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1、水内冷发电机定子线棒堵塞的处理方法 刘斌，何蓉，林根仙 （苏州热工研究院，苏州 215004）摘要：发电机定子空心铜导线阻塞多由杂质、氧化物或腐蚀产物的沉积而造成。目前处理 堵塞的方法主要有机械擦洗、水力冲洗、阳离子净化和化学清洗等，每种方法都有相应的 优点和局限性，应结合堵塞情况和现场条件来具体选择。而改善运行期间定子冷却水的水 质是解决堵塞的根本途径。 关键词：定子线棒 内冷水 腐蚀 化学清洗Removal of Flow Restrictions in Water-Cooled Generator Stator Coils Liu Bin, He Rong, Lin Gen-xian (
2、Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, China)Abstract：Flow restrictions in the generator stator hollow copper conductors are commonly caused by impurities, copper oxides or corrosion production deposits. The removal of flow restrictions in generator bars can be achieved by the metho
3、ds of mechanical cleaning, water flushing, cationic purification or chemical cleaning at the present time. The choice of appropriate method will depend on the clogging condition and specific case for each method has its merits and limitations. However, the final solution to the problem is the optimi
4、zation of stator cooling water chemistry during operational period. Keywords：Stator Coils, Cooling Water, Corrosion, Chemical Cleaning大型发电机定子线圈空心铜导线大多采用除盐水作为冷却介质。运行冷却水中的杂质、 氧化物或腐蚀产物的沉积很容易造成定子内冷水回路的堵塞，引起定子内冷却水流量减小， 出水温度升高，使发电机定子线棒局部过热，从而导致发电机绝缘绕组老化，减载运行， 甚至烧毁线圈，被迫停机。1 堵塞的原因分析堵塞的原因分析发电机定子线棒堵塞主要是由冷却水水质
5、不合格导致铜导线腐蚀而造成的。受极限热 负荷设计的影响，定子绕组矩形空心导线尺寸一般长在 310mm，宽为 13mm，深约 500012000mm，这些小截面的空心导线在弯头处和进出口端并头套处很容易发生堵塞， 造成堵塞的沉积物主要为单质铜、铜氧化物和铁氧化物，也有涂层碎片、树脂碎片、密封 绝缘材料碎片、焊料和煤灰等杂质。 除严格控制定子水回路的清洁度外，定子线棒堵塞还应重点考虑铜导线的腐蚀。虽然 铜在除盐水中的腐蚀速度很低，但以下几个因素仍会造成铜导线的腐蚀和腐蚀产物的沉积。1.1 pH 值值水的 pH 值对铜表面氧化膜的形成和稳定性有很大影响。根据 Cu-H2O 体系的电位-pH 平衡图，
6、一般铜在水中的电位处于 0.10.38VSHE的范围，若水的 pH 值低于 6.95，处于腐 蚀区，金属铜溶解成 Cu2+；当 pH 值超过 10 时，会生成 CuO22-和 CuO2-的可溶性化合物； 只有 pH 值处于 710 之间，金属铜才处于稳定区1。工业上对发电机定子冷却水规定 pH值 7.09.0，确保空心铜导线处于稳定和较安全的状态2。1.2 电导率电导率电导率直接反映了水中杂质含量和绝缘性能。发电机冷却水电导率的控制上限是由绝 缘要求确定的，一般电导率要求控制在2.0 S/cm，但当电导率过低对金属铜和焊接材料 的腐蚀防护是不利的，如电导率从 1.0 S/cm 降到 0.2 S
7、/cm 时，铜的腐蚀速度增大 35 倍1。1.3 含铜量含铜量对已堵塞的定子线棒取样化学分析，除了有腐蚀产物 CuO 和 Cu2O 外，还有亚微米级 金属铜微粒3。定子水系统滤网和除盐床都无法拦截或吸附，很容易在局部不断沉积。因 此，水中铜含量的监测是发电机内冷水的重要监督内容，要求控制在 40 g/L 以内，它直 接反映铜导线的腐蚀情况。但南非电力公司(Eskom)部分电厂利用阴离子交换床代替混床除 去水中的阴离子，并维持冷却水中一定量的铜离子含量，即保持 Cu(OH)2浓度来实现对水 质碱化的目的，虽然有过饱和发生沉积的风险，但该方法已成功应用 20 年左右4。1.4 含氨量含氨量部分电厂
8、发电机冷却水由于补充凝结水调节 pH 值而引入氨，因为凝结水中氨含量一 般在 1 mg/L 左右，且受电导率控制，所以不可能发生氨的浓缩和铜的氨蚀。但如果发电机 补水为除盐水，直接加氨调节 pH 值时应避免发电机冷却水中高浓度氨的出现。氨对铜腐 蚀的抑制主要是 pH 值升高引起的，当冷却水 pH 值控制在 79 时，水中含氨量的合理值应 小于 300 g/L。1.5 溶解氧溶解氧水中溶解氧对铜腐蚀的影响，国内外都有一致性的结论，即在氧含量很低和很高时， 铜腐蚀速度都较低，水中氧含量介于两者之间时腐蚀速度最高。美国 EPRI 导则对发电机 冷却水中氧含量有明确规定：贫氧运行条件下氧浓度小于 20
9、 g/L；富氧运行条件下氧浓 度大于 2 mg/L5。水与大气接触时，水中氧含量一般为 1.43.2 mg/L。所以贫氧运行条件 需要冷却水系统与大气隔绝，并在水箱中液位以上充氢气保持微正压来实现；富氧运行条 件需要不断补充空气来维持。内冷水氧浓度在贫氧条件下大于 50 g/L 或富氧条件下小于 1 mg/L 时都应及时处理。1.6 二氧化碳二氧化碳溶解 CO2对纯水的 pH 值和电导率有明显影响，对定子冷却系统的防腐极为不利。 CO2溶解使纯水 pH 值急剧下降，空气中 CO2分压为 30.4 Pa 时，在水中的溶解度为 0.52 mg/L，可使纯水的 pH 值从 7.0 降到 5.6 左右
10、，导致呈明显酸性，使铜腐蚀加剧；CO2还参 与氧化腐蚀产物转化为碱式碳酸铜的化学反应，破坏铜表面的氧化膜6。所以运行中应严 格防止 CO2进入系统，并对已溶解的 CO2进行及时处理。1.7 温度温度一般地说，温度升高，腐蚀速度加快；但温度升高也使水中溶解气体降低，减缓腐蚀。 氧化铜溶解度在发电机运行温度 6080时最低，容易析出发生沉积。所以大型发电机组 对进出冷却水温度有严格要求，进水温度不低于 45，避免定子线棒与定子铁芯的温度差 胀太大而引起线棒绝缘的损坏；出水温度不会超过 85，定子线棒出水温度的最高点与最低点温度之差超过 8报警，超过 12跳闸7。1.8 流速流速空心铜导线内水的流速
11、增大，即加大了铜管的机械磨损，又加快了腐蚀性物质的迁移 而加快氧化膜的破坏，所以在进行电机设计时，空心导线内流速控制在 2 m/s 以下。 文献调研表明，空心铜导线耐蚀性能较好，因腐蚀造成减薄或穿孔的情况并未见报道， 因杂质迁移和氧化物局部沉积造成线棒堵塞才是发电机最常见的问题。2 堵塞的处理办法堵塞的处理办法2.1 机械擦洗机械擦洗机械擦洗指用铁丝或钢刷手工清除铜导线内的沉积物。现场经验表明，氧化物一般在 定子冷却水进出口端并头套处发生沉积，在对定子冷却水回路解体后可以目视检查堵塞情 况并人工清理沉积物。 机械擦洗只能在停机和发电机解体的情况下进行，只能清理端头处和工具可触及的部 位的沉积物
12、，对空心导线深处的异物却无法清理，仍需要其它清洗措施配合以进一步提高 效果。2.2 水力冲洗水力冲洗发电机定子绕组水回路检修常规方法就是干燥无油压缩空气和除盐水进行冲洗，冲洗 的介质还可以选择高纯氮气或其它惰性气体，冲洗方式主要有正压式、反冲式、脉冲式和 气水共振等8，冲洗压力的选择应避免对水回路系统造成伤害，冲洗结果以排水清洁合格 为标准。 对单根线棒或一组线棒进行水力冲洗时，冲洗效果往往比整体冲洗时要好。水力冲洗 可以带出水系统内黑色油污、灰尘、纤维和焊渣等杂物，对沉积氧化物的清理也有一定的 效果，但也不排除冲洗造成沉积物变得更加致密的可能。2.3 阳离子净化阳离子净化阳离子净化方法与其它
13、所有清洗方法不同，它通过阳离子交换床代替混床实现在线清 洗，是一种区别于正常运行阶段的运行模式。法国 EDF 从 1995 年开始在其所辖的核电站 推广该方法，取得了良好的效果。 阳离子净化系统投运时，冷却水充分通风，利用空气中二氧化碳溶解而使水溶液 pH 值降至 6.06.5 左右，此时铜氧化物缓慢溶解，铜离子被阳离子交换树脂吸附，系统内沉 积的氧化物不断得到清理。维持这一运行模式几个月后，系统恢复到常规混床净化，实现 正常运行。根据报道，一般是在 2-6 月阳离子净化后，可以维持 1-2 年的正常运行9。 铜氧化物的溶解还受到系统内局部温度、结构和运行参数的影响，所以在没有详细了 解沉积物
14、的沉积状态和溶解性能时进行阳离子净化具有较大的风险。2.4 化学清洗化学清洗化学清洗是清除铜导线内沉积物最有效的方法之一。清洗剂应根据铜和铜氧化物的性 质来选择，一般有盐酸、硫酸和磷酸等强酸，也有柠檬酸、羟基乙酸和氨基磺酸等弱酸， 还可以选择乙二胺四乙酸(EDTA)、过硫酸铵(NH4)2S2O8等络合药剂。 堵塞的沉积物多为 CuO、Cu2O 和单质 Cu，其中 CuO 在很多酸和络合剂中发生溶解； Cu2O 可以被氢氟酸、硫酸和磷酸溶解，也可以和 NH3和 CN形成特定的络合物而溶解，为了更好地溶解氧化亚铜，酸液中应加入一定的氧化剂，如 H2O2；Cu 是相当稳定的金属， 在盐酸、硫酸和磷酸
15、中不发生溶解，只有在添加氧化性物质或在氧化性酸（硝酸）中才发 生溶解。华能岳阳电厂在 1998 年对 1 号发电机(362.5 MW)定子线棒进行单根、分组方式进 行停机清洗，酸洗介质为 4%的柠檬酸和 0.2%的双氧水，在温度 5060环境下循环冲洗 30min，流速大于 1m/s，共清洗出 9kg 沉积氧化物，清洗后线棒两端并头套内基本干净， 流量恢复正常10。法国 Alstom 采用其专利配方 Cuproplex 对某核电站 1160MW 发电机定 子回路进行了在线清洗，清洗 10 天后流量由 120 m3/h 恢复到 166 m3/h，功率也恢复到满负 荷。该配方的主要组成为 EDTA
16、 钠盐，加入适量的 H2O2以溶解 Cu2O，适量的活化剂用于 避免溶解后再沉积，适量的缓蚀剂用于避免 H2O2对空心铜导线造成严重腐蚀。通过定子冷 却水泵连续注入清洗液并通过旁路离子交换树脂去除部分溶解铜离子、EDTA、缓蚀剂和 活化剂等，清洗过程中严格监控电导率，最大不超过 12 S/cm，在线清洗耗时较长，费用 也较高11。2.5 小节小节机械擦洗可以对局部严重堵塞甚至完全堵塞的情况进行清理，但是不适合全面的整体 的清理。即便它有助于恢复流量，残留的沉积物仍可能引起流量不稳定，作为诱因引起重 新沉积。此外，机械擦洗的工作量也较大。 水力冲洗相对简单，但效果有限。它不可能清除严重的堵塞，也不可能彻底清理沉积 层。反向冲洗还有可能使原有的沉积更加结实。 阳离子净化适用于氧化沉积物周期性清理，其设备和工艺要求使它更接近于运行控制 手段而不是清洗措施。 酸洗对于堵塞严重的情况有明显效果，但也会对基体金属造成溶解。为了减小酸洗对 系统材质的不利作用，更好控制酸洗
