某电厂II期2×660MW机组发电机为东方电机有限公司生产的QFSN-660-2-22型汽轮发电机，是汽轮机直接拖动的隐极式、二极、三相同步发电机。发电机采用水-氢-氢冷却方式，即定子线圈(包括定子引线)直接水冷，定子出线氢内冷，转子线圈直接氢冷（气隙取气方式），定子铁心氢冷。发电机采用密闭循环通风冷却，机座内部的氢气由装于转子两端的轴流式风扇驱动。定子冷却水为密封系统，不允许水箱通大气运行，定子冷却水箱的启动补水为除盐水，正常补水为凝结水。内冷水的设备包括内冷水箱、内冷水泵、离子交换器、内冷水冷却器、平衡管、汇水箱等等。内冷水箱流程图如图1-1所示。正常运行时内冷水的水质要求如：导电度≤2.0μs/cm、pH=7.0～9.0、硬度≤2μmol/L，铜含量≤10μg/L。
图1-1 内冷水系统流程
１.内冷水系统水质异常发现过程
11月23日#4机组D修结束，机组启机后，化学人员定期化验水质发现定子冷却水水质含铜量超标数据严重超标，含铜量期望值为＜10ppb，实际测量结果＞148ppb，超出测量仪器的测量范围。部门汽机专工立即安排对定子冷却水箱进行换水，每4小时进行一次换水。连续更换三天水后，检测内冷水箱水质含铜量任然超标为148ppb（测量仪表的量程最大为148ppb）。连续换水8天后（11月30日）含铜量为162ppb。11月30日对离子交换器树脂进行更换。12月1日测量内冷水含铜量91ppb。下图1-2是仅进行换水后内冷水含铜量变化趋势。图3是更换离子交换器树脂后内冷水含铜量变化趋势。
基于发现内冷水系统超标现象后，开始分别对内冷水箱的压力、内部气体含量、闭式冷却器的泄漏情况、等等进行全面的分析。
图1-2 #4机组含铜量检测结果
２.内冷水含铜量超标分析。
根据腐蚀方面的理论研究，铜在不含氧的水中的腐蚀速度很低，一般只有10-4g/（m2*h）的数量级，而一旦水中溶解有游离二氧化碳，使水呈微酸性或酸性时，又有溶解氧时，铜的腐蚀速度便大大提高，在温度较低时，腐蚀产物的主要成分是碱式碳酸铜以及少量的氧化亚铜，而在温度较高时，腐蚀产物主要是氧化铜以及少量的氧化亚铜和碱式碳酸铜。在一般情况下，发电机空芯铜导线在含氧和二氧化碳的弱酸性水中产生的腐蚀产物，只有少量会附着在腐蚀部位的管壁表面上，大部分都从管壁上脱落排入冷却水系统中，被带入空芯铜导线冷却水中的腐蚀产物在定子中被发电机磁场阻挡而沉积下来，可能导致空芯铜导线逐渐被铜氧化腐蚀产物所阻塞，造成通流截面减少，从而引起发电机线圈温度上升，甚至被烧毁，严重影响机组安全稳定的运行。
整个内冷水循环是一个闭式循环，其铜离子的来源只有被冷却的铜导线，这是其根本来源。所以含铜量超标的根本原因就是铜导线被腐蚀。其腐蚀的化学方程式为两种，一种是内冷水中含氧量超标，含氧量对铜导线的腐蚀。一种是内冷水中含有CO2，内冷水中CO2对铜导线的腐蚀，其化学方程式不尽相同。在Cu-H2O体系中发生的氧化还原反应：
O2+2Cu+2H2O=2Cu2++4OH-
在内冷水系统中含有二氧化碳的时，其内部腐蚀铜导线的原理与含氧量对铜导线腐蚀不一样。而系统中二氧化碳的含量主要是机组在启停过程中，进行气体置换时，通过排气管大量漏入内冷水箱导致内冷水电导率持续升高的现象，后来采取在内冷水箱排气管上临时加堵板的方法，保证了气体置换正常进行直到置换合格，氢气纯度98%。原来系统内少量残余CO2通过排气管漏入了内冷水箱，溶解产生H+和碳酸根，发生铜腐蚀的化学反应如下：
CO2＋H2O=H2CO3
H2CO3=H++HCO3-
HCO3-=H+＋CO32-
CuO＋H+=Cu2+＋H2O
3.根据内冷水含铜量超标的采取处理措施。
3.1更换离子交换器树脂
12月20日进行对离子交换器换树脂。将再生后的树脂输送至离子交换器中，并进行树脂再生。并持续观测机组的含铜量数据，检测发现更换树脂后停止换水，内冷水系统的含铜量下降明显，其变化趋势由表1所示。12月05日后含铜量下降速度明显下降，含铜量为31.8ppb，数据大于期望值10ppb。
图3-1更换树脂后含铜量趋势
由图3-1可以看出来，更换树脂的前两天，内冷水含铜量下降速率较大，内冷水的含铜量明显减小，在12月5日后，内冷水系统的含铜量下降速率明显减小，开始恢复内冷水系统的换水工作，频率为每天三次。其含铜量基本保持不变。其趋势看图3-2.
图3-2 恢复换水后含铜量趋势
由此分析是因为内冷水系统是一个封闭式系统，其内部含铜量超标严重后，树脂基本已经失效，更换新的树脂后，其含铜量有一个显著下降的过程，12月5日之后内部腐蚀的速率与树脂再生速率基本一致，所以内冷水含铜量下降不在明显。更换树脂后，解决了初期大部分在系统内部的铜离子，但是当树脂再生的速率只是解决了一部分含铜量超标的问题，并未从根本上解决问题。
3.2隔离内冷水热交换器
12月5日发现内冷水箱水位稍微上涨，初步怀疑是闭式冷却器泄漏至内冷水，导致内冷水箱水位上涨。同时火力发电厂的闭式冷却水标准相比较内冷水水质标准偏低。按照GB/T50050-2017要求，闭式冷却水电导率（25℃）μS/cm≤2.0、PH值（25℃）7.0~9.0、含铜量μS/L≤20.0、溶解氧μS/L≤30.0。两者在含铜量差距较大。同时结合内冷水箱水位稍微上涨的趋势现象，初步判断闭式冷却水泄漏至内冷水系统。12月6日对内冷水热交换器进行切换，发现内冷水系统的含铜量变化不明显。所以排除是闭式水泄漏至内冷水系统。
3.3调整汇水管至内冷水箱手动门
12月28日在定子冷却水水箱顶部取气样进行化验，检测到H2的含量为700ppm，O2的含量为20.1%，确定定子冷却水水箱顶部排出的气体的主要成分是空气。同时对#3机组的内冷水箱内部与#4机组的内冷水箱内部进行摄像，发现#4机组的回水泡泡明显多余#3机组。图3-3是#3机组内冷水箱内部回水气泡，图3-4是#4机组内冷水箱内部回水气泡。
图3-4 #3机组内冷水回水气泡情况
判断为内冷水系统吸入了外部空气，进一步明确了查漏方向。初步判断定子冷却水系统可能产生负压区域的定子冷却水回水管及其虹吸破坏管至定子冷却水水箱的管道进行全面检查，同时对该区域的管道、法兰、阀门用塑料薄膜进行封闭。
开启汇水管至内冷水箱手动门，破坏虹吸的作用，来达到减少回水区域负压的效果，从而减少负压区域在空气中吸取空气。减少内冷水系统的含氧量。关闭汇水管至内冷水箱手动门后，在管壁汇水管至内冷水箱时发现汇水管与平衡管连接处发生漏水现象。用薄膜纸贴住裂缝口，观察定子冷却水箱顶部排气流量表翻转速度明显降低，最终确认定子冷却水系统吸入空气的位置结果查明是定子冷却水回水管与其虹吸破坏管连接口出现裂缝（该裂缝的具体位置如图3-5所示）。
图3-5 汇水管与回水管连接裂缝
该水平管段向汽轮机侧布置，平衡管与内冷水回水管回到定子冷却水箱，由于回水的抽吸作用，外部空气由裂缝处吸入，随运行时间增长而不断扩展，造成定子冷却水水箱顶部日均排气量不断增大。因#4机组的振动长期比较大。虹吸管与平衡管之间仅仅为简单的焊接，中间没有任何固定措施。导致在长期的振动下，产生了交变应力，应力集中连接处出现裂缝，同时回水处处于内冷水系统的负压区域，最终导致吸入空气。于是产生了在Cu-H2O体系中发生的氧化还原反应。
定子冷却水箱顶部排气量由之前每天排出20m3/天下降到1.5m3/天，定子冷却水箱顶部排气量恢复正常；12月29日上午、下午分别取水样进行检验，其铜离子含量分别为9.4.ppb和5.4ppb。定子冷却水水质恢复正常，继续加强监视定子冷却水箱顶部排气量的变化情况和继续每天取水样进行检测跟踪。图3-6可以看出经过处理后，内冷水箱的排气量明显下降。
图3-6 裂缝处理完毕后排气量变化
同时处理完毕内冷水箱顶部的汇水管裂缝后，不仅排气量下降明显，内冷水含铜量下降明显，与内冷水箱排气量的变化趋势基本一致。其趋势如图3-7所示。
图3-7 裂缝处理完毕后含铜量变化
至此，基本可以判断为内冷水含铜量超标的原因是内冷水箱顶部汇水管因长期震动，导致汇水管与回水管道的连接处出现裂缝，而汇水管与回水管到正处于内冷水系统的负压区域，吸入大量的空气，导致在内冷水系统中发生了O2+2Cu+2H2O=2Cu2++4OH-的化学反应，致使内冷水系统的含铜量大幅上升。
4.结论
内冷水系统是发电机的重要组成部分，他的铜腐蚀速率除与pH电导率有关外，还与水中的CO2、溶解氧含量有直接关系，尤其是溶解氧含量。此文主要是介绍了某电厂的#4机组在发现内冷水质含铜量超标后分析与处理过程。在内冷水汇水管与回水管道的连接处发现裂缝，导致内冷水含铜量超标，此类问题比较罕见，希望对同类型电厂的内冷水系统含铜量超标有借鉴意义。
[参考文献]
[1]《某电厂660MW机组汽机运行规程》
[2]申军锋,陈铭. 发电机内冷水中溶解气体对铜导线的腐蚀试验研究[J]. 科技视界,2012(11).
[3]阮绵照,黄聪,谢学军. 用挂片试验验证影响空心铜导线在内冷水中腐蚀的因素[J]. 电机技术,2019(4). DOI:10.3969/j.issn.1006-2807.2019.04.008.
