发电机定子绕组和转子绕组等部件在运行中所产生的交换热量必须由冷却介质带走, 通常是选用二级除盐水进行冷却, 由于发电机冷却水是在高压电场中作冷却介质, 对它的各项控制指标的要求必须保证以发电机安全经济运行为前提。因此对发电机定子冷却水的水质须有以下要求。
1.1 较好的绝缘性 (即较低的电导率)
以防止发电机绕组对地短路而导致泄漏电流和泄漏损耗增加。
1.2 不结垢
1.3 对发电机铜导线和内冷水系统须无侵蚀性
因为铜导线的腐蚀产物会在空心铜导线内沉积, 造成导线内部冷却水流通截流面积减小, 阻力加大, 甚至完全堵塞;结果使发电机运行中线棒温度上升, 严重的甚至导致发电机线圈烧毁。
四川广安发电有限公司自1998年9月第一台300 MW的机组投运以来, 到2007年最后一台600 MW的机组建设完工投运, 发电机的定子冷却水处理系统先后采用了小混床处理法、加铜缓蚀剂法、凝结水和除盐水交替补充的开放式运行法;在使用过程中分别发现上述方法或多或少均存在不同的问题, 现将问题分析总结如下。
经了解, 国内大多数300 MW及以上机组设计中发电机内冷水的处理方法均为“小混床处理法” (广安公司的全部六台机组均设计为“小混床处理法”) , 小混床内装有阴阳两种离子交换树脂 (设计的罐体容积为91L, 树脂的装填容积70L左右) , 分别用来除去水中的阴离子和阳离子, 达到净化水质的目的。1999年至2001年广安公司一期两台机组采用小混床处理法运行了近三年时间, 分析、运行监测发现小混床运行中存在诸多问题。
小混床本身结构设计不合理, 存在一些缺陷, 如偏流、漏树脂、运行周期不稳定等问题, 导致出水水质不稳定。
小混床内装普通型树脂, 树脂中常泄漏大量低分子聚合物, 对系统存在污染并使小混床出水pH偏低, 系统pH≤6.5, 不符合国标规定pH≥7.0的要求。水质呈酸性, 定冷水系统实质上存在铜腐蚀 (四川某电厂曾经因为长期采用小混床处理方法运行了近15年, 最终导致发电机端部线圈腐蚀穿孔, 引发发电机定子短路烧损事故) , 小混床内的树脂将系统内腐蚀下来的铜离子的置换了下来, 表面上将铜离子含量控制在标准的合格范围内。此外, 若定冷水的温度控制不好, 一超温 (超过定冷水最高的温度48℃) 的就会引发树脂的分解而产生有机酸, 更加的降低系统内的pH值, 加剧系统的腐蚀。
普通树脂交换容量小, 需每隔1～2个月抽出树脂一次进行体外再生 (相应的须建一套体外再生装置) , 不仅费时费力, 而且要求的再生技能较高, 树脂的分层困难, 混脂的效果不易控制, 一次性再生成功的几率较低, 且再生费用不菲。
系统设计中缺少一些必要的在线仪表, 无法连续检测系统水质, 树脂捕捉器的设置和内部结构不合理, 树脂装入后混脂不均匀, 影响出水质量, 还存在树脂漏入发电机现象等问题。
由于小混床系统存在上述的不完善的技术问题, 大多数的时候就没有投运小混床。自2001年4月开始开始广安公司就在#31、#32机组上放弃了使用小混床处理方法, 改为在定冷水内加缓蚀剂的处理方法。
向冷却水中加入一定量的铜缓蚀剂, 如MBT、BTA、TT等, 其作用是铜缓蚀剂与水中铜离子络合生成难溶沉淀, 覆盖在铜表面, 形成暂时保护膜, 以缓解铜基体的腐蚀。
经过近两年的运行观察、监测, 发现向水中加入缓蚀剂虽然可以减轻铜腐蚀但也存在较多的问题。
铜缓蚀剂在铜表面形成的保护膜层为单分子膜, 膜层薄, 易破损, 防护性差, 因此必须连续保持水中有一定量的缓蚀剂, 否则水中铜离子含量会很快升高。缓蚀剂加入后定冷水的电导率会升高, 易造成电导超标问题, 加入MBT后电导率经常超过5μs/cm, 如果按标准D D≤2μs/cm控制要求, 内冷水DD指标难以合格。因此在2002年1月就放弃使用MBT缓蚀剂。随后采用在定冷水中加BTA类缓蚀剂, 虽然能基本满足电导率DD≤2μs/cm标准, 但缓蚀效果差, 未加药前Cu2+=200～400μg/L, 加入BTA后降为100～200μg/L, 离现行标准要求的Cu2+≤40μg/L仍有很大差距。此外, B TA加入后水的pH会进一步降低, 缓蚀效果难以达到最佳, 如再加入碱性物质提高pH, 又将使电导率升高, 水质难以合格。
无论加何种缓蚀剂均难使电导率、pH和Cu2+几项指标同时合格, 运行控制难度极大, 系统中腐蚀依然较严重, 并易生成铜的腐蚀产物, 主要为铜的氧化物颗粒, 机组大修期间检查发现在内冷水水流较缓慢的区域发现了缓蚀剂析出或形成的粘泥, 这些粘泥和腐蚀产物易在空心的铜导线中沉积形成污垢, 严重时阻塞管道, 使线棒超温, 最终烧毁线棒。有报道1998年华能某电厂一台360 MW机组因发电机内冷水BTA产生的沉积污垢导致线棒堵塞而导致烧损事故发生, 损失巨大。
DL/T801-2002《大型发电机内冷却水质及系统技术要求》 (适用于200MW及以上水内冷绕组的汽轮发电机) 及DL/T1039-2007《发电机内冷水处理导则》 (适用于125 MW及以上汽轮发电机和水轮发电机内冷水的处理) 都规定:允许运行时在水中加缓蚀剂, 但必须控制pH大于7.0。
基于以上多种原因, 加缓蚀剂的方法实际应用上存在诸多问题, 广安公司于2004年1月放弃了在定冷水系统添加缓蚀剂的处理方法。
开放式运行方式即向发电机冷却水箱中连续大量补充二级除盐水, 并辅助补充凝结水调节pH值, 并保持大量溢流排水的运行方式。广安电厂二期机组在2003年至2005年期间采用这种运行方式, 补水量约为5t/H·台机。虽然这种方式可以满足定冷水所有的指标, 但也存在一些无法解决的问题。
连续大量补水的运行方式存在较大的安全隐患, 二级除盐水一旦受到污染或者凝汽器发生泄漏, 电导率不稳定或者超标而引起保护动作跳机的事故, 运行状况极不安全。
由于广安公司炉内及精处理值班点只设一人值班, 在人员的安排上不可行。
连续补水, 除盐水浪费极大, 每年每台机消耗除盐水约4万吨, 经济性差, 虽然排水可回收到凝汽器, 但腐蚀下的铜增加了凝结水、给水的杂质。
由于存在上面的缺陷, 广安公司2005年在二期机组定冷水系统上放弃了采用“开放式补水运行方式”的方法。
依据离子的交换理论, 广安公司在实验室试验过改变阴阳树脂的配比 (阴阳树脂比例为2.5～3.5∶1) 和RNa+ROH配套RH+RO H的双套小混床处理法, 试验的效果不甚理想, 后由于寻求到了新型的、价格便宜、操作简单、运行稳定的定冷水弱碱化处理方法, 就没有继续试验下去。2005年底开始对公司的全部发电机的定冷水处理系统逐步的实施了改造。
发电机内冷水弱碱化处理系统的工作过程为:发电机定冷水的部分定冷水 (一般为5%～10%左右) 通过旁路流经“发电机定冷水弱碱化处理系统”中的超净化装置处理后, 出水的DD控制在0.2 us/cm以下, 同时微碱化加碱装置向其出自动加碱, 将出水p H值提高到7.5～8.5左右、DD控制在0.5 us/cm以下后回到内冷水箱, 将整个定冷水系统的水质质量提高到同时满足行业标准DL/T1039—2007的要求:pH=7～9, D D≤2.0 us/cm, C u2+≤40 ug/L。定冷水弱碱化处理系统由超净化处理装置、特种树脂、自动调节加碱装置、在线监测仪表等部分组成, 并配备相应的仪表和仪表柜。其中填装的树脂是经特殊工艺处理的进口树脂, 运行周期长 (大于两年) , 出水水质稳定。实效后不须再生更换即可。
(3) 该系统主要设备配置如下。
超净化处理装置。
超净化装置为容积为800 L的不锈钢装置, 能盛装600 L的树脂, 具独特的结构设计, 其作用为除去定冷水中的各种离子, 确保出水水质的DD在0.2 us/cm以下;罐体并布置有正、反洗进水门和排水门、排污门, 投入或退出运行操作简单。
(2) 弱碱化装置。
装置中加碱微电机通过PID接受超净化装置出口管道上的DD表控制, 将系统的出水的pH值控制在7～9的范围内。
工作原过程为:全自动调节加碱装置的自动启停由超净化装置出水电导率控制, 设定装置启动电导为0.4μs/cm, 停止电导为1.8 us/cm;由PID调节器根据超净化装置出水电导率大小, 自动控制电磁计量泵运行频率, 调整加药量, 将装置出水电导率控制到设定值0.55μs/cm (此状态下内冷水系统pH为8.0～8.3) , 电导率上下浮动不大于±0.03μs/cm, 运行稳定。
该装置具有三重安全保护功能。若交换器电导率超标, 即电导大于2.0μs/cm, 全自动调节加碱装置会自动切断电磁计量泵电源, 停止加药;若内冷水系统电导率超标, 即电导大于2.0μs/cm, 全自动调节加碱装置会自动切断电磁计量泵电源, 停止加药;若装置出水电导率高于设定值 (0.55μs/cm) 的20%, PID调节器会将电磁计量泵运行频率设定为0次, 即加碱装置也会停止加药。
此控制方法安全、稳定。多年运行证明, 能完全满足定冷水系统的运行技术要求, 无任何安全隐患。
(3) 在线仪表。
每套超净化微碱处理装置配置2套在线pH仪表、2套电导率表。可直接显示弱碱化装置进出水的pH值及电导率, 方便连续检测, 提高了运行的监控水平。
(4) 树脂捕捉器。
在弱碱化装置的出入口各安装1套树脂捕捉器, 确保在各种工况下均不漏树脂, 保证内冷水系统的安全运行。
自2005年广安公司第一台一期300 MW的发电机的定冷水处理系统进行“超净化微碱处理”技改以来, 一直运行良好, 平时的维护工作就是在线仪表的维护和每隔5个月左右时间添加一次微碱化装置的碱液, 维护工作量小, 运行可靠, 系统内几乎无腐蚀 (Cu2+的含量一般在5 ug/L以下) 。
运行的各项指标优于行业标准的控制值 (如表1) 。
运行稳定、可靠, 出水水质能长期保持稳定。
出水pH的提高, 能够彻底解决因水质不合格引起的腐蚀产物在空心导线中沉积、线棒超温等问题。
系统采用全密闭方式运行, 可以节约大量的除盐水, 另外也减轻了烦琐的补水工作。
内冷水弱碱化处理系统是原系统的旁路处理系统, 与原系统的隔离简便。即使在该系统故障或更换树脂时, 该系统可方便与原系统解列, 以便维护。同时解列后, 内冷水系统可通过换水或以原运行方式运行, 维持水质在合格范围内。
经过较长时间的摸索和实际应用, 我们认为定冷水微碱化处理模式是目前比较安全可靠、较经济的一种定子冷却水的处理方式, 系统出水水质不但能同时满足行业标准的要求, 而且操作简单, 运行、维护的工作量小, 可以在行业中推广应用。
摘要：综合比较了定子冷却水的多种处理方法, 总结了各种处理方法的优缺点, 提出了“发电机定冷水弱碱化处理”方法是一种既经济、安全、又操作简单的最优的处理方法。发电机定冷水弱碱化处理方式:发电机定冷水部分水经“发电机定冷水弱碱化处理系统”处理后, pH值提高到7.5～8.5、DD降低到0.5 us/cm以下后回到内冷水箱, 系统内整个水质能同时满足行业标准DL/T1039—2007 (pH=7～9, DD≤2.0 us/cm, Cu2+≤40 ug/L) 的要求。发电机内冷水弱碱化处理装置配装的是经特殊工艺深度再生后按特殊配方填装的进口树脂, 运行周期长 (大于2年) 。树脂失效后无需再生, 直接更换新树脂即可, 操作简单、维护量小。
关键词：定子冷却水,水质,弱碱化
[1] 孙本达, 杨宝红.火力发电厂水处理实用技术问答[M].水利电力出版社:200.
[2] 超超临界机组发电机内冷却水在运行中存在的问题及处理[J].热力发电, 2009, 5:96.
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