干冰清洗技術(shù)在水電站機(jī)組檢修中的應(yīng)用

陳明輝

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 引言

廣州抽水蓄能電廠（以下簡(jiǎn)稱廣蓄電廠）位于廣州市從化區(qū)境內(nèi)，距廣州市120 km，廣蓄A(yù)、B 廠總裝機(jī)容量為2 400 MW（8×300 MW），其中A 廠(一期工程)裝機(jī)容量為1 200 MW（4×300 MW），于1994 年全部建成投產(chǎn)。廣蓄B 廠(二期工程)裝機(jī)容量為1 200 MW（4×300 MW），于2000 年全部建成投產(chǎn)。2020 年10 月份在進(jìn)行B 廠5 號(hào)機(jī)組A 級(jí)檢修過(guò)中，對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組清洗過(guò)程中，首進(jìn)引進(jìn)了干冰清洗技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的清洗工藝手段，不僅在清洗效率上有了非常大的提高，而且在清洗質(zhì)量上也達(dá)到了理想的效果。

2 工作原理

干冰清掃又稱為干冰冷噴射清洗，是利用干冰（CO2）對(duì)相關(guān)設(shè)備表面進(jìn)行清掃服務(wù)，以去除附著在設(shè)備表面的油污、灰塵等污染物。干冰清掃是在不改變被清除設(shè)備表面化學(xué)特性的條件下，通過(guò)干冰清洗機(jī)將干冰顆粒進(jìn)行分解后，以壓力噴霧狀的方式覆蓋急凍被清除物，低溫接觸使污染物形成微裂紋，霧狀干冰通過(guò)裂縫進(jìn)一步進(jìn)入內(nèi)表面并迅速膨脹，達(dá)到分解效果，最終迫使被清洗物剝離附體。

最后階段的干冰顆粒已經(jīng)轉(zhuǎn)化為在污染物表面下迅速膨脹的無(wú)害CO2氣體。然后將污染物重新定位，通常落在地面上，由于干冰蒸發(fā)，因此只需處置污染物。

圖1 干冰清洗原理圖

3 干冰清洗設(shè)備構(gòu)成

圖2 干冰清洗設(shè)備系統(tǒng)圖

3.1 干冰清洗機(jī)

干冰清洗機(jī)的工作原理與噴鋼砂、噴塑料砂相似，在干冰清洗作業(yè)時(shí)使介質(zhì)干冰顆粒在高壓氣流中加速，通過(guò)噴嘴噴出，沖擊待清洗表面。目前市面上已經(jīng)有較成熟型號(hào)的干冰清洗機(jī)，根據(jù)每小時(shí)的干冰消耗量的大小，價(jià)格在幾千元至幾萬(wàn)元之間不等，采購(gòu)可結(jié)合平時(shí)清掃時(shí)的工作量來(lái)選擇具體型號(hào)。一般干冰消耗量在（0~25 kg/h）可基本滿足水電站機(jī)組檢修清掃使用。

3.2 干冰材料

干冰作為一種即時(shí)消耗品并不能進(jìn)行長(zhǎng)期存儲(chǔ)，因此對(duì)于清洗時(shí)需要使用的干冰可以采取兩種方式：一是將液態(tài)的CO2放入干冰造粒機(jī)，即可獲得干冰；二是直接從供貨商處購(gòu)買。水電站機(jī)組檢修干冰材料由于需要量不是很多，建議直接購(gòu)買成品，干冰儲(chǔ)存于泡沫箱內(nèi)一般可以保存2~3 d 左右，放專用干冰保溫桶可保存6~10 d 左右。直接采購(gòu)的干冰價(jià)格大約在5 元/kg 左右。

3.3 空氣壓縮機(jī)

干冰清洗設(shè)備跟許多工業(yè)清洗設(shè)備是一樣的，除了清洗設(shè)備本身，還需要空氣壓縮機(jī)進(jìn)行動(dòng)力的提供?？諝鈮嚎s機(jī)的選用型號(hào)取決于干冰清洗機(jī)技術(shù)說(shuō)明書上要求的壓縮空氣供應(yīng)量，壓縮空氣要求清潔、無(wú)油、干燥、無(wú)異物，所以最好用無(wú)油的空氣壓縮機(jī)，如果是螺桿式的，可以在外面加一個(gè)濾油器。

3.4 干冰機(jī)噴嘴

噴嘴是干冰清洗系統(tǒng)中的關(guān)鍵部位之一，其作用是改變氣、固兩相流體的運(yùn)力和動(dòng)力特性。在噴射過(guò)程中，噴嘴的結(jié)構(gòu)、氣流的超音速自由噴流流場(chǎng)、顆粒的密度等參數(shù)對(duì)氣、固兩相流的動(dòng)力特性都有影響。針對(duì)不同的清洗部位可以選擇不同外形的噴嘴，特殊結(jié)構(gòu)的部件可以通過(guò)定制特殊外形的噴嘴。

圖3 干冰機(jī)噴嘴型式

4 干冰清洗在機(jī)組檢修中的優(yōu)勢(shì)

（1）對(duì)于機(jī)組檢修中有電氣絕緣性能要求的結(jié)構(gòu)部件，比如發(fā)電機(jī)定子繞組、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極繞組等結(jié)構(gòu)部件，采用干冰清洗技術(shù)，不但能有效清理附著于絕緣表面的油污、灰塵等，而且能確保不破壞這些設(shè)備的絕緣層。

（2）對(duì)于機(jī)組檢修中常規(guī)的結(jié)構(gòu)件清洗，如空氣冷卻器、金屬構(gòu)件接合面表面、管路內(nèi)壁、氣罐內(nèi)腔等表面，去除表面的油污、脫落的油漆、鐵銹部位，采用干冰清洗技術(shù)，能夠有效快速的清理部件的各個(gè)部位，達(dá)到較好的清洗效果。

5 發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子采用干冰清洗的優(yōu)點(diǎn)

5.1 清洗材料對(duì)比

傳統(tǒng)的清掃方式：需要使用清洗劑和酒精，都屬于化學(xué)試劑，對(duì)環(huán)境有污染，清洗材料對(duì)機(jī)組絕緣有腐蝕作用，清洗材料對(duì)人體有害。

干冰清掃方式：需要使用干冰材料，干冰的特性是由固態(tài)直接到氣態(tài)CO2，對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何影響、CO2直接清掃，不會(huì)腐蝕機(jī)組絕緣。清洗過(guò)程中的氣化的CO2非常少，對(duì)人體無(wú)害。

5.2 清洗方式及清洗效果

傳統(tǒng)的清掃方式：需要人工做好防護(hù)，使用棉布等清洗工具進(jìn)行清洗。清洗后會(huì)形成大量的工業(yè)垃圾（帶腐蝕性化學(xué)試劑）。狹小施工空間無(wú)法清洗，如定子繞組清掃基本上只能清掃到60%~70%的區(qū)域。清洗后，被清洗區(qū)域會(huì)有粘附溶劑，本身對(duì)設(shè)備的運(yùn)行有影響，清掃無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。

干冰清掃方式：清洗完成后，不會(huì)形成任何工業(yè)垃圾。狹小空間幾乎不影響清洗效果，基本上能做到全面清掃。對(duì)于設(shè)備清掃，表面沒(méi)有任何遺留物。

5.3 時(shí)間及人工投入

傳統(tǒng)的清掃方式：不僅需要投入較長(zhǎng)的時(shí)間，占用檢修關(guān)鍵線路直線工期，而且需要投入大量的人力。

干冰清掃方式：施工時(shí)間非常短，清理快，只需要幾個(gè)經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的專業(yè)清洗工和無(wú)污染的干冰材料。

5.4 施工風(fēng)險(xiǎn)

傳統(tǒng)方式：大量人員施工，交叉作業(yè)等，安全風(fēng)險(xiǎn)大，風(fēng)險(xiǎn)可控性差清洗劑都屬于易燃物質(zhì)清洗后的垃圾處理非常困難，污染環(huán)境。

干冰清掃方式：沒(méi)有交叉作業(yè)，專業(yè)人員操作施工，風(fēng)險(xiǎn)可控性好，不屬于易燃物質(zhì)，無(wú)清洗后的垃圾污染環(huán)境。干冰清洗設(shè)備是采用自身的部件形成高壓壓縮空氣，碎化干冰噴出，利用干冰從固態(tài)到氣態(tài)的直接轉(zhuǎn)化特性（沒(méi)有液態(tài)）。并且是專用器皿包裝，現(xiàn)場(chǎng)施工只需要防止接觸人員皮膚凍傷及噪音防護(hù)外，沒(méi)有其他風(fēng)險(xiǎn)，施工工藝非常環(huán)保，沒(méi)有任何化學(xué)有毒物質(zhì)產(chǎn)生，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

6 干冰清掃注意事項(xiàng)

從清洗方法本質(zhì)上來(lái)分析，清洗方法的第一原則是既要確保被清洗設(shè)備的基本性能不被破壞，又要達(dá)到清洗的目的。干冰清洗技術(shù)也要遵守這個(gè)原則。而干冰清洗是將干冰顆粒分解后以壓力霧狀方式噴射到設(shè)備的表面，設(shè)備表面必然要承受一定的風(fēng)壓，如果設(shè)備表面硬度差，不能承受一定的風(fēng)壓，則不能采用干冰清洗技術(shù)。

同時(shí)干冰清洗過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高分貝的噪音，因此在整個(gè)清洗過(guò)程中，操作人員及靠近清洗區(qū)域的人員需要正確配戴耳塞、耳罩等護(hù)耳設(shè)備。

7 案例運(yùn)用情況

7.1 在機(jī)組A 級(jí)檢修中的應(yīng)用

水電站機(jī)組A 級(jí)檢修過(guò)程中，定子與轉(zhuǎn)子的清掃工作是必須進(jìn)行的，受限于這些設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性，部分位置的清掃效果不理想甚至無(wú)法完成。特別是定子繞組端部的斜邊墊塊縫隙，定子鐵芯通風(fēng)槽、轉(zhuǎn)子磁極繞組、轉(zhuǎn)子磁軛通風(fēng)槽等部位，由于空間狹小，普通的清洗手段不僅效率不高，而且基本上無(wú)法達(dá)到滿意效果。發(fā)電機(jī)設(shè)備的清洗需要一種新型的清洗手段來(lái)完成，2020 年10 月份廣蓄電廠在進(jìn)行B 廠5 號(hào)機(jī)組A 級(jí)檢修過(guò)中，對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組上下端部清洗過(guò)程中，首次引進(jìn)了絕緣干冰清洗技術(shù)，由專業(yè)化的干冰技術(shù)清洗公司進(jìn)行。

考慮到廣蓄電廠采用干冰清洗發(fā)電機(jī)定子繞組的方式屬于首次應(yīng)用，干冰接觸到定子繞組表面，是否會(huì)造成其絕緣外層防暈材料和絕緣性能下降。清洗公司承諾干冰清洗對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組的電氣絕緣性能不會(huì)改變，他們也有過(guò)很多成功的案例。廣蓄5 號(hào)機(jī)組A 級(jí)檢修項(xiàng)目組決策領(lǐng)導(dǎo)為了慎重起見(jiàn)，在干冰清掃全面投入使用前，專門拿一根定子繞組備品線棒進(jìn)行干冰清洗的試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試備品線棒清洗前后的絕緣、直流耐壓及泄漏電流試驗(yàn)，備品線棒的絕緣性能沒(méi)有發(fā)生明顯變化。

B 廠5 號(hào)機(jī)組定子繞組上下端部清洗，干冰清洗時(shí)間3 人/1 d 完成，較以往采用人工清洗方式，清洗時(shí)間上大大縮短，以往采用人工清洗的方式至少要安排8 人/4 d 完成。而且采用人工清洗的方式，很多定子繞組的背面、下層線棒人工清洗工具不能到達(dá)的區(qū)域，采用干冰清掃的方式都能很好的完成，總體清洗的效果比采用人工清洗的方式要提高很多。

5 號(hào)機(jī)組定子繞組上下端部整體清洗結(jié)束后，進(jìn)行了定子直流耐壓及泄漏電流試驗(yàn)。對(duì)比試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)，定子絕緣性能在干冰清掃前后未發(fā)生明顯變化。

圖4 干冰清洗發(fā)電機(jī)定子繞組

7.2 在機(jī)組緊急搶修中的應(yīng)用

2021 年10 月24 日21：15：00，廣蓄電廠8 號(hào)機(jī)組發(fā)生一起因監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)不完善導(dǎo)致機(jī)組從零轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速升速過(guò)程中機(jī)械剎車誤投入，造成廣蓄8 號(hào)機(jī)組剎車片磨損后產(chǎn)生的粉末污染了發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子的緊急缺陷。由于發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子的間隙僅50 mm 左右，采用傳統(tǒng)的人工清洗方式基本無(wú)法進(jìn)行，必須將轉(zhuǎn)子的磁極全部拆除后才有可能完成，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的拆卸與回裝將耗費(fèi)大量人力和時(shí)間，初步排列整個(gè)清洗完成工期大概為28 d。

后經(jīng)8 號(hào)機(jī)組搶修組研討，決定緊急由干冰清洗專業(yè)公司采用干冰清洗方式進(jìn)行清洗，采用一種合適大小的干冰噴嘴，讓其能在發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子空氣間隙中上下移動(dòng)，只要將干冰機(jī)的氣管接長(zhǎng)，就可以保證很好的對(duì)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子進(jìn)行清洗。同時(shí)將發(fā)電機(jī)空冷器拆卸下來(lái)，也采用干冰清洗的方式進(jìn)行。

由于采用干冰清洗技術(shù)，省略了轉(zhuǎn)子磁極拆卸與回裝的直線工期，為本次8 號(hào)機(jī)組提前并高質(zhì)量的完成故障修復(fù)奠定了重要的基礎(chǔ)。最終8 號(hào)機(jī)組故障的搶修，從發(fā)現(xiàn)故障到完成清掃交回電網(wǎng)系統(tǒng)備用縮短至5 d。

圖5 干冰清洗發(fā)電機(jī)空冷器

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上兩起干冰清洗技術(shù)在廣蓄電廠發(fā)電機(jī)清洗中的運(yùn)用案例分析，說(shuō)明干冰清洗技術(shù)不僅能提升工作效率，而且能完成很多受空間限制，人工清洗無(wú)法完成的區(qū)域，在清洗效果以及保證電氣絕緣性能上都是有可靠保證的。

但是目前干冰洗掃技術(shù)在國(guó)內(nèi)水電站機(jī)組檢修中的應(yīng)用還未完全普及，一方面受限于目前干冰清洗主要由國(guó)內(nèi)少數(shù)專業(yè)清洗公司進(jìn)行，清洗服務(wù)收費(fèi)相對(duì)較高，這在很大程度上制約了該技術(shù)的普及。另一方面干冰清洗這一節(jié)能環(huán)保的清洗技術(shù)，建議管理部門加大這一先進(jìn)技術(shù)在水電行業(yè)機(jī)組安裝與檢修中的宣傳、應(yīng)用和推廣，使其成為水電站安裝與檢修清洗中的一種常規(guī)方法。