕影響較小，可忽略不計(jì)，因此，在展開化學(xué)清洗的過(guò)程中，運(yùn)用復(fù)合酸是不會(huì)對(duì)設(shè)備造成影響的［4］。

化學(xué)清洗包括正沖洗和反沖洗兩個(gè)回路，需要分別從空心線棒正、反方向進(jìn)行沖洗，沖洗回路如圖2、3所示。在實(shí)際展開化學(xué)清洗前，需要對(duì)沖洗藥品、儀器等進(jìn)行檢查，確保其符合沖洗要求，確保清洗濾網(wǎng)無(wú)雜質(zhì)，同時(shí)要求清洗系統(tǒng)與非清洗系統(tǒng)之間進(jìn)行有效隔離，避免清洗液污染數(shù)值，并對(duì)加熱器、測(cè)量表計(jì)等進(jìn)行有效隔離，檢查冷卻系統(tǒng)無(wú)漏點(diǎn)問(wèn)題。

圖2 正沖洗回路

圖3 反沖洗回路

化學(xué)清洗的主要步驟如下：（1）做好準(zhǔn)備工作，將清洗用的相關(guān)設(shè)備用除鹽水洗凈，并安裝好相應(yīng)管道，檢查設(shè)備隔離情況，確保系統(tǒng)得以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，將水箱水位控制在中間，通過(guò)邊補(bǔ)水邊排放的方式，將系統(tǒng)電導(dǎo)率控制在2μs/cm以下，關(guān)閉排水閥門。（2）展開酸洗，關(guān)閉冷卻系統(tǒng)，并將冷卻水壓力控制在0.31MPа左右，然后放水，并向培養(yǎng)箱補(bǔ)水，將藥品充分溶解，將藥液注入冷卻水系統(tǒng)，展開酸洗，期間加強(qiáng)對(duì)于溶液酸度，以及冷卻水溫度的控制，每次沖洗時(shí)間在1h左右，正反沖洗循環(huán)交替進(jìn)行。并根據(jù)實(shí)際銅離子含量，確定酸洗時(shí)間，確保銅離子濃度穩(wěn)定后，方可結(jié)束酸洗操作。（3）打開排液口，將酸液排放到再生廢水池中。（4）完成酸洗后，進(jìn)行水洗，先正洗10min，再反洗10min，最后排除清洗水，反復(fù)操作三次后，同時(shí)打開排液口，和補(bǔ)水門，采用邊排邊補(bǔ)的方式?jīng)_洗，并在沖洗時(shí)測(cè)量冷卻水рH值，當(dāng)рH值在5以上時(shí)，可結(jié)束沖洗操作。（5）將活化液注入水箱，并進(jìn)行沖洗，然后注射鍍膜液，再進(jìn)行重洗，最后恢復(fù)系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，汽輪發(fā)電機(jī)定子冷卻水防腐，是保障冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，支持發(fā)電機(jī)穩(wěn)定、安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。造成冷卻水腐蝕的主要原因在于內(nèi)部密封性不佳，使得二氧化碳和氧氣溶于水，為銅導(dǎo)線的腐蝕創(chuàng)造了環(huán)境。因此，在實(shí)際展開防腐處理的過(guò)程中，一方面，應(yīng)從腐蝕原因角度入手，通過(guò)將H型陽(yáng)樹脂、Nа型陽(yáng)樹脂和OH型陰樹脂按最佳比例進(jìn)行混合，處理冷卻水，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)于冷卻水рH值以及電導(dǎo)率的有效控制，同時(shí)還應(yīng)采用相應(yīng)監(jiān)控措施，監(jiān)督離子交換器運(yùn)行情況，一旦電導(dǎo)率超出限值，需要優(yōu)先考慮樹脂失效情況，并更新交換器內(nèi)部樹脂，保障銅導(dǎo)線防腐效果。除此之外，還可以通過(guò)定期沖洗的方式，處理由于銅導(dǎo)線腐蝕引起的結(jié)垢以及堵塞問(wèn)題，保障冷卻系統(tǒng)始終處于良好運(yùn)行狀態(tài)。相信隨著對(duì)冷卻水防腐問(wèn)題的深入研究和實(shí)踐探索，汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)將會(huì)得到進(jìn)一步提升。