CN102324256B - 百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法及堵塞处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法及堵塞处理方法，其中，该方法包括以下步骤：测定不同工况下定子的出水温度、将测定得到的不同工况下定子的出水温度折算为基准工况下定子的出水温度，得到折算出水温度、根据折算出水温度判断定子的出水温度是否异常以及根据判断结果对定子的出水温度进行调控、对定子堵塞进行处理。本发明中，通过对百万千瓦级核电站发电机运行过程中定子水温的监测，可以及时发现定子水温的异常状况并有效调节发电机的氢气压力、旁路净化流量等参数或对发电机定子的堵塞进行处理，从而保证发电机的发电效率并避免出现发电机温度过高、强制停机或定子绕组烧损的问题。

Description

百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法及堵塞处理方法

技术领域

本发明涉及百万千瓦级核电站发电机的关键技术，更具体地，本发明涉及百万千瓦级核电站发电机定子的水温监控方法及堵塞处理方法。

背景技术

百万千瓦级核电站所使用的水内冷汽轮发电机(以下简称发电机)是巨型汽轮发电机的一种。在上述发电机中，发电机的定子绕组和转子绕组均采用空心铜导线(称为定子)并通以水对发电机进行冷却。因为水的比热大，流动过程中可以直接带走热量，有利于百万千瓦级核电站发电机在运行中散热，因此可以显著提高发电机、尤其百万千瓦级核电站发电机的效率。

在某一百万千瓦级核电站发电机的运行过程中，通过对发电机定子的状态监测发现，其中一个定子(曲线B所示)的出水温度出现异常上升并最终超出出水温度的变化阈值。由图1中可以看出，该定子的出水温度为缓慢升高。针对该现象，结合百万千瓦级核电站发电机中可能导致定子的出水温度上升的相关因素，分析可能导致此现象的各种故障模式。由于定子的温度上升为缓慢上升、发电机定子的冷却水系统中无杂质、冷却水水压正常以及测温元件工作正常等原因，初步判断引起定子出水温度上升的故障模式为氧化腐蚀导致定子出口堵塞。

如何对定子水温进行及时在线监控、如何保证定子的疏通状态以及如何有效对定子的堵塞进行处理一直是百万千瓦级核电站发电机循环冷却技术的技术难点。近年来，国内外的百万千瓦级核电站发电机发生多起因发电机温度过高导致的强迫停机甚至定子绕组烧损的事故，主要原因同样在于发电机定子局部堵塞造成的循环冷却水流动不畅，并进而造成发电机的冷却不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对目前百万千瓦级核电站发电机定子易堵塞并造成强迫停机甚至定子绕组烧损的缺陷，提供百万千瓦级核电站发电机组定子水温监控方法及堵塞处理方法，从而实时监测定子的出水温度并针对出水温度异常的情况调节发电机的参数或对定子堵塞进行处理。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：根据本发明的一个方面，提供百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法，用于百万千瓦级核电站发电机中定子的出水温度的监控，其中，所述方法包括以下步骤：

A1：测定不同工况下定子的出水温度；

A2：将步骤A1中测定得到的不同工况下定子的出水温度折算为基准工况下定子的出水温度，得到折算出水温度；

A3：根据步骤A2中得到的折算出水温度判断定子的出水温度是否异常，若是，则执行步骤A4；若否，则返回执行步骤A1；

A4：对定子的出水温度进行调控，完成所述调控后返回执行步骤A1。

在上述百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法中，在所述步骤A1中，所述工况指在一定工作状态下发电机的功率、发电机的氢气压力和发电机定子的入水温度。

在上述百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法中，在所述步骤A2中，采用温度折算模型将步骤A1中测定得到的不同工况下定子的出水温度折算为基准工况下定子的出水温度，得到折算出水温度。

在上述百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法中，所述温度折算模型是其中，T_折为折算出水温度、T_出为实际出水温度、T_入为实际入水温度、P_额为额定有功功率、Q_额为额定无功功率、P为实际有功功率、Q为实际无功功率、H为实际氢气压力、K为取值为1.4的特定参数。

在上述百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法中，所述步骤A3包括以下子步骤：

A31：设定定子的出水温度额定值，计算步骤A2中得到的折算出水温度与所述出水温度额定值的差值；

A32：设定定子的出水温度变化阈值，判断步骤A31中得到的步骤A2中的折算出水温度与定子的出水温度额定值的差值是否超出所述定子的出水温度变化阈值；若是，执行步骤A4；若否，则返回执行步骤A1。

在上述百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法中，在所述步骤A4中，所述对定子的出水温度进行调控包括：

B1：入水温度控制：降低定子的入水温度；

B2：氢气压力控制：提高发电机的氢气压力；

B3：净化流量控制：增加发电机的旁路净化流量；

B4：溶氧量控制：降低发电机定子的冷却水的溶氧量；

B5：监测灵敏度控制：增加在线氧表和在线流量表。

在上述百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法中，所述发电机中定子的入水温度降低至38～43℃。

在上述百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法中，所述发电机的氢气压力提高至5～5.2Brg。

在上述百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法中，所述发电机的旁路净化流量增加至4～6m³/h。

在上述百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法中，所述发电机定子的冷却水的溶氧量降低至20～100ppb。

在上述百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法中，在所述步骤A2后，该方法还包括：

根据步骤A2中得到的折算出水温度绘制雷达图，显示基准工况下不同定子的出水温度。

在上述百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法中，在所述步骤A2后，该方法还包括：

根据步骤A2中得到的折算出水温度绘制时间-出水温度曲线，显示基准工况下相同定子的出水温度的变化趋势。

根据本发明的一个方面，提供百万千瓦级核电站发电机定子堵塞处理方法，用于对百万千瓦级核电站发电机中定子的堵塞进行处理，其中，所述方法指采用气水两相正反冲洗步骤对定子进行疏通。

在上述百万千瓦级核电站发电机定子堵塞处理方法中，所述气水两相正反冲洗步骤包括以下子步骤：

(1)在发电机的入口管道和出口管道设置临时管道；

(2)将所述步骤(1)中的入口管道、出口管道以及临时管道与用于疏通定子的吹扫装置固定连接；

(3)向所述步骤(2)中的吹扫装置中充入氮气和水，吹扫装置通过充入的氮气和水对所述定子进行正反冲洗。

实施本发明的百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法及堵塞处理方法，可以获得以下有益效果：本发明中，将测定得到的定子的出水温度折算至基准工况下定子的出水温度，可以排除温度比较时不同工况对温度的影响，保证比较结果具有参考价值；采用本发明的方法可以实现对定子的出水温度的实时监测，并在定子的出水温度异常的情况下及时对发电机的参数进行调节，控制定子的出水温度；定子堵塞的情况下，还可以采用本发明的气水两相正反冲洗步骤，有效解决定子的堵塞问题。本发明中，根据测量结果及时对温度异常的情况做出处理，从而避免定子的冷却水温度过高而对发电机造成损害，保证了发电机的发电效率。

附图说明

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。附图中：

图1是百万千瓦级核电站发电机定子的出水温度的时间-出水温度曲线；

图2是根据本发明的百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法的流程示意图；

图3是根据本发明的百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法中采用雷达图显示不同定子的出水温度的示意图；

图4是根据本发明的百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法中采用时间-出水温度曲线显示相同定子在不同时间阶段的出水温度的示意图；

图5是根据本发明的百万千瓦级核电站发电机定子堵塞处理方法的流程示意图。

具体实施方式

百万千瓦级核电站发电机中，定子的材质为铜，并且定子中通以冷却水用于对发电机进行冷却；换言之，上述结构中定子的铜材质长期与水接触。应该理解的是，在25℃的高纯水体系中，铜可以发生电化学反应，生成在水中溶解度低的氧化铜、氧化亚铜或其他的铜化合物。上述腐蚀产物(电化学产物)从定子表面脱落后即沉积在水中，受沉积物的量以及发电机的其他因素影响，若不能及时将该沉积物排出，可以引发堵塞。具体原理过程简述如下：

停机期间，由于发电机与大量氧气接触，在局部区域将因氧浓差腐蚀生成大量的腐蚀产物(主要为氧化铜)。发电机并网初期，由于定子表面腐蚀电位变化，表层所产生的氧化铜逐渐转变为氧化亚铜，并短时集中剥落。另一方面，发电机并网后发电机的功率上升从而使定子的入水温度上升，氧化铜的溶解度因此降低从而也发生沉积。以上两个因素共同作用，使得短时间内定子中的沉积物显著增多。在冷却水的水流冲刷作用下，沉积物迁移并聚集在定子中的紊流区，进而引起堵塞。另外，在定子漏氢的情况下，腐蚀产物逐渐由氧化亚铜转变为单质铜。单质铜的比重大，迁移速度缓慢，并同样聚集在定子的紊流区。

综上所述，可以知道的是，引起定子堵塞的原因在于铜的氧化腐蚀与沉积。而这一过程(电化学反应过程)与水的pH值、溶氧量、溶氢量密切相关。上述因素的变化可以导致铜发生氧化腐蚀，产生溶解度低的铜化合物。因此，为了在百万千瓦级核电站发电机的运行过程中很好的控制定子的冷却水的温度，需要很好地监测与控制上述指标。可以通过建立完整的监控体系以及调控系统、对发电机做出调节从而实现上述目标。

本发明中的百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法包括以下步骤：

A1：测定不同工况下定子的出水温度；

A2：将步骤A1中测定得到的不同工况下定子的出水温度折算为基准工况下定子的出水温度，得到折算出水温度；

A3：根据步骤A2中得到的折算出水温度判断定子的出水温度是否异常，若是，则执行步骤A4；若否，则返回执行步骤A1；

A4：对定子的出水温度进行调控，完成调控后返回执行步骤A1。

参照图2，对本发明的百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法进行详细说明，具体如下：

A1：在每一个定子的入水口与出水口设置测温元件，用于实时、准确测量定子的入水温度与出水温度。其中，该测温元件通过信号通讯装置将测试结果发送至监控主机上，并在监控主机上对应显示每一个定子的入水温度与出水温度。

A2：监控主机自动采用温度折算模型将采集到的每一个定子的出水温度折算为其对应的基准工况下的温度，存储于监控主机中并在监控主机上直观显示。

这里需要说明的是，百万千瓦级核电站发电机的定子数目众多，而且不同定子所处的环境不同，此处的环境指该定子的长度等参数；相同定子由于发电机的工况(在一定工作状况下发电机的功率、发电机的氢气压力、发电机定子的入水温度)不同所处的环境也不相同。在进行温度的比较分析之前，首先应该通过一定技术手段排除不同工况或定子的长度等因素对温度的影响，得到基准工况下的出水温度，即折算出水温度。优选地，对每一个定子独立监测、显示与控制，从而排除不同定子所处的环境不同等因素对温度的影响；采用温度折算模型排除工况的影响。

本发明中的温度折算模型为其中，T_折为折算出水温度、T_出为实际出水温度、T_入为实际入水温度、P_额为额定有功功率、Q_额为额定无功功率、P为实际有功功率、Q为实际无功功率、H为实际氢气压力、K为取值为1.4的特定参数。

得到折算出水温度后，通过两种方法在监控主机上显示定子的出水温度。其中一种方法则是采用雷达图。参考图3，根据发电机中定子的数目，采用放射线将圆等分为对应数目的部分，并在每一条放射线上标明对应定子的出水温度。本发明的百万千瓦级核电站发电机中定子的数目为48个，对应地在雷达图中作出48条放射线。放射线由圆心向外代表逐渐升高的温度，例如从40-75℃。

监控过程中，首先将每一个定子的出水温度额定值在放射线上标示并两两连线。然后根据步骤A2中得到的折算出水温度，在雷达图的放射线上标示该温度值并两两连线。图3中黑色线表示基准工况下各定子的出水温度；灰色线表示测定得到的不同工况下各定子的出水温度折算为基准工况下定子的出水温度。采用雷达图的优点在于，不仅直观的将相同定子在两个不同时间点的出水温度进行比较，而且可以对发电机中所有定子的出水温度的变化趋势有直观以及概括的了解。根据雷达图推测出温度变化最显著的定子并对其进行重点监控；这也是提前预知系统风险、简化监控过程的一个体现。例如，参考图3，093定子的出水温度则明显比087定子的出水温度变化明显。

另一种方法则是采用时间-出水温度曲线(参考图4，A代表某一定子在不同时间的出水温度)，实现动态监测。以时间为横坐标、定子的出水温度为纵坐标作图，对相同定子在不同时间阶段的出水温度进行监测。通过该方法不仅可以获得过去时间段内定子的出水温度的变化情况，而且可以根据曲线反映出来的趋势分析后续出水温度可能的变化趋势。

监控主机实时显示定子的出水温度，对本领域经验丰富的技术人员而言，可以通过雷达图或时间-出水温度曲线推测某一定子是否存在温度异常，进而对其重点监控。

A3：根据每一个定子的具体情况，设定定子在基准工况下的出水温度额定值，设定定子相对于基准工况、在不同工况下的出水温度变化阈值，并将其存储在监控主机中。步骤A2中，监控主机采用温度折算模型已将测定的定子的出水温度折算为基准工况下的折算出水温度。在该步骤中，计算出折算出水温度与出水温度额定值的差值，然后判断该差值是否超出出水温度变化阈值的范围。若超出，则说明定子的出水温度存在异常，此时监控主机发出警告，并执行步骤A4；若没有超出，则返回执行步骤A1，继续对定子的出水温度进行监控。

本发明中，出水温度变化阈值为±4-6℃。当上述差值超出出水温度变化阈值的范围时，判断出水温度存在异常。

A4：若判断某一定子的出水温度存在异常，对定子的出水温度进行调控。本发明中通过调节发电机的参数控制定子的出水温度。

这里需要说明的是，虽然本发明所提供的监控方法具有一定的自动性与及时性，但是对发电机的调节仍然需要在工作人员的操作下完成。监控主机发出警告后，工作人员根据测定以及折算得到的折算出水温度与出水温度额定值之间的差值确定采用何种方法或技术调控定子的出水温度。

如上所述，定子的出水温度升高的主要原因在于定子的堵塞，而引起定子堵塞的原因在于铜的氧化腐蚀与沉积。这一过程(电化学反应过程)与冷却水水的pH值、溶氧量、溶氢量密切相关。因此，在调节发电机的时候，凡是涉及可能改变冷却水的pH值、溶氧量、溶氢量的操作均可能用于调控定子的出水温度。本发明中，对定子的出水温度的调控通过调节发电机实现，具体包括：定子的入水温度控制、发电机的氢气压力控制、发电机的旁路净化流量控制、发电机定子的冷却水的溶氧量控制、监测灵敏度控制五个方面。

定子的入水温度控制指降低定子的入水温度。少量的铜化合物溶解在水中后，通常在定子的高温区析出继而在紊流区沉积。原因在于，温度升高铜化合物的溶解度降低。因此，降低定子的入水温度后，在相同条件(工况、定子长度等因素)下，出水温度随之降低，此时水中溶解的铜氧化物增多，在流经混床时吸收的铜化合物量增加。本发明中将定子的入水温度降低3℃，入水温度降低至38-43℃。

发电机的氢气压力控制指提高发电机的氢气压力。发电机中的氢气的作用在于一方面对发电机的部分内部构件进行冷却，另一方面对发电机中的冷却水调节阀进行控制，从而控制发电机中冷却水的流量。当氢气压力提高后，氢气所带走的热量增加，发电机中的冷却水调节阀受控制，相应增大发电机定子的冷却水的流量。少量的沉积可能在流量增大的冷却水的冲刷作用下下随冷却水流出，从而改善了定子堵塞的问题，有助于降低定子的出水温度。本发明中发电机的氢气压力提高至5-5.2Brg。

发电机的旁路净化流量控制指增加发电机的旁路净化流量。混床又称为除盐床，在百万千瓦级核电站发电机中用于吸附去除冷却水中溶解的化合物。增大旁路净化流量等同的效果在于使冷却水中溶解的化合物的浓度降低，在相同量的冷却水流过混床时，由于单位体积内所含有的化合物的量降低，其中所含有的铜化合物吸收得越快，单位体积内的吸收越充分，定子中沉积的化合物的量相应的减少。本发明中，发电机的旁路净化流量由原来的1.2m³/h提升至4-6m³/h。

发电机定子的冷却水的溶氧量控制指降低发电机定子的冷却水的溶氧量。氧气含量与铜的存在状态密切相关。停机状态下，局部区域因氧浓差腐蚀生成大量的腐蚀产物；冷却水中的溶氧则促进次生铜腐蚀的发生。因此，控制冷却水中的溶氧量具有重要的价值与意义。本发明中可以通过提高系统气密性、对通过定子的冷却水进行超声除氧、充氮除氧、使用无氧水等方法，降低冷却水中的溶氧量。本发明中发电机定子的冷却水的溶氧量降低至20-100ppb。

以上措施均通过减少沉积量对定子的出水温度进行控制。除了上述措施以外，提高监测灵敏度也是一种重要的控制手段。具体地，通过增加在线氧表和在线流量表加强对发电机相关参数的监控，从而预防发电机参数不当引发的定子的出水温度升高的问题。

另外，需要说明的是，虽然是在监控主机判断出水温度异常之后调节发电机，但是也可以在发电机并网初期实施上述溶氧量控制、提高监测灵敏度等方法，也即是首先改善百万千瓦级核电站发电机，从而降低产生定子的出水温度升高或定子堵塞的可能性。

另外，定子的出水温度与发电机的功率相关，功率上升或下降均会引起冷却水中铜离子的迁移、沉积速度和数量的改变。因此维持发电机的功率稳定有助于减少温度波动，进而减少铜离子各化合物形式之间的转化。

疏通定子的操作通常在发电机停机过程中进行。因此，通过调节发电机可以调控定子的出水温度时，尽量避免使用疏通定子等需要停机的方法调控定子的出水温度。在发电机正常停机检修过程中，本发明中提供一种定子堵塞的处理方法。通常采用气水两相正反冲洗步骤对定子进行较为彻底的吹扫，排出其中可能存在的沉积物。

传统的疏通定子的方法是将水盒打开进行机械疏通。由于定子端部水盒与水管之间的连接方式为焊接。该操作需要将连接部位焊开，机械疏通完成后重新焊接。但是焊接温度难于控制，容易造成定子的损伤。因此本发明中则采用氮气，使用气水两相正反冲洗步骤对定子进行吹扫，从而疏通定子。采用该方法不仅能够吹净定子内部的残水，而且对于堵塞的定子可以起到明显的疏通效果。其具体的操作流程如下所述：

(1)在发电机的入口管道和出口管道设置临时管道；

(2)将入口管道、出口管道和临时通道与用于疏通定子的吹扫装置固定连接；

(3)向吹扫装置中充入氮气和水，吹扫装置通过充入的氮气和水对定子进行正反冲洗。

综上所述，通过对定子的出水温度进行实时监测、折算测定得到折算出水温度、根据折算出水温度判断出水温度是否异常以及对出水温度进行实时显示与调控的手段，可以在发电机的运行过程中，及时监测并控制每一个定子的出水温度；定子堵塞的情况下，还可以采用本发明的气水两相正反冲洗步骤，有效处理定子的堵塞，从而保证发电机的发电效率并避免出现发电机温度过高、强制停机或定子绕组烧损的问题。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所确定的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (10)

1.百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法，用于百万千瓦级核电站发电机中定子的出水温度的监控，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 

A1：测定不同工况下定子的出水温度； 

A2：将步骤A1中测定得到的不同工况下定子的出水温度折算为基准工况下定子的出水温度，得到折算出水温度； 

A3：根据步骤A2中得到的折算出水温度判断定子的出水温度是否异常，若是，则执行步骤A4；若否，则返回执行步骤A1； 

A4：对定子的出水温度进行调控，完成所述调控后返回执行步骤A1； 

在所述步骤A2中，采用温度折算模型将步骤A1中测定得到的不同工况下定子的出水温度折算为基准工况下定子的出水温度，得到折算出水温度； 

所述温度折算模型为：

其中，T_折为折算出水温度、T_出为实际出水温度、T_入为实际入水温度、P_额为额定有功功率、Q_额为额定无功功率、P为实际有功功率、Q为实际无功功率、H为实际氢气压力、K为取值为1.4的特定参数。 

2.根据权利要求1所述的百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法，其特征在于，在所述步骤A1中，所述工况指在一定工作状态下发电机的功率、发电机的氢气压力和发电机定子的入水温度。 

3.根据权利要求1所述的百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法，其特征在于，所述步骤A3包括以下子步骤： 

A31：设定定子的出水温度额定值，计算步骤A2中得到的折算出水温度与所述出水温度额定值的差值； 

A32：设定定子的出水温度变化阈值，判断步骤A31中得到的步骤A2中的折算出水温度与定子的出水温度额定值的差值是否超出所述定子的出水温度变化阈值；若是，执行步骤A4；若否，则返回执行步骤A1。 

4.根据权利要求1所述的百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法，其特征在于，在所述步骤A4中，所述对定子的出水温度进行调控包括： 

B1：入水温度控制：降低定子的入水温度； 

B2：氢气压力控制：提高发电机的氢气压力； 

B3：净化流量控制：增加发电机的旁路净化流量； 

B4：溶氧量控制：降低发电机定子的冷却水的溶氧量； 

B5：监测灵敏度控制：增加在线氧表和在线流量表。 

5.根据权利要求4所述的百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法，其特征在于，所述发电机中定子的入水温度为38-43℃。 

6.根据权利要求4所述的百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法，其特征在于，所述发电机的氢气压力为5-5.2Brg。 

7.根据权利要求4所述的百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法，其特征在于，所述发电机的旁路净化流量为4-6m3/h。 

8.根据权利要求4所述的百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法，其特征在于，所述发电机定子的冷却水的溶氧量为20-100ppb。 

9.根据权利要求1所述的百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法，其特征在于，在所述步骤A2后，该方法还包括： 

根据步骤A2中得到的折算出水温度绘制雷达图，显示基准工况下不同定子的出水温度。 

10.根据权利要求1所述的百万千瓦级核电站发电机定子水温监控方法，其特征在于，在所述步骤A2后，该方法还包括： 

根据步骤A2中得到的折算出水温度绘制时间-出水温度曲线，显示基准工况下相同定子的出水温度的变化趋势。