大型蒸發冷卻機組上集氣環管感應電流分析及處理

劉國建，饒 蕾，徐長福，鄧棟梁

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

蒸發冷卻技術應用于水輪發電機是繼目前已廣泛采用的全空冷、定子水內冷方式后的新型冷卻技術，不需要外加機械泵和消耗外加動力，即可實現無泵密閉自循環，具有自調節與自適應的技術特點。

某電廠的2 臺700 MW 發電機組其定子繞組采用定子線棒密閉自循環蒸發冷卻，匯流銅排、定子鐵心及轉子繞組空氣冷卻。每根定子線棒內設有32股實心導線和8 股空心導線，發電機運行時空心導線通入HFC-4310（二氫十氟戊烷，分子式C5H2F10）對發電機定子繞組進行冷卻。蒸發冷卻系統采用絕緣性能好的冷卻介質，即使發生微量滲漏，不會影響發電機運行，從本質上去除了內冷系統中泄漏引發電氣故障的技術難點，且運行時系統壓力較低，運行可靠性大大增強。該電廠兩臺蒸發冷卻發電機組在實際運行中存在上集氣環管卡箍過流灼燒現象，本文針對這一現象的形成做詳細分析，并提出可靠的解決方案。

1 蒸發冷卻系統簡介

某電廠蒸發冷卻發電機的有關技術參數見表1。

表1 蒸發冷卻發電機有關技術參數

蒸發冷卻機組定子蒸發冷卻自循環系統由6 部分組成[3-4]：定子繞組蒸發冷卻系統、冷凝器、冷凝器供排水管路系統、均壓排氣管路系統、蒸發冷卻供排液系統及控制系統。另外配置1 套移動式抽真空裝置（2 臺機共用）。

蒸發冷卻系統各部件簡要說明：

（1）定子線棒：由實心和空心股線編織換位制成，線棒兩端配備液電分離接頭。

（2）冷凝器：冷卻系統熱量交換部件，后面詳細講解。

（3）下集液環管：定子繞組下方配置的水平環管，簡稱下環管。按定子線棒數在環管上裝設接口，經密封構件與絕緣引流管連接，以確保所有線棒中冷卻介質均勻分配。

（4）絕緣引流管：定子線棒上、下兩端通過絕緣引流管分別與上集氣環管和下集液環管連接，形成蒸發冷卻通路，并起電絕緣作用。

（5）上集氣管：定子繞組上方配置的水平環管，簡稱上環管，其結構類似于下集液環管，將線棒出口的兩相介質匯集于此，使其壓力和溫度均勻。

（6）上導流管：將兩相介質從上集氣環管引入冷凝器的連通管。

（7）回液管：冷凝器下部和下集液環管之間的連通管。

（8）均壓管：全部冷凝器上部相互連通的環形管。

（9）排氣管：均壓管徑直方向上對稱裝設與外部空間相連通的一段管路，依靠閥門動作排除系統內空氣和釋壓保護，稱為排氣管，并可兼做系統灌液通道。

按照冷卻介質的流動方向，包括：回液管、下集液環管、下絕緣引流管、定子線棒、上絕緣引流管、上集氣環管、上導流管、冷凝器，以及管路內部充入適量的冷卻介質等，同時各冷卻單元通過冷凝器上部的均壓管連接成整體，形成蒸發冷卻循環回路。如圖1 和圖2 所示[1-2]。

圖1 蒸發冷卻系統示意圖

圖2 蒸發冷卻系統模型圖

基本原理：當機組運行時，定子線棒發熱，線棒空心導體中的冷卻介質（介質HFC-4310，二氫十氟戊烷，沸點55℃，無色透明，易揮發）吸收定子線棒的熱量，當冷卻介質溫度達到一定時冷卻介質部分沸騰汽化，由于空心導體內的介質為氣液混合態，其密度小于回液管中純液態介質的密度?；匾汗芎涂招膶w間的密度差在重力加速度作用下，生成流動壓頭。該壓頭克服回路中的阻力壓降維持一定流量的循環，使含熱兩相介質進入系統中壓力最低的冷凝器，經與二次冷卻介質——水進行熱交換后還原為純液態再流到回液管進行新一輪循環，如此往復把熱量傳到外部，從而冷卻發電機定子線棒[5]。

簡單來說，介質HFC-4310 冷卻定子線棒，技術供水用于冷卻介質HFC-4310。蒸發冷卻系統能自行調整蒸發點位置、介質流量和蒸氣干度，這一過程不依靠外力，是自循環調整方式。當二次冷卻水足量時，冷凝器內介質所在空間幾為零壓狀態，而系統中各種部件所承受的壓力僅是其內含液態介質重力的反映，各部分壓力遠遠低于純水系統壓力，運行可靠性大幅度上升。

蒸發冷卻系統的發展歷史相對其他冷卻方式較短，且缺乏大規模的工業應用，運行經驗積累相對較少，運行規律大多也基于理論計算，在實際運行中出現的問題要具體對待。

（1）為防止蒸發冷卻機組運行過程中集液管形成較大的感應電流，在蒸發冷卻系統集液管與接地銅板支架連接一條銅編織接地線。檢修期間進行發電機耐壓試驗或者搖絕緣時需將此接地線解除。搖測絕緣方法參照水內冷機組進行操作，搖表使用水內冷搖表。

（2）HFC-4310 揮發性強，密度大于空氣，可造成窒息，進入發電機風洞、水車室等部位工作時，應檢查介質探測報警器HFC-4310 氣體含量和含氧量在正常范圍內，盡量避免一人進入上述區域進行巡視，且不要長時間逗留。HFC-4310 介質發生泄漏時，應戴有氧防毒面具，并啟動機組水車室排風機。HFC-4310 在高溫（500 ℃）條件下分解出有毒氣體，在未排液情況下風洞內不應進行動火作業。應禁止將頭伸入含有HFC-4310 蒸氣濃度的槽體或容器中。HFC-4310 沸點55℃，禁止將盛HFC-4310 的容器存放至環境溫度超過40℃處。人體吸入過量HFC-4310，會有暈眩、抽搐、窒息、不規則心跳、失去意識等癥狀。應立即移至新鮮空氣處，保持冷靜；若呼吸困難，立即實施人工呼吸；當持續呼吸困難，立即給予氧氣并呼叫醫生。

2 蒸發冷卻機組在運行中面臨上集氣環管卡箍過流問題

上集氣管為整環分段結構，由16 段集氣管組成，均采用不銹鋼管，相鄰兩段集氣管端部用Straub（斯特勞勃）接頭連接。環管通過16 根集氣支管與冷凝器相連，支管連接法蘭處采用8 mm 厚三元乙丙橡膠密封墊，法蘭連接螺栓設有絕緣套管，上集氣環管采用一點接地。在實際運行中，上集氣環管存在卡箍處過流灼燒的現象。檢修時發現卡箍一側（靠近主引出線側）有黑色黏著物、外表面有明顯過熱痕跡。將其解剖并從環管上取下后發現，里面密封橡膠一側已經嚴重碳化，鋼夾片有部分熔化，且該側的不銹鋼密封齒已經融合在一起，而卡箍另外一側包括密封橡膠、不銹鋼，鋼夾片、密封齒則完好無損。將受損卡箍更換為新卡箍，運行一段時間后發現更換新卡箍的兩端連接銅辮子明顯過熱，表面發黑并變形；檢查其余15 個卡箍測溫片，發現1 個達到滿刻度127 ℃，其余14 個最高溫度在77 ℃以下。

造成過流的原因有兩點：

（1）上集氣環管卡箍存在設計缺陷；

（2）上集氣環管與冷凝器之間法蘭密封安裝不到位及螺栓間的絕緣墊片材質差。

在實際運行中，由于卡箍結構的局限性，在振動或者有溫度變化的情況下會造成卡箍的緊固螺栓松動，使卡箍與上集氣環管的接觸不牢固，加上集氣管在有多點接地的情況下，環管中局部存在較大環流，最高溫度的卡箍與環管一側接觸電阻大，造成損耗發熱，卡箍過流，嚴重時可導致放電灼燒，內側密封橡膠炭化等現象（圖3 和圖4 顯示為上集氣環管的卡箍結構和卡箍過流燒熔處）。

圖3 集氣管卡箍結構圖

圖4 卡箍處過流

假設兩點接地的情況，如圖5。由于上集氣環管用卡箍連接方式分成16 段，其中R1 等代表每段的等效電阻。假設1 卡箍（對應R1）出現螺栓松動的情況，R1 的兩側出現較大的電位差u，等效如圖6所示。上集氣環管處在交變的磁場中，由電磁感應原理，在其表面會產生感應電流，由于u的出現，導致接地點a、b 的電位不同，造成環流。由于電流的集膚效應，螺栓松動卡箍中靠近環管的一側會有較大電流通過，產生過流，機組長此運行下去，造成該處灼燒碳化。而在實際運行中，存在多點接地，使得過流情況更為嚴重。

圖5 兩點接地示意圖

圖6 卡箍過流等效電路圖

3 上集氣環管卡箍處過流灼燒的解決方案

（1）針對卡箍設計問題，將發電機蒸發冷卻系統集氣環管上的16 個卡箍接頭更換為法蘭。在發電機中性點附近的一處法蘭螺栓孔內套“T”型絕緣套，再用螺栓把緊，確保螺栓與法蘭不直接接觸，測兩側法蘭之間絕緣電阻≥2 MΩ，使集氣環管在此處形成斷開點，然后連接其它法蘭，在對側進行可靠接地。

（2）針對多點接地情況，更換法蘭密封及螺栓間的絕緣墊片，將原有的絕緣墊片更換為新型材料。安裝時要求墊片與法蘭完全貼合。且選取斷開點正對立面（180°）的一根集氣支管作為一點接地，將這根集氣支管與集氣管間連接法蘭直接用接地銅編織線進行短接。

（3）對集氣環管上另外15 個法蘭兩端用接地銅編織線進行可靠連接（圖7），集氣管和法蘭上貼上測溫片。

圖7 法蘭兩端用接地銅編織線可靠連接

（4）上述步驟完成后，進行電氣耐壓試驗。

（5）電氣耐壓試驗合格后，進行蒸發冷卻系統氣密性試驗。

（6）氣密性試驗合格后機組試運行，檢查蒸發冷卻系統泄露和測溫片顯示。

（7）機組熱穩定運行。

4 結語

通過分析某電廠上集氣環管卡箍處過流灼燒現象形成原因，對現場可能出現的故障區域逐一排查，找出缺陷形成的原因是上集氣環管卡箍存在設計問題和上集氣環管與冷凝器之間法蘭密封安裝緊固螺栓松動，法蘭密封材質及螺栓間的絕緣墊片材質問題兩個方面。

從2013 年改造完成至今，未出現蒸發冷卻機組上集氣環管局部過流的狀況。從根本上解決了上集氣環管卡箍處過流灼燒的問題。確保了機組的安全穩定運行。