发电机定子冷却水系统详解：组成、原理与维护要点
发电机定子冷却水系统详解：组成、原理与维护要点
发电机定子冷却水系统是确保发电机安全稳定运行的关键系统之一。本文将详细介绍该系统的组成、工作原理、主要设备以及运行维护要点。
一、定子冷却水系统简介
发电机定冷水系统的主要作用是向发电机的定子线圈和引出线不间断地提供冷却水。冷却水采用闭式循环，水源引自合格的除盐水。为了确保长期稳定运行，定子水系统必须具备很高的工作可靠性。冷却水不仅不能含有机械杂质，而且对导电度、含氧量等指标也有严格要求，否则将对发电机的安全带来极大隐患。
二、定子水系统的组成
内冷水系统由水箱、水泵、冷却器、滤网、离子交换器、电导率计等组成。系统配备两台冷却水泵，正常情况下一台运行，一台备用。为保证水质并防止空气漏入水箱，配有一套水箱充氮系统，从水箱上部充入一定压力的氮气，当压力值过高时由安全门排出。
图10-1 定子冷却水系统
三、定子水系统工作原理
定子冷却水系统采用闭式循环方式，通过定子水泵使连续的高纯水流通过定子线圈空心导线，带走线圈损耗。进入发电机定子的水引自凝结水或闭冷水系统，补入水箱的除盐水通过电磁阀、过滤器，最后进入水箱。开机前需要对管道、阀门、集装所有元件和设备进行多次冲洗排污，直至水质取样化验合格。然后经过定子水泵升压送入冷却器、滤网，再进入发电机定子线圈的汇流管，将发电机定子线圈的热量带出来再回到水箱，完成一个闭式循环。为了维持冷却水的水质，将进入发电机总水量5～10%的水不断经过离子交换器进行处理，然后回到定子水箱。
四、定子水系统的主要设备
（一）水泵
两台交流电动离心水泵，一台工作，一台备用。在每台泵的进出口管路上装有压差开关，当工作泵故障时通过压差将备用泵自动投入运行，备用泵出口门常开。每台泵的出口装有逆止阀，并设有再循环，用来调整水压和流量。
图10-2 定冷泵
（二）冷却装置
冷却装置由两台并联的管式冷水器组成，冷却水由开冷水系统提供。两台冷却器彼此独立运行，一台运行，一台备用。平时运行中靠增减冷却水量来调整定子水的温度，保证冷却器出口定子水温在40 ～50℃。
图10-3 定冷水冷却器
（三）离子交换器
离子交换器由不锈钢制造，软化水的处理是由装在主回路上的离子交换器来完成的。大约总定子冷却水量的10%要连续通过离子交换器进行处理，离子交换器为混床型，它是一个直立的箱体，内装有高交换容量用于交换氢离子的阳离子交换树脂和用于交换氢氧离子的阴离交换树脂混和物。
图10-4 离子交换器
（四）电导率计
监测定子冷却水水质采用三个电导率计，两只电导率计的传感器装在发电机冷却水管路进口，另一只装在离子交换器出口管路。分别监测发电机进水和离子交换器出口水的电导率。离子交换器出口处电导率计还可间接监视离子交换器中树脂的状态。正常状态下，离子交换器出口电导率应控制在 0.1～0.4μΩ/cm 以内。定子冷却水电导率控制在0.5～1.5μΩ/cm。
（五）定子水箱
定子水箱为不锈钢制造，容积为2m3 ，补充水源为除盐水，通过电磁阀自动补水或手动补水。水箱内充有氮气，是通过氢气减压器自动补入水箱，水箱内的充氢压力为0.014MPa。水箱上设有安全阀，氢气压力达到0.035MPa时，自动开启，防止水箱超压。当氢压升至0.042MPa，水箱上的压力开关闭合，发出“水箱压力高”报警。水箱上装有水位信号器，当水位过低或过高时发出报警信号，并控制补水电磁阀启闭以保证水箱水位。水箱底部装有排污阀，上部装有排气阀。
图10-5 定冷水箱
（六）防虹吸管
通常定冷水箱、水泵和发电机存在13.7米高度差。当定子冷却水因为某种原因跳闸造成发电机进水中断时，定冷水系统竖直段回水管中的水会在重力作用下，回到水箱中。此时，13米的水柱会对发电机的定子线棒内产生抽吸作用，形成负压。而定子线棒中的水温较高，可能会因为低于饱和压力而发生“汽化”，定子线棒中的空心导线并不是一根直导线，会因为“汽化”而形成“汽塞”，导致定子线棒振动，损坏线棒绝缘和滑销装置及压线板，更为严重可能导致发电机定冷水定子线棒水电接头发生松动或者泄漏，导致发电机进水以及漏氢气。其次，发电机内部冷却水在断水后迅速回到水箱，造成发电机受热不均。
防虹吸管的作用就是在定冷水系统跳闸时让定冷水回水管竖直段的水顺利的回到水箱，而不至于因为虹吸作用使发电机内部发生损害。
防虹吸管接在水箱表面，而回水管接在水面以下，那么两者存在△h的高度差，断水之后，回水管回水的时候，防虹吸管开始向上返气（通常是氮气），破坏真空，抑制了汽化。在机组正常运行时，防洪吸手动门是开启状态。
五、定子冷却水系统反冲洗操作
- 发电机定子线圈的反冲洗，只能在机组停止时进行。
- 开启定子冷却水补水门、定子冷却水补水电磁阀旁路门、定子冷却水离子交换器旁路门，向定冷水箱补水。
- 启动A定冷水泵,使水循环一小时后停A定冷水泵。
- 切换反冲洗阀门组,开启定子线圈反冲洗进口门/出口门，关闭发电机定子冷却水进水门、发电机定子冷却水回水门，启动B定冷水泵，使水循环一小时后停B定冷水泵。
- 开启所有放水门放掉系统中的冷却水，放尽存水后关闭所有放水门，留一些水作为样品用于水质化验，然后关闭所有排放阀。
- 联系检修检查滤网和水箱底部，清除杂质后装复。
- 如水质化验不符合要求，则重复上述操作，直到水质化验符合要求。
六、氢气漏入定冷水系统中使电导率升高的原因
漏入定冷水中的H2本身不增加电导率，但其中所含有的少量CO2溶于水后会产生碳酸根离子，产生的碳酸根离子会增加电导率。
七、水箱充氮气目的
- 因为发电机定子线圈是铜质的，容易在水、二氧化碳、氧气的作用下发生腐蚀形成碱式碳酸铜，这就是为什么发电机定冷水经常铜超标的缘故。充入氮气这种惰性气体之后，可以防止空气进去此空间与定子冷却水系统直接接触。相当于隔绝了氧气以及空气中的二氧化碳，保护了定子线圈不受侵蚀。从而防止了空气中的二氧化碳进去水中造成定冷水电导率增加。
- 充氮后，即使定冷水箱中漏入大量氢气也不会有爆炸的危险。
八、设置氢气高于定冷水压力的目的
即使定子发生了泄漏，也会由于氢气压力高于定冷水压力而不至于使发电机进水，最多使氢气进入到水箱，可以通过漏气检测装置检测出来。运行中要求差压不低于50Kp以及发电机定冷水要在氢气压力正常之后再升压也是同样的目的 ，防止发电机进水的发生。
九、发电机断水保护
定子水中断会造成严重的过热，威胁机组的安全运行，因此，一般机组综合参考定子水压力、流量、温度，设置了完善的断水保护。保护触发的条件及动作程序：
- 当定子水出水温度达到85℃时，发出报警信号，应降低发电机出力。当出水温度达到90℃时，启动断水保护。
- 发电机定子线圈进水流量达80t/h时，发出进水流量低报警信号；当进水流量达70t/h时，带额定负荷运行30秒，若30秒后备用水泵不能投入，应解列发电机，并使发电机端电压降为零。
十、危险点分析
- 进行发电机定冷水泵定期切换工作时，备用泵启动后停运原运行泵前应先缓慢关闭泵出口门，并注意观察母管压力的变化，无异常后再停用运行泵，并开启泵出口门，观察泵不倒转，投入连锁；或者是再切换过程中连锁不退出。目的是防止备用泵故障无出力或待停泵出口逆止门卡涩或不严时引起发电机断水。
- 运行中监视发电机定冷水箱内含氢量可以有效地发现定子绕组存在的早期绝缘故障。通常由于氢气对发电机普通引水管有微透作用，内冷水箱中平时是应当含有微量氢的。定冷水箱中含氢量超过3%应报警并加强发电机的监视，若超过20%应立即停机处理。
- 运行中注意监视发电机内氢压高于定冷水压0.05-0.1Mpa，严防定冷水内漏。并注意控制定冷水温度和氢温，要求水温高于氢温2-5℃，防止水温低于氢温引起定子线圈表面结露危机绝缘。
- 在进行定冷水箱手动补水时，注意监视水箱水位，防止水箱满水过压，回水母管压力过高而引起发电机断水。
十一、发电机定子冷却水系统报警信号
- 定子冷却水泵出口压力低0.4MP报警；
- 定子线圈进出口压差比正常值高35Kpa高报警；
- 定子冷却水箱气体压力高35Kpa/42Kpa非常高报警；
- 定子冷却水箱液位高650mm/低450mm报警；
- 定子冷却水电导度高≥5 us/cm /非常高≥9.5 us/cm报警；
- 定子线圈入口53℃/出口85℃冷却水温度高报警。
十二、联锁
- 联锁投入，运行泵跳闸，备用泵联启；
- 联锁投入一台水泵运行且出入口差压低或发电机定子水出入口压差低或定子冷却水流量 ≤90t/h，联启备用泵；
- 另一台定子冷却水泵运行，且发电机定子冷却水进出口差压不低，允许停这台泵；
- 水箱水位低500mm，联开补水电磁阀；
- 水箱水位高600mm，联关补水电磁阀。
十三、事故处理
定冷水导电度增加
1）原因
A)氢气漏入水中。
B)不纯净的水进入。
C)离子交换器中的树脂接近使用寿命。
2）现象
A)定冷水导电率高报警。
B)就地导电率指示表读数增大。
3）处理
A）如氢气漏入水中所至，应及时汇报，并监视氢压力，定冷水压力，导电度等参数变化，必要时停机处理。
B)如不纯净水漏入，一是定冷水冷却器冷却水压力比定子水压力高，应尽早发现并及时投入备用冷却器，停止漏泄冷却器运行。二是水箱补水管路积水水质不合格，应打开补水管路供、回水门，待水质合格后再给水箱补水。
C)若离子交换器中的树脂使用寿命到期，应及时联系更换。定冷水压力低的原因和处理
1)定冷水滤网或定冷水冷却器差压高，切换滤网或定冷水冷却器。
2)定冷水泵出力不足时，应调整再循环开度，必要时可增开备用泵。
3)定冷水泵跳闸时，应检查备用泵自投正常。
4)水箱水位低，应补水至正常水位。
5)管道、阀门、法兰等泄漏时，应在不影响机组运行的前提下设法隔离。发电机漏水的处理
1)当发电机液位检测器高报警时，应立即到就地排放液体。如含水量多，应迅速查明原因。排放液体时，应注意防止氢气大量外泄。
2)氢气冷却器漏水，应隔离故障的氢气冷却器，并减负荷维持氢温正常，注意发电机铁芯、线圈温度。
3)若氢压低于定冷水压时，发电机线圈轻微漏水，应迅速降低定子水压力，汇报领导要求故障停机。
4)漏水严重危及机组安全运行应紧急停机，停运定冷水系统、隔离氢冷器，并开启发电机本体放水门放水。