发电机定子线棒部分堵塞原因分析和处理

发电机定子线棒部分堵塞的原因分析和处理
摘要：本文讲述了一起大型发电机定子线棒部分堵塞的原因和
处理过程，并指出氧化物的生成和集聚，其根源是定冷水水质存在
问题，处理的方法就是化学清洗和改善水质。
关键词：汽轮发电机；定冷水；部分堵塞；化学清洗
0 引言
现阶段国产600mw及以上的发电机，一般都采用水氢氢的冷却
方式，就是发电机定子线棒采用除盐水内冷，定子铁芯和转子采用
氢气冷却。发电机定子线棒内通水孔只有几个毫米的宽度，容易发
生线棒被异物堵塞。分析发电机定子冷却水系统的材质：发电机线
棒是电解铜、汇水管是不锈钢，外部管道、滤网、阀门和水泵也都
是不锈钢，垫片是聚四氟乙烯，其他物质主要是离子交换器的树脂，
氢气、氮气、氧气和少量的二氧化碳。正常运行情况下，导致发电
机定子线棒堵塞的杂质主要有树脂、氧化铜和氧化铁。
1 定子线圈层间温差高报警
jw电厂3号发电机，是上海制造的qfsn-600-2型600mw水氢氢
汽轮发电机组，出品号为：60sh027，制造日期2005年5月，2007
年2月投入商业运行。2010年12月3号发电机c级检修并网后，
定子10槽内上下层线圈间温度偏高，并且有逐步上升趋势，10号
槽层间温度与其他41个槽层间温度的温差逐渐拉大。2011年1月，
3号发电机在600mw负荷时，10号槽层间温度与其他41个槽层间
温度的温差超过10℃的报警值，最高达到12℃，机组发出“定子
线圈层间温差高”报警；定子进出口压差已达325kpa，比厂家推荐
的报警值248kpa已高出31%；机组限负荷在520mw以下运行。
查看3号发电机定冷水的历史记录，我们发
现在定冷水流量保持相对稳定的情况下，定冷水泵出口压力在
逐年上升。如表1所示。在过去的几年里，每逢机组大小修，我们
都对3号发电机定冷水系统进行正反冲洗，冲洗后定冷水泵出口压
力有所下降，但总体上升趋势不变。
3号发电机定冷水流量及压力
日期 流量
（t/h） 定冷水泵出口压力（kpa） 备注
表1：3号发电机定冷水流量与压力对应表
在2010年10月，3号发电机国庆临修时，拆下发电机线圈定冷
水入口处的锥形滤网，发现滤网内有大量的黑色污垢，造成锥形滤
网部分堵塞，并且这些污垢有很强的吸附性，采用压缩空气很难清
除。如图1所示。经广东电科院化验，该物质主要由氧化铜（约80%）、
氧化铁（18%）组成。
图1：3号发电机线圈定冷水入口处的锥形滤网
2 定冷水系统和氧化物的来源分析
水氢氢汽轮发电机的定子冷却水系统：包括线棒空芯铜导线、
聚四氟乙烯绝缘引水管、不锈钢的汇水管，不锈钢的管道、滤网、
水箱、阀门和水泵。定冷水采用除盐水，采用密封、贫氧运行方式，
水箱和管道的空间充满氢气。如图2所示：
图2:3号发电机定子冷却水系统图
水氢氢汽轮发电机的定子线圈：由上下层线棒组成，线棒由实
芯铜股线和空芯铜线交叉组成。上层线棒42根，每只线棒由4排
组成，每排由5根绝缘空芯铜线及10根实芯铜线组成，在槽部逐
根进行540°罗贝尔换位编织；下层线棒42根，每只线棒由4排组
成，每排由4根绝缘空芯铜线及8根实芯铜线组成，在槽部逐根进
行540°罗贝尔换位编织。空芯铜线的横截面宽7.5 mm、高 4.7mm、
壁厚1.35 mm，通水的内孔宽4.8 mm、高 2.0mm，如图3所示。可
以看出线棒的空芯铜线内通水通道是非常狭小而又弯曲的，当定冷
水中存在杂质时很容易引起线棒局部堵塞。
图3： 上下层线棒的横截面示意图
定冷水系统中氧化物的来源，主要来自发电机定冷水系统通道
的金属腐蚀。定冷水中总会含有一定量的氧和二氧化碳；定子绕组
导线是电解铜制成的，它的电化特性不均匀，其特点是绕组不同部
位的起始电子电位数值不同，所以含有氧和游离的二氧化碳的定冷
水与线棒铜表面接触，造成电化腐蚀，铜变成铜离子溶解于定冷水
中。部分铜离子被离子交换器吸收；部分铜离子与氧和二氧化碳反
应生成氧化铜【cuo】；而部分铜离子在铜棒内表面上形成氢氧化铜
【cu（oh）2】，建立了保护层，从而延缓了腐蚀过程。由于定冷水
系统在相对密闭的、贫氧的环境下运行，氧和二氧化碳的含量不断
减少，电化腐蚀反应不断减弱。
从以上分析可知，氧起两个作用：一方面它象氧化剂一样，助
长腐蚀的发展，另一方面在铜表面形成薄薄的cu（oh）2 保护层，
延缓了铜的腐蚀。而定冷水中的游离二氧化碳，会使定冷水呈弱酸
性，阻碍铜表面生成这种保护层，使得铜的腐蚀加重。当定冷水呈
弱碱性（ph 值在7.5-8.85 之间），这样会改善铜线的腐蚀量，减
少水中铜离子含量。
查看历年来jw电厂3号发电机定冷水的水质监督记录，如表2
所示。
3号发电机定冷水
结果 项目
时间 ph
表2：3号发电机定冷水水质监督记录表
可以看出3号发电机的定冷水，长期处在ph值为7左右运行，
定冷水呈中性或弱酸性，不满足“国标gb/t 7064-2008 隐极同步
发电机技术要求”规定ph值8～9的要求。也不符合dl/t 801---2002
《大型发电机内冷却水质及系统技术要求》3.1水质要求，如表3
所示。
表3：空心铜线水质要求
对比表2和表3，我们发现3号发电机定冷水的ph值偏低，导
电率也严重偏低。是不是定冷水的ph值在7左右、导电率在0.1
μs/cm以内，就会导致定冷水系统的腐蚀，生成氧化铜和氧化铁，
从而导致定子线棒部分堵塞呢？我们考察了国内好几家大型火力
发电厂，包括了国产和进口的600mw发电机组，大部分发电机定冷
水的ph值都在7左右、导电率也在0.1μs/cm以内，但他们没有
发生过氧化物堵塞线棒或定冷水泵出口压力不断上升的现象。
大量氧化物的生成，需要大量的氧和氧化的环境。也许3号发
电机定冷水的ph值和导电率偏低，是一个很好的“氧化的环境”；
但是3号发电机定冷水系统是一个充满氢气、密闭的、贫氧的环境，
冷却水是除盐水，正常运行时的补水量很少，大量的氧从何而来？
只有一个可能，就是定冷水系统漏空气。大量的氧气和少量的二氧
化碳进入定冷水并溶解于水中，加上水流对空芯铜线的冲刷作用，
不断破坏铜表面的保护层，不断发生铜的腐蚀，生成氧化铜。同样
的腐蚀也发生在不锈钢管道的表面，生成氧化铁。
为了查找这些氧化物的来源，我们对补充定冷水的除盐水进行
水质化验，发现除盐水的含氧量是合格的。对定冷水系统进行全面
查漏，发现个别排气管出口有漏氢，进行封堵。把定冷水箱排气管
道中间的“煤气表”更换成更加精细的表计，并对排气管出口的u
形管补水，经过一段时间的运行跟踪，我们发现定冷水箱的排气量
大于发电机的补氢量，排气口的氢气纯度只有50%左右。通过对上
面图2的分析和现场设备管道的确认，最后我们发现，造成大量氧
气进入定冷水的根源是定冷水箱顶部的压缩空气阀门内漏。带有一
定压力的压缩空气给3号发电机定冷水系统源源不断的补充氧气和
二氧化碳。
3 清洗处理
3号发电机定子线棒部分堵塞的原因和造成堵塞的物质已经分
析清楚，我们选择了对定冷水系统进行全面彻底的化学清洗。清除
其管道、容器、汇水管、线棒空芯导线内表面等处附着的沉积污垢，
并进行钝化处理，在其内表面形成保护膜，使发电机定冷水系统通
畅、稳定，从而保证机组的安全稳定运行。
本次化学清洗采用碱洗＋酸洗＋漂洗钝化的复合清洗工艺。
1）、碱洗：去除系统中油性杂质、有机物；碱洗复合药剂浓度
为0.8～1.0%，碱洗液ph 位于11.0～12.0，温度55℃左右，碱洗
时间为1～2 小时。
2）、酸洗：去除系统中铜的腐蚀沉积物；酸洗药剂为3%柠檬酸
＋1%缓蚀剂，酸洗液ph 位于3.5 左右，温度位于60℃左右，酸洗
时间为2～3 小时；酸洗以正向回路和逆向回路反复进行，直到水
质化验合格。
3）、漂洗钝化：清除系统中的酸残存液，并在其表面形成钝化
膜；漂洗钝化药剂为0.1～0.2%磷酸三钠，漂洗钝化液ph 位于
10.0～10.5，温度位于40～45℃，漂洗钝化时间为2 小时。
经过两天的碱洗、酸洗和漂洗钝化处理后，3号发电机并网后带
上600wm负荷，10号槽层间温度与其他41个槽的层间温度基本相
同。
为了彻底消除再次出现氧化物堵塞线棒的现象，我们彻查定冷
水系统泄漏空气的所有可能的泄漏点，彻底堵塞氧气进入定冷水系
统的漏洞。对定冷水系统进行改造，加装内冷水碱性水处理装置，
提高冷却水ph值到8～9，电导率在0.5～1.5之间。
内冷水碱性处理是新开发的内冷水处理技术，原理是改变内冷
水小混床树脂基准型态（rm＋roh），在一定量的定冷水通过碱化混
床时，能将交换能力位于m＋以前的杂质离子不断转换为m＋，其
它阴离子（离子交换顺序位于oh－以前）不断被转化为oh－。因
此，依靠定冷水中本身存在的微量铜、铁等杂质离子（μg/l级），
通过连续的循环运行，将ph升高到微碱性（ph＝8～9）。调整碱化
混床处理水量和旁路流量，保持内冷水始终处于微碱性状态，可减
缓铜导线的酸性腐蚀。
4 结束语
水内冷式发电机，发生定子线棒被异物堵塞的事件很多，原因
也很多。例如：sg电厂#11发电机因树脂误入其内冷水管路造成堵
塞； lh电厂#5发电机励端定子部分线棒被纸箔垫子堵塞；zx电厂
#7发电机内冷水回路腐蚀产物堵塞等。如果在短时间内发生线棒堵
塞并导致发动机烧坏的，一般是外来杂物导致；如果是长时间缓慢
积累的，导致水压力上升、线棒温度上升的，一般是氧化物堵塞。
而氧化物的生成和集聚，其根源是定冷水水质存在问题，处理的方
法就是化学清洗和改善水质。我们从发现3号发电机10号槽层间
温度偏差高到最后彻底处理，历时一年多。在此期间的学习、调研、
分析、讨论，最后机组报警限负荷而不得不进行处理，使我们的技
术人员进步了不少，总结一点经验，希望能给大家提供一点借鉴的
资料。
注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。