一种快速降低发电机定子冷却水溶氧装置及方法
阅读说明：本技术 一种快速降低发电机定子冷却水溶氧装置及方法 (Device and method for rapidly reducing generator stator cooling water-soluble oxygen ) 是由 马飞 李胜利 张祥贵 赵郴亮 叶伟 苏德华 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明属于核电技术,具体涉及一种快速降低发电机定子冷却水溶氧装置及方法。装置包括发电机定子冷却水箱、发电机定子冷却水泵、除盐水水源,发电机；发电机和除盐水水源管道连接,方法利用该装置,定子冷却水箱充水至指定液位,向发电机定子冷却水箱进行氮气吹扫,直到发电机定子冷却水箱中氧气含量降低到0.2％以下,最后对发电机定子冷却水箱进行氢气吹扫,对发电机定子冷却水箱加压至30-50kPa。减少了启停阶段发电机空心铜导线腐蚀防止在系统钢制管道中还原成铜单质,避免堵塞过滤器和空心导线,大幅简化人员操作,并降低启停阶段定子冷却水相关工业安全风险。(The invention belongs to the nuclear power technology, and particularly relates to a device and a method for rapidly reducing the cooling water-soluble oxygen of a generator stator. The device comprises a generator stator cooling water tank, a generator stator cooling water pump, a demineralized water source and a generator; the method comprises the steps of filling water into a stator cooling water tank to a specified liquid level, carrying out nitrogen purging on the stator cooling water tank of the generator until the oxygen content in the stator cooling water tank of the generator is reduced to be below 0.2%, finally carrying out hydrogen purging on the stator cooling water tank of the generator, and pressurizing the stator cooling water tank of the generator to 30-50 kPa. The corrosion of the hollow copper conductor of the generator in the start-stop stage is reduced, the hollow copper conductor is prevented from being reduced into a copper simple substance in a system steel pipeline, the filter and the hollow conductor are prevented from being blocked, the personnel operation is greatly simplified, and the related industrial safety risk of stator cooling water in the start-stop stage is reduced.)
技术领域
本发明属于核电技术，具体涉及一种快速降低发电机定子冷却水溶氧装置及方法。
背景技术
为了更有效的带走发电机运行时的巨大热量，发电机定子冷却水在设计上采用闭式循环系统，使用高纯水通过铜质空心导线，来带走由定子绕组损耗产生的热量。定子冷却水接口为特氟龙塑料管与铜制空心导线插接。研究表明，如果发电机定子冷却水的水质不达标，容易造成发电机铜线棒腐蚀，腐蚀产物沉积不仅会导致铜导线传热能力下降，还可能造成堵水、断水、漏水事故，引发定子绕组过热，甚至引发定子绕组端部烧毁等严重事故。影响发电机定子空心铜导线腐蚀的主要因素有冷水系统的溶解氧含量、pH值、电导率等，当系统介质pH值为中性，溶解氧浓度成为影响定子线圈腐蚀的决定因素。
当除盐水含氧量小于0.1mg/L时，含氧量越低，铜在除盐水中腐蚀越小；含氧量在0.1～0.5mg/L时，铜的腐蚀有一个最大值；随着溶解氧含量的再升高大于0.5mg/L，形成氧化膜腐蚀减少。所以，使用控制溶氧来控制发电机定子冷却水的水质成为一个比较高效的选择。见图一。
控制溶氧的机组尽量采用限制氧含量在极低的水平，来控制腐蚀。QFSN型发电机采用的先进方案是采用氢气对定子冷却水箱加压密封，防止空气进入定子冷却水箱，增加冷却水的含氧量和二氧化碳含量，利用系统内部充满大量高浓度氢气来保持低溶氧。
在发电机运行中，发电机内部氢气经过特氟龙塑料等处不断的缓慢的泄漏到定子冷却水系统，并溢出到定子冷却水箱中，这样保持了冷却水箱始终有效补充氢气损耗，并覆盖高纯度的氢气，有利于慢慢去除水中微量溶解氧。这样，使用氢气加压以减少溶氧和限制腐蚀。优点如下：
⑴发电机内氢气压力大于定子绕组冷却水压力，氢气微渗透到冷却水中，如果用氮气密封就需要经常进行氮气吹扫和监测水箱氢气浓度；而使用氢气密封，两者介质一致，干扰量少维护量少；
⑵依靠氢气的密封，使得系统可以完全封闭的运行，冷却水罐和回水管线均充满氢气，完全封闭运行提高了可靠性。
最大的问题出现在系统启动阶段：系统停运前检修时设备管道为对空状态，存在大量空气，此时充入除盐水会形成饱和溶氧水，在系统启动后会对铜制定子线圈产生剧烈腐蚀。
按照传统做法，定子冷却水系统启动时，先对系统充注除盐水，当液位高于发电机定子线圈发生溢流时，系统内空气被排出，再对水箱充入氢气，同时降低系统水位至正常值，然后再启动定子冷却水泵，完成系统投运。
存在以下问题，成为该低溶氧、中性pH值先进控制方法的重大不足之处：
1)定子冷却水系统启动时通过充水排气的方法排除系统中的氢气，但是系统内存在死角，气体很难排净，需要多次启泵搅浑，然后再次充水排气的方式进行，操作复杂；
2)定子冷却水系统启动时通过多次充水排气，系统内溶氧含量也无法降低至国标最低要求值以下，需要系统启动后通过氢氧复合消除剩余溶氧，这个过程一般需要一周时间，在此期间，发电机空心铜导线将发生腐蚀，系统钢制管道中还原形成铜单质，进而导致电化学腐蚀；
3)被还原出的铜单质可能堵塞过滤器和空心导线，导致发电机重大故障。
4)一般在系统投运一周后溶氧水平从2000μg/L降至20μg/L以下，此时pH为7，可以计算出的铜的平均腐蚀速率为4g/(㎡*d)，最高达到7g/(㎡*d)。比标准值氧含量20μg/L时腐蚀速率高3倍以上，比正常运行氧含量7μg/L时腐蚀速率高7倍以上；
5)定子冷却水系统启动时通过充水排气，然后充氢排水的方式进行气体置换，耗水量大，且压力难以控制，存在系统超压风险；
定子冷却水系统启动时通过充水排气，然后充氢排水的方式进行气体置换，在充氢阶段，系统内同时存在空气和氢气，存在氢氧混合爆炸的工业安全风险。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速降低发电机定子冷却水溶氧装置及方法，其能够较快降低定子冷却水启动阶段溶解氧，提高定子冷却水系统运行的稳定性和可靠性。
本发明的技术方案如下：
一种快速降低发电机定子冷却水溶氧装置，包括发电机定子冷却水箱、与发电机定子冷却水箱下部出口管道连接的发电机定子冷却水泵和除盐水水源，以及与所述的发电机定子冷却水箱上部入口管道连接的发电机；所述的发电机的集电环侧和所述的除盐水水源管道连接；所述的发电机定子冷却水泵有两个，并联安装在发电机定子冷却水箱下部出口的管路上，且所述发电机定子冷却水泵出口管道上设有两路并联的换热器，换热器的出口与所述的发电机和所述的除盐水水源之间的管道连通；所述的发电机定子冷却水箱上部入口连接氮气供应管线和氢气供应管线；所述的发电机定子冷却水箱设有与发电机的汽侧端口连通的气体出口。
在所述的发电机的集电环侧和所述的除盐水水源连接的管道上设有两路并联的过滤器。
在所述的除盐水水源和所述的发电机定子冷却水箱之间的管道上设有两路并联的离子过滤器。
所述的发电机内部设有两个并联的汇水管，其安装在定子绕组的两端，所有的定子绕组连接到汇水管，汇水管并联的汇合点分别与发电机的励侧端口和汽侧端口连通。
所述的发电机定子冷却水箱储存定子冷却水，供定子冷却水泵向发电机中的定子供应冷却水时抽取使用，且发电机定子冷却水泵能够搅动定子冷却水箱中的介质，使水中溶解的气体排出。
所述的氮气供应管线包括氮气储罐，其向定子冷却水箱供应氮气，发电机定子冷却水箱上与发电机的汽侧端口连通的气体出口连接排气管线，所述的氮气供应管线与排气管线向发电机定子冷却水箱内进行氮气吹扫和气体置换。
所述的氢气供应管线和排气管线，向发电机定子冷却水箱内进行氢气吹扫和气体置换。
一种快速降低发电机定子冷却水溶氧方法，其利用所述的快速降低发电机定子冷却水溶氧装置，且在发电机的集电环侧和所述的除盐水水源连接的管道上设有两路并联的过滤器，除盐水水源和发电机定子冷却水箱之间的管道上设有两路并联的离子过滤器，按照如下步骤进行：
1)将定子冷却水箱充水至指定液位；
2)向发电机定子冷却水箱进行氮气吹扫，直到发电机定子冷却水箱中氧气含量降低到0.2％以下；
3)对发电机定子冷却水箱进行氢气吹扫，对发电机定子冷却水箱加压至30-50kPa。
所述的步骤1)中，将发电机定子冷却水箱上与发电机的汽侧端口连通的气体出口的管线关闭之后，进行充水操作，由所述的除盐水水源通过管线向发电机定子冷却水箱充水至液位900mm，之后打开管线进行排气，直至步骤3)完成。
所述的步骤2)中进行氮气吹扫同时启动发电机定子冷却水泵，对发电机定子冷却水箱内的空气搅浑并脱气，直到检测管道内的冷却水的电导率下降至0.5μsm/cm以下。
所述的步骤2)中须将发电机压力升至0.3-1MPa。
所述的步骤2)中启动发电机定子冷却水泵同时启动过滤器，过滤流量控制为180-220L/min。
所述的步骤2)中氮气吹扫时，氮气供应管线3的管道压力须维持在30-50kPa。
所述的步骤2)氮气吹扫的过程中，保证发电机定子冷却水箱内的液面高度为800-1100mm。
通过除盐水水源向发电机定子冷却水箱补充除盐水维持发电机定子冷却水箱的液面高度为800-1100mm。
所述的步骤3)氢气吹扫之前将氮气供应关闭，将发电机定子冷却水箱内气体从氮气置换为氢气，直至对发电机定子冷却水箱加压至30-50kPa。
本发明的显著效果如下：通过设计的装置结构以及方法，减少了启停阶段发电机空心铜导线腐蚀防止在系统钢制管道中还原成铜单质，避免堵塞过滤器和空心导线，大幅简化人员操作，并降低启停阶段定子冷却水相关工业安全风险。
通过改进定子冷却水的除氧方式，实现以下技术效果：1.解决补给水中的溶氧高问题。2.去除系统管线中的驻留空气。3.快速将溶氧降低至阈值以下。4.避免系统中氧气和氢气同时存在的安全风险。5.减少发电机空心铜导线腐蚀，防止在系统钢制管道中还原成铜单质。
氮气管线和氮气排出管线，引入氮气在发电机定子冷却水充水阶段，采用外接氮气吹扫系统头箱，利用亨利定律原理使水中溶氧含量快速下降；在氮气吹扫过程中，启动定子冷却水泵启动搅浑，将水中氧气快速脱出，并被氮气吹扫至外部。相对原有技术取消系统充水至溢流液位，也取消了充氢排水的风险性操作，并利用氮气作为空气-氢气置换中间介质，完成系统内空气向氢气置换。
现有定子冷却水系统在充水阶段充水至20000mm(20m)高度，在充氢阶段又会排掉，并且后续充水操作反复执行，消耗了大量除盐水，采用本方法只需充注到正常液位，没有排水过程，明显节约了除盐水的用量约60m3(按照3次充排置换过程计算)。发电机定子冷却水系统投运后仅6-8小时可将整个系统溶氧降低到20μg/L以下，极大地降低了腐蚀，保护了贵重的发电机免受腐蚀损坏的风险，避免了铜离子在系统换热器过滤器等处电化学反应的风险，提高了电厂重大设备的可靠性；取消了反复充水排气、充氢排水的繁琐步骤，降低了系统超压风险，并且将系统投运时间减少24h以上，减少机组停运检修工期；通过使用氮气作为中间介质，完全置换掉系统角落残存的空气，良好衔接氢气加压，降低氢氧混合的工业安全风险。
附图说明
图1为快速降低发电机定子冷却水溶氧装置示意图；
图中：1.发电机定子冷却水箱；2.发电机定子冷却水泵；3.氮气供应管线；4.排气管线；5.氢气供应管线；6.换热器；7.过滤器；8.除盐水水源；9.发电机；10.氮气储罐；11.离子过滤器。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，改进后的快速降低发电机定子冷却水溶氧装置，其包括发电机定子冷却水箱1、与发电机定子冷却水箱1下部的出口通过管道连接的发电机定子冷却水泵2和除盐水水源8，与发电机定子冷却水箱1上部入口通过管道连接的发电机9；发电机9的集电环侧和除盐水水源8通过管道连接，管道上安装两路并联的过滤器7；
其中，除盐水水源8和发电机定子冷却水箱1之间的管道上安装两路并联的离子过滤器11，上述的发电机定子冷却水泵2有两个，并联安装在发电机定子冷却水箱1下部出口的管路上，且该管路上在发电机定子冷却水泵2的出口管道上安装两路并联的换热器6，换热器6的出口与上述发电机9和除盐水水源8之间的管道连通；
在发电机定子冷却水箱1上部入口通过氮气供应管线3安装氮气储罐10，同时在上部另一入口安装氢气供应管线5，同时在上部加工气体出口，安装排气管线4，该排气管线4与上述的发电机9的汽侧端口连通。
上述的发电机9内部安装两个汇水管，其安装在定子绕组的两端，所有的定子绕组通过绝缘软管连接到汇水管上，汇水管并联，两端的汇合点分别与发电机9的励侧(集电环侧)端口和汽侧端口连通；
发电机定子冷却水泵2有两个并联配置，泵的入口连接发电机定子冷却水箱1，出口连接换热器6，并联两个换热器6，一台用于冷却水，另一台冗余备用。冷却水之后流过过滤器7，在冷却水到达定子绕组之前去除可能进入的杂质，然后到达励侧的汇流管内，两台过滤器7并联，同样为提高可靠性，一台工作，另一台冗余备用。
发电机9配备两个汇水管，通过汇流管，来自定子冷却水泵2的除盐水流过定子绕组的空导线，从汽端的汇流管流出，回流到发电机定子冷却水箱1。通过定子绕组的高纯水循环，来带走由定子绕组损耗产生的热。
除盐水水源8在定子冷却水箱1液位降低时，向定子冷却水箱1补充除盐水，保证整个系统的水容积。
在此过程中，发电机定子冷却水箱1储存定子冷却水，供定子冷却水泵2运行时抽取使用。发电机定子冷却水泵2抽取定子冷却水箱1中的介质向发电机9中的定子供应冷却水，同时发电机定子冷却水泵2能够搅动定子冷却水箱中1的介质，使水中溶解的气体迅速脱出。换热器6向提供冷源，保持定子冷却水(定子冷却水箱1流出后进入发电机定子的冷却水)的温度，过滤器7连续过滤掉定子冷却水中的杂质。
发电机定子冷却水箱1中的部分冷却水通过离子过滤器11进行离子树脂过滤，降低冷却水的电导率。
设置氮气供应管线3、氢气供应管线5、排气管线4和氮气储罐10的效果为：
氮气供应管线3向定子冷却水箱1供应氮气，与排气管线4共同工作，可以实现气体连续流动，实现氮气吹扫；氢气供应管线5向发电机定子冷却水箱1供应氢气，实现氢气供应和氢气置换。氮气储罐10提供氮气源，通过氮气供应管线3向发电机定子冷却水箱1供氮气。排气管线4给发电机定子冷却水箱1排气，与氮气供应管线3和氢气供应管线5共同工作，可以实现气体连续流动，实现空气、氮气、氢气排出；
利用上述装置进行快速降低发电机定子冷却水溶氧方法的步骤如下：
步骤1、将定子冷却水箱1充水至液位900mm
操作时，需将排气管线4通过阀门关闭，可以在排气管线4上安装疏水排气阀，将其关闭，关闭排气管线4，此时进行充水操作。
由除盐水水源8通过管线向发电机定子冷却水箱1充水至液位900mm；
之后打开排气管线4的阀门进行排气，并保持排气管线4的阀门开启，直至气体置换完成(氢气置换完毕)。
步骤2、氮气置换
打开氮气供应管线3，向发电机定子冷却水箱1进行氮气吹扫，同时启动发电机定子冷却水泵2进行搅浑，将整个装置内的空气带到发电机定子冷却水箱1内并脱气，完成装置内气体由空气向氮气置换；直到检测管道(一般在发电机定子冷却水泵2之后发电机9之前这一段的管道进行检测)内的冷却水的电导率下降至0.5μsm/cm以下
步骤2执行的前提是发电机定子冷却水箱1液面充至900mm，整个装置通过排气管线4完成排气。
须将发电机9压力升至0.3-1MPa，防止定子冷却水系统(装置中除去氮气供应管线3、氢气供应管线5、排气管线4和氮气储罐10之外的部分)启动后压力高于发电机，定子冷却水漏入发电机9内；
在氮气吹扫时启动定子冷却水泵。发电机定子冷却水泵2处于启动状态，同时启动过滤器7，过滤流量控制为180-220L/min，最优控制在200L/min，除去冷却水中杂质；
此外，接入氮气供应管线3向发电机定子冷却水箱1通入氮气进行吹扫，水箱压力通过氮气供应管线3上的供氮阀门控制，管道压力须维持在30-50kPa；
在该过程中，必须保证定子冷却水箱1内的液面高度为800-1100mm；可通过除盐水水源8，补充除盐水维持定子冷却水箱1的液位。
发电机定子冷却水箱1中存在的空气在氮气供入后被持续吹出排气管线4，在发电机定子冷却水泵2后，利用泵的搅浑作用把管道和发电机定子内滞留的空气带出并送入发电机定子冷却水箱1，进而跟随氮气流一同排出，水中溶解的气体，在回水至水箱时发生剧烈搅动，从定子冷却水中析出，通过以上原理，可以快速将定子冷却水系统中的溶氧含量快速降低。
过滤器7采用树脂过滤器，在所在管道上通过检测设备检测冷却水的电导率从1.5μsm/cm快速下降至0.5μsm/cm以下。
根据亨利定律，在一定温度的密封容器内，气体的分压与该气体溶解在溶液内的摩尔浓度成正比。如果定子冷却水系统内溶氧含量为20μg/L，则可以说明定子冷却水箱内氧气分压已经降至很低的水平(低于大气压的1/400，也就是绝对压力250Pa)。
根据道尔顿分压定律，对于理想气体或低压气体(本实施例中水箱1内进行氮气吹扫时总压是30-50kPa，绝对压力为130-150Kpa)，在任何容器内的气体混合物中，如果各组分之间不发生化学反应，则每一种气体都均匀分布在整个容器内，它所产生的压强和它单独占有整个容器时所产生压强相同。据此可以计算，此时定子冷却水箱1内氧气含量所占百分比为250Pa/140kPa＝0.2％，氮气所占含量为99.8％以上，即通过氮气吹扫，将定子冷却水箱1中氧气含量降低到0.2％以下时，定子冷却水箱中的溶氧含量将满足要求。
在此过程中，通过氮气对定子冷却水箱1内气体持续吹扫置换，水箱气体空间的氧气和二氧化碳等杂质气体所占比例呈指数下降，对应的定子冷却水中的溶氧和溶解二氧化碳含量也呈指数下降，直至满足要求。
步骤3、定子冷却水系统溶氧合格后(低于20μg/L)，对发电机定子冷却水箱1进行氢气吹扫，完成系统内气体由氮气向氢气置换
步骤3开始的前提是，定子冷却水系统已经置换为氮气，经检测管道内冷却水中的溶氧含量低于20μg/L；
关闭氮气供应管线3，停止氮气吹扫；
再通过氢气供应管线5向发电机定子冷却水箱1通入氢气10min，将水箱内气体从氮气置换为氢气，置换完毕是指定子冷却水箱内氢气浓度大于98％即可
最后，关闭氢气供应管线5和排气管线4上的阀门，置换完毕。
此步骤，通过氢气供应管线5对发电机定子冷却水箱1加压至30-50kPa。
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