发电机定子引水管进氨后的化学清洗

戴世峰

(上海电力股份有限公司 吴泾热电厂, 上海 200241)

发电机交流耐压试验和直流耐压试验是鉴定电力设备绝缘强度的方法,是保证设备安全运行的重要措施。发电机直流耐压试验作为一种发现发电机受潮、劣化及端部缺陷的方法,在生产现场得到了大量运用[1]。某公司11#机组在大修后进行了发电机直流耐压试验,试验结果不合格,意味着发电机内部存在着严重绝缘缺陷,如果不加以处理,强行投运,则会造成停电或设备损坏等不可挽回的损失。本文针对定子绝缘引水管内壁金属沉积物的特性进行了小型试验,对定冷水系统进行化学清洗,将系统内的污垢、腐蚀产物去除,以保证绝缘引水管的绝缘效果,确保发电机安全、可靠运行。

1 系统概况

某公司11#机组2014年A级检修时,进行了发电机直流耐压试验,其标准电压为2.5倍额定电压(UN),定子额定电压UN为20 kV。

直流试验电压升到40 kV时,试验数据比较正常。当电压升到45 kV左右时,总电流开始激增,并不断上升,如图1所示。总电流至70 mA左右时,试验人员认为发电机绝缘水管上存在缺陷,终止试验,试验不合格。

图1 直流耐压试验总电流与试验电压趋势

检修过程中发现,发电机定子绝缘引水管内壁表面附着有靛蓝色沉积物,沉积物中金属成分质量百分比如表1所示。

表1 11#发电机定子绝缘引水管垢样分析 单位：%

垢样经过酸溶解后溶液呈现蓝绿色,成分包含Cu,Fe,S,Zn,其中主要成分为Cu,占比为92.18%,显然沉积物主要为铜腐蚀产物。这是因为2013年4月发生过定冷水系统进氨事件,造成了铜部件的氨腐蚀。

11#机组定冷水系统如图2所示。图2中,虚线表示新布置的补水管路,与阀门软24相连通,将原有的阀门软24的补水管路隔绝。

图2 11#机组定冷水补水系统

11#机组定冷水系统的补充水源有3路:A路为500 t凝补水箱通过输送泵补充(阀门凝24);B路为高速混床出口母管至定子水箱(阀门凝52);C路为轴封加热器出口至定子水箱(阀门凝51)。其中,A路作为定冷水主要补充水源,B路作为备用,C路事前早已封堵隔绝。经过现场检查,基本上排除了B路和C路的可能性,定冷水补水压力表泄漏有浓烈氨水味,因此判断氨来源于A路补充水。A路中氨成分的来源主要有两种可能:一是锅炉上水结束后残留在管道内水中的部分氨发生聚集,管道中局部氨浓度偏高,随着间歇补水逐渐进入定冷水系统;二是部分阀门存在泄漏,再加上可能存在操作不当,使得氨从加氨系统进入定冷水补水管道。事后,对11#定冷水系统主要补水水源管道进行迁移,移动到靠近凝结水输送泵出口(阀门软4)后,杜绝了氨进入系统的可能。

在大量含氨的补水进入定冷水系统后,定子线棒内表面形成的氧化膜被氨水溶解,形成了大量溶解状态的铜氨络合物。随着水质的逐渐好转,部分铜氨络合物随着排污系统排除,部分吸附在定子线棒内壁和定子绝缘引水管内壁表面,使得原本乳白色的聚四氟乙烯绝缘水管呈靛蓝色。由于定子绝缘引水管内壁吸附了部分金属污垢,所以导致绝缘效果下降。

2 清洗方法

针对定冷水系统存在的污垢问题,常见的处理方法分为物理方法和化学方法两种[2]。其中,物理方法主要有正向反向交替冲洗、变流量扰动冲洗、压缩空气与水混合冲洗等。这些方法主要通过流体状态的突变使得系统内部表面的污垢脱落。11#机组定冷水系统在进行加压和压缩空气交替正反冲洗后,去除效果不明显;而且采用这种物理方法还存在潜在的危害性,比如部分较大的污垢从线棒表面脱落,水流不足以将其冲出定子线棒,极有可能在定子绝缘引水管内壁堆积,使得绝缘效果进一步下降。

化学方法主要是采用各种一定浓度的有机酸溶液配合铜缓蚀剂,对定冷水系统进行循环清洗,将线棒表面结垢和腐蚀产物剥离溶解后,在线棒表面再次形成氧化膜[3]。采用化学清洗,能有效去除定冷水系统内存在的污垢和腐蚀产物,确保定子绝缘引水管的绝缘效果,保证电气试验的顺利进行。

3 清洗配方

3.1 清洗剂

由于本次清洗主要解决的是定子绝缘引水管内壁沉积物,定子线圈本身不存在温升或堵塞现象,所以清洗剂采用腐蚀性弱的柠檬酸[4],以尽量减少对定子线棒的腐蚀、减薄作用。缓蚀剂采用柠檬酸专用缓蚀剂[5]。

3.2 小型试验

小型试验包括沉积物溶解试验和线棒腐蚀试验。采用水浴恒温杯挂片法,发电机线棒指示片与定子绝缘引水管垢样同时挂片试验。柠檬酸浓度分别为1%,2%,3%,柠檬酸缓蚀剂浓度为0.5%,试验温度分别为45 ℃和60 ℃。

小型试验结果如表2所示。

从小型试验结果来看,2#烧杯中的指示片腐蚀速率最大。加大浓度和延长时间后,3#烧杯中的指示片腐蚀速率没有增加,反而下降,这可以认为在静止状态下,在第3个小时内几乎没有铜从指示片上被腐蚀。温度对于腐蚀速率的影响较小,考虑到定冷水系统中可能污垢较多,而柠檬酸的溶垢效果较差,所以采用2.5%～3.0%浓度的柠檬酸溶液,温度选择40～50 ℃,接近发电机运行时定子进出口水温。清洗配方及条件如表3所示。

4 定冷水系统清洗工艺

本次定冷水系统清洗采用原有的水箱、输送泵及管道系统。整个清洗回路如下:定冷水箱→定冷水泵→定冷水冷却器→过滤器→定子系统线棒(先反向清洗,后正向清洗)→定冷水箱。

化学清洗采用清洗+漂洗的化学处理工艺。清洗采用柠檬酸和柠檬酸专用缓蚀剂,漂洗采用磷酸三钠。

整个清洗过程分为水冲洗、柠檬酸清洗、清洗后水冲洗、漂洗、漂洗后水冲洗5个步骤[6]。

(1) 清洗前水冲洗 定冷水箱进水到正常运行水位,启动定冷水泵进行水冲洗循环,排污补水,取样分析,直到水质符合运行标准。同时,对整个定冷水系统进行检查,对泄漏点进行消缺。

(2) 柠檬酸清洗 水冲洗后,向定冷水箱中注水至中间水位以上100 mm,维持供水压力至0.30～0.35 MPa,流量维持在正常运行状态,投入加热装置至定冷水循环温度达到45 ℃左右。后将流量调节为正常运行的50%。随后从定冷水箱人孔处依次加入柠檬酸缓蚀剂、柠檬酸溶液及氨水,控制柠檬酸浓度在2.5%～3.0%,pH值在3.2～3.5,挂定子线棒指示片。第1个小时采用反向清洗,后切换至正向清洗,直到清洗结束。清洗过程中每30 min对定冷水取样分析柠檬酸浓度、Cu含量、pH值和温度,直到柠檬酸浓度、铜含量和pH值趋于稳定后,即可判断清洗抵达终点。最后停定冷水泵进行系统排放。取出指示片清洗烘干,称重后计算腐蚀速率。

(3) 清洗后水冲洗 清洗结束后,向定冷水箱中注水至中间水位以上100 mm,维持供水压力至0.30～0.35 MPa并进行循环,循环冲洗约30 min后停泵排水,再切换过滤器和冷却器系统重新注水进行冲洗。直到pH值大于4.5后,停止换水冲洗。

(4) 漂洗 水冲洗合格后,向定冷水箱中注水至中间水位以上100 mm,维持供水压力在0.30～0.35 MPa,流量调节至正常运行水平,投入加热装置至40 ℃。然后从定冷水箱人孔处加入磷酸三钠溶液,控制其浓度在0.2%～0.3%,pH值在11.0左右,漂洗持续约2 h。

(5) 漂洗后水冲洗 漂洗结束后,按清洗后水冲洗的方法启动定冷水系统进行循环冲洗,直至Cu含量≤2.0×10-7。随后投运小混床,直至水质达到运行标准。

5 清洗过程的注意事项

5.1 选择满足清洗要求的加热装置

清洗过程中需要对清洗溶液、漂洗溶液等进行加温。由于整个定冷水系统暴露在大气中,如果现场环境温度较低的话,在循环过程中散热较大,定冷水温度难以维持在较高的水平。有条件的话,有必要在进行清洗工作前进行试验,检查现有的加热装置是否满足条件,否则需要增加加热装置数量。本次清洗过程中,采用电加热棒和表面接触式换热器,清洗过程中温度基本上维持在44 ℃左右。

5.2 设置合理的排放口

整个清洗过程中需要多次对定冷水系统中的全部溶液进行排空。系统原有排放口都是小口径,而且排放汇集可能涉及清洗废液的处理等问题,原有的排放口基本上不便使用。本次清洗试验,在满足电气后续试验要求进行排污临时管道布置的基础上,定冷水系统中主要的排水通过临时加装的大口径排污阀门和DN65的消防水带进行排放。排放过程中,通过定冷水泵运行时带压排放,需要控制排污阀门的开度大小,并观察定冷水箱液位变化以防定冷水泵空转。具体的排放方式可以在清洗工作开始前进行试验,需要运行、现场试验人员多方配合。安排得当的话,可以缩短排放时间,整个清洗过程的时长可以得到控制。

5.3 选择合理的排放方式

清洗后水冲洗时发现换了几次水后pH值上升不明显,且有稳定趋势。在选择排空换水的方式外,还可以采用边进水边排污的方式。本次清洗过程中,在换水两次后,pH值无明显上升,后采取边大流量补水、边大流量排污的方式进行,大大缩短了清洗后水冲洗的时间。采取该方式的前提是在系统上安装大流量的排污阀门,且能通过定冷水泵带压排放。

漂洗后需要对整个系统进行冲洗。这个过程是整个清洗过程中历时最长的,该步骤采取的方式有别于清洗后水冲洗的方式。可以采取注水至要求水位后循环20～30 min直接排放,直接换水4～5次后排放时同时取样。在取得分析结果合格后,定冷水系统内水不再排放,投入小混床。

6 清洗结果

6.1 定子绝缘水管颜色变浅

11#机组发电机定子冷却水系统经过柠檬酸清洗后,内壁呈靛蓝色的定子绝缘水管颜色明显变浅,位于下方的几根绝缘水管内表面仍有微量沉积物存在,这可能是由清洗过程中流体分布不均匀造成的,但总体来看清洗效果比较明显。

6.2 清洗铜垢样结果及腐蚀速率

在进行柠檬酸清洗的过程中,每隔30 min对定冷水箱内循环的清洗液进行取样分析,主要分析项目有柠檬酸浓度、pH值和Cu含量。当3者的结果趋于稳定后可以判断为清洗终点。清洗过程中的取样分析结果如图3所示。

柠檬酸清洗阶段后期,定冷水中Cu含量基本稳定在615 mg/L左右,柠檬酸浓度稳定在2.79%,pH值稳定在3.54,可以判断为清洗结束。整个定冷水系统容积约2.5 m3,则整个清洗过程中洗下来的Cu约1.54 kg,折合成CuO的质量为1.92 kg。

根据线棒指示片清洗前后的减重数据计算,腐蚀速率测定为1.52g/(m2·h)。

6.3 清洗后电气试验结果合格

在定冷水系统进行化学清洗后,于2014年5月3日进行了相关电气试验,其中定子线阻直流耐压及泄漏电流试验合格,如图4所示。由此表明,定冷水化学清洗效果良好。

图3 清洗过程中Cu含量、柠檬酸浓度和pH值变化曲线

7 结 语

采用柠檬酸和其专用缓蚀剂对某公司11#机组发电机定子冷却水系统进行了化学清洗,结果表明,铜垢被有效地清洗,解决了定子绝缘水管内壁沉积物引起的绝缘差、直流耐压试验不合格的问题,确保了机组安全、可靠运行。本次化学清洗的效果明显,从根本上解决了发电机定子线棒内部因污垢、腐蚀产物而产生的问题。