1 000 MW機(jī)組發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水處理優(yōu)化研究

何磊

（神華國(guó)華綏中發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧葫蘆島 125222）

長(zhǎng)期以來(lái)，發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水處理系統(tǒng)一般由發(fā)電機(jī)廠家隨機(jī)配套，高參數(shù)、大容量超超臨界機(jī)組對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水水質(zhì)的要求越來(lái)越高。發(fā)電機(jī)廠家配套的內(nèi)冷水處理系統(tǒng)及工藝已經(jīng)越來(lái)越滯后于機(jī)組的發(fā)展，不能滿足目前機(jī)組的要求，給發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行帶來(lái)了隱患。高質(zhì)量的內(nèi)冷水品質(zhì)對(duì)保證發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

發(fā)電機(jī)的內(nèi)冷水大多采用除鹽水，大氣中CO2和O2的溶入使內(nèi)冷水pH值降低、溶解氧含量升高。發(fā)電機(jī)空心銅導(dǎo)線長(zhǎng)期處在含O2的微酸性水浸泡狀態(tài)下運(yùn)行，極易被腐蝕。部分腐蝕產(chǎn)物在導(dǎo)線內(nèi)表面上沉積，使其冷卻散熱能力下降，造成發(fā)電機(jī)線棒過(guò)熱。嚴(yán)重時(shí)腐蝕產(chǎn)物有可能堵塞空心銅導(dǎo)線，使冷卻水流量下降，線棒過(guò)熱，甚至線棒燒損，迫使停機(jī)檢修，直接危及機(jī)組的安全運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)外許多研究部門(mén)對(duì)內(nèi)冷水處理問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，提出了多種處理方法，如添加緩蝕劑法、溢流排水法、pH調(diào)節(jié)法、小混床處理法、超凈化處理法等。本文通過(guò)分析百萬(wàn)等級(jí)發(fā)電機(jī)組目前內(nèi)冷水處理現(xiàn)狀，闡述百萬(wàn)等級(jí)發(fā)電機(jī)組內(nèi)冷水處理的重要性。通過(guò)對(duì)目前較為成熟的幾種內(nèi)冷水處理裝置的分析和比較，為電廠選擇合適的發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水處理技術(shù)提供借鑒。

1 1 000 MW發(fā)電機(jī)組內(nèi)冷水處理的現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)陸續(xù)投產(chǎn)的1 000 MW機(jī)組越來(lái)越多，發(fā)電機(jī)定子繞組絕大多數(shù)為銅材質(zhì)，個(gè)別機(jī)組定子繞組為不銹鋼材質(zhì)。發(fā)電機(jī)的冷卻方式都是水—?dú)洹獨(dú)浞绞健哪壳耙堰\(yùn)行的機(jī)組來(lái)看，內(nèi)冷水水質(zhì)基本能夠達(dá)到生產(chǎn)廠家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1），但是很難達(dá)到《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水及系統(tǒng)技術(shù)要求》（見(jiàn)表2）。

表1 某1 000 MW機(jī)組發(fā)電機(jī)廠家規(guī)定內(nèi)冷水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

表2 大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水水質(zhì)及系統(tǒng)要求（DL/T801—2002）

從表1、表2中可以看出，東方電機(jī)廠對(duì)內(nèi)冷水的電導(dǎo)率要求很高，一般要求DD（25℃）＜0.5μs/cm，原因是廠家出于對(duì)發(fā)電機(jī)絕緣的考慮。日立公司要求pH:6～8、DD（25℃）＜0.2μs/ cm，可見(jiàn)日立公司對(duì)內(nèi)冷水電導(dǎo)率要求更嚴(yán)。根據(jù)對(duì)已運(yùn)行的1 000 MW機(jī)組內(nèi)冷水水質(zhì)情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，使用發(fā)電機(jī)廠家隨機(jī)配套的處理裝置，其內(nèi)冷水電導(dǎo)率一般低于0.5μs/cm，有的電廠甚至低于0.2μs/cm，pH一般在6.3～6.8，銅離子含量一般小于25μg/L，盡管如此，內(nèi)冷水pH卻很難達(dá)到《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水水質(zhì)及系統(tǒng)要求》（DL/T801—2002）中pH為7～9的要求，銅導(dǎo)線的腐蝕在所難免。通過(guò)了解，這些電廠的內(nèi)冷水處理裝置都是發(fā)電機(jī)廠家隨機(jī)配套的設(shè)備，一般都采用小混床旁流處理的方式，內(nèi)冷水水箱采用充氮密封，運(yùn)行方式為貧氧或富氧方式。從各電廠的運(yùn)行效果看，個(gè)別電廠發(fā)生了定子饒組大面積堵塞的嚴(yán)重事故，部分電廠出現(xiàn)了定子層間溫差及出水溫差增長(zhǎng)趨勢(shì)、繞組沖洗頻繁等情況，說(shuō)明銅導(dǎo)線腐蝕較重、沉積物增多。可見(jiàn)，內(nèi)冷水水質(zhì)的好壞將直接影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，對(duì)1 000 MW機(jī)組來(lái)講更應(yīng)引起足夠重視。

2 目前國(guó)內(nèi)采用的內(nèi)冷水處理工藝

2.1 小混床旁路處理工藝

發(fā)電機(jī)廠家配套的內(nèi)冷水處理工藝一般為小混床旁路處理工藝，其原理是取自內(nèi)冷水循環(huán)量的8%～10%通過(guò)小混床旁路處理，除去內(nèi)冷水中的銅離子和其他雜質(zhì)離子，使內(nèi)冷水的電導(dǎo)率和銅離子濃度達(dá)標(biāo)。大部分采用此工藝的內(nèi)冷水系統(tǒng)的電導(dǎo)率低于0.5μs/cm（25℃），銅離子濃度低于10 μg/L處理效果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。但是處理后pH值仍不能達(dá)標(biāo)，銅導(dǎo)線腐蝕的因素依然存在。所以該工藝雖然滿足了發(fā)電機(jī)絕緣要求，但掩蓋了銅腐蝕現(xiàn)象，甚至有可能加速銅的腐蝕。

2.2 微堿化或超凈化內(nèi)冷水處理工藝

該工藝是在小混床技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的內(nèi)冷水處理工藝，改變了小混床的離子交換樹(shù)脂種類(lèi)及其數(shù)量比例，達(dá)到改善處理出水水質(zhì)的目的。在結(jié)構(gòu)上仍屬于混床處理范疇。該工藝能有效提高內(nèi)冷水pH值，出水水質(zhì)決定于小混床中的離子交換樹(shù)脂層態(tài)分布及其數(shù)量比例，不能人為調(diào)控內(nèi)冷水水質(zhì)，所以在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)水質(zhì)是變化的，處理能力受到多種因素的制約，只能用于內(nèi)冷水水質(zhì)較好的機(jī)組。對(duì)于水質(zhì)較差的機(jī)組使用周期短，運(yùn)行操作頻繁，水質(zhì)波動(dòng)大，且使用的離子交換樹(shù)脂不能再生，使用一個(gè)周期后必須更換，運(yùn)行成本高。

2.3 投加銅緩蝕劑工藝

一般小型機(jī)組采用此工藝，其原理是在內(nèi)冷水中投加低劑量的BTA、MBT等銅緩蝕劑。由于銅緩蝕劑的作用，有效阻止了銅線棒的腐蝕，該工藝效果明顯，銅離子濃度和電導(dǎo)率都有一定程度降低，但要穩(wěn)定達(dá)標(biāo)有困難，尤其是pH值仍不能達(dá)標(biāo)，所以運(yùn)行中仍采用不斷換水的方式來(lái)保證電導(dǎo)率和銅離子濃度達(dá)標(biāo)。另外，根據(jù)采用此工藝的發(fā)電機(jī)銅線棒過(guò)水通道沉積物的化學(xué)分析，緩蝕劑BTA與銅離子形成的絡(luò)合物是沉積物的主要成分，說(shuō)明采用投加銅緩蝕劑工藝處理內(nèi)冷水的方法有可能造成內(nèi)冷水通道堵塞。

2.4 加堿處理工藝

采用內(nèi)冷水超凈化裝置，使電導(dǎo)率符合要求，然后在內(nèi)冷水中加入少量易溶堿性物質(zhì)以提高內(nèi)冷水pH值的處理工藝。這種工藝要求加藥泵的穩(wěn)定性非常高，否則會(huì)造成內(nèi)冷水電導(dǎo)率發(fā)生急劇變化。

2.5 以加氨凝結(jié)水作為補(bǔ)充水的處理工藝

這種工藝一般有凝結(jié)水和除鹽水兩路補(bǔ)水，兩路補(bǔ)水量的調(diào)節(jié)靠自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)完成。該工藝盡管把內(nèi)冷水pH值提高到7.2以上，但是凝結(jié)水帶入內(nèi)冷水系統(tǒng)的氨和鐵氧化物等雜質(zhì)將給內(nèi)冷水系統(tǒng)帶來(lái)安全隱患，已有采用此工藝的發(fā)電機(jī)銅線棒內(nèi)冷水通道里發(fā)現(xiàn)有氧化鐵的沉積物。

3 發(fā)電機(jī)定子繞組大面積堵塞事故分析及調(diào)整方法

3.1 事故分析

我國(guó)某電廠1 000 MW機(jī)組投產(chǎn)后，運(yùn)行約半年就發(fā)生了定子繞組銅導(dǎo)線大面積堵塞的嚴(yán)重事故，被迫停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)線棒普遍發(fā)生堵塞現(xiàn)象，部分空心銅導(dǎo)線接近堵死（見(jiàn)圖1）。取樣化驗(yàn)后，其腐蝕產(chǎn)物主要是氧化銅。反沖洗沒(méi)有效果，最后只能進(jìn)行酸洗，歷時(shí)近20天才解決問(wèn)題，損失較嚴(yán)重。

圖1 某電廠1 000MW發(fā)電機(jī)定子線棒出水端腐蝕產(chǎn)物堵塞情況

從該廠運(yùn)行情況看，發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水pH值在7.0左右，電導(dǎo)率在0.08～0.10μs/cm，銅離子在10～25μg/L（該廠控制標(biāo)準(zhǔn):DD（25℃）≤0.5 μs/cm、Cu≤40μg/L、pH（25℃）:7～9、硬度≈0）。廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)為:DD（25℃）≤0.2 μs/cm、Cu≤50μg/L、pH（25℃）:6～8、O2≥1 mg/L、硬度≈0。

從原因上分析，首先，由于在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)冷水pH值過(guò)低（即便是在7左右），仍會(huì)促進(jìn)內(nèi)冷水系統(tǒng)的銅腐蝕，雖然該廠內(nèi)冷水水質(zhì)控制沒(méi)有超出制造廠要求范圍，但在運(yùn)行中也出現(xiàn)了較嚴(yán)重的腐蝕產(chǎn)物堵塞現(xiàn)象，說(shuō)明制造廠提供的內(nèi)冷水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是pH值控制標(biāo)準(zhǔn)不能有效控制腐蝕的發(fā)生及腐恂產(chǎn)物沉積堵塞。其次，電導(dǎo)率的控制并非越低越好，日立公司提出的內(nèi)冷水電導(dǎo)率DD＜0.2μs/cm不利于pH值的調(diào)整，反而會(huì)加速銅線棒的腐蝕，根據(jù)腐蝕產(chǎn)物的成分分析，有銅、鐵及鉻的氧化物，分析說(shuō)明:銅的氧化物來(lái)自于線棒腐蝕。鐵和鉻的氧化物來(lái)自于不銹鋼管道系統(tǒng)的腐蝕，說(shuō)明日立目前控制的pH值6～8偏低。低pH值條件下日立公司提出的溶解氧標(biāo)準(zhǔn)大于1 mg/L是不合適的，在溶解氧低于4 mg/L時(shí)，銅的腐蝕速率仍然較高。最后，在相同pH值下，富氧運(yùn)行方式下的銅的腐蝕速率高于貧氧運(yùn)行方式。在低pH值富氧情況下，空心導(dǎo)線的銅腐蝕產(chǎn)物更容易剝離，如果超過(guò)腐蝕產(chǎn)物的溶解度就會(huì)在溫度較高的出水端（汽機(jī)側(cè)）發(fā)生二次沉積。

3.2 調(diào)整方法

a．調(diào)整內(nèi)冷水pH值由目前的6.0～8.0至8.0～8.5。提高pH值后可有效抑制銅的腐蝕，此范圍內(nèi)氧含量對(duì)銅腐蝕速率的影響較小。

b．電導(dǎo)率的控制值由目前的低于0.5μs/cm改為低于2μs/cm，期望值為1.5～2μs/cm。

c．銅離子含量保持在20μg/L以下，最好控制不超過(guò)10μg/L。銅離子含量是反映銅腐蝕程度的最直接的指標(biāo)，運(yùn)行中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

d．如采用富氧運(yùn)行方式，不應(yīng)加入空氣，防止帶入CO2，應(yīng)向內(nèi)冷水中加入純氧。

e．發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)避免內(nèi)冷水溶解氧含量在60～600μg/L區(qū)間，防止腐蝕過(guò)快發(fā)生銅腐蝕產(chǎn)物脫落及二次沉積。如果富氧運(yùn)行仍難以控制銅離子含量，可考慮采用貧氧運(yùn)行方式（O2＜30μg/L）。

f．采用精處理出水作為發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水的補(bǔ)充水，內(nèi)冷水系統(tǒng)應(yīng)隔離空氣運(yùn)行，防止帶入CO2。

3.3 內(nèi)冷水處理系統(tǒng)改造效果

該電廠根據(jù)專家建議，對(duì)內(nèi)冷水處理裝置進(jìn)行了改造，采用加裝內(nèi)冷水電膜微堿化處理裝置來(lái)優(yōu)化內(nèi)冷水的各項(xiàng)指標(biāo)，投入優(yōu)化裝置后，電導(dǎo)率為0.2～0.5μs/cm，pH值為7.4～8.2，銅離子含量低于10μg/L，一般為6～8μg/L，所有標(biāo)準(zhǔn)均達(dá)到了《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水水質(zhì)及系統(tǒng)要求》（DL/T801—2002）中規(guī)定要求。該機(jī)組運(yùn)行至今效果良好，發(fā)電機(jī)定子繞組未出現(xiàn)任何問(wèn)題。

4 百萬(wàn)等級(jí)機(jī)組內(nèi)冷水處理系統(tǒng)優(yōu)化的必要性

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前已運(yùn)行的1 000 MW機(jī)組對(duì)內(nèi)冷水水質(zhì)的控制并不樂(lè)觀，個(gè)別電廠由于內(nèi)冷水水質(zhì)問(wèn)題造成了定子繞組銅導(dǎo)線大面積堵塞事故，部分電廠也呈現(xiàn)銅導(dǎo)線沉積物增多的趨勢(shì)，給機(jī)組的運(yùn)行帶來(lái)了安全隱患。

這些電廠普遍存在內(nèi)冷水pH值偏低問(wèn)題，一般低于6.8，從而導(dǎo)致銅導(dǎo)線腐蝕因素的存在，銅導(dǎo)線的腐蝕沒(méi)有被阻止。圖2為Cu－H2O體系電位-pH平衡圖，由圖2可見(jiàn)，當(dāng)pH＜6.8時(shí)，Cu－H2O體系中的銅處于鈍化區(qū)，即在中性及弱堿性水溶液中，銅表面能形成致密的氧化亞銅膜，隔斷銅本體與氧氣、水的接觸，阻止銅的進(jìn)一步腐蝕，pH＜6.8時(shí)，Cu－H2O體系中的銅處于腐蝕區(qū)。

針對(duì)內(nèi)冷水pH值較低，長(zhǎng)期不合格問(wèn)題，各電廠都非常重視。如某1 000 MW機(jī)組運(yùn)行不到2年，定子繞組沖洗次數(shù)頻繁呈上升趨勢(shì)，該電廠決定加裝內(nèi)冷水優(yōu)化裝置，目前已完成了初可研。綏中電廠2×1 000 MW機(jī)組處于基建期時(shí)就非常重視內(nèi)冷水處理問(wèn)題，技術(shù)人員針對(duì)廠家生產(chǎn)的內(nèi)冷水處理系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)真分析并和廠家積極探討，認(rèn)為內(nèi)冷水的pH值達(dá)不到7以上，內(nèi)冷水將在低pH值情況下運(yùn)行，腐蝕不能得到抑制，發(fā)電機(jī)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。鑒于此，該廠派技術(shù)人員到外廠進(jìn)行調(diào)研，獲得大量數(shù)據(jù)，并聘請(qǐng)國(guó)內(nèi)知名專家進(jìn)行論證，決定在機(jī)組投產(chǎn)前完成內(nèi)冷水處理裝置的優(yōu)化，以達(dá)到超前預(yù)控的目的。目前2臺(tái)1 000 MW機(jī)組已經(jīng)投產(chǎn)，定子水處理系統(tǒng)改造工作也已經(jīng)完成，各項(xiàng)指標(biāo)均在較好范圍之內(nèi)，運(yùn)行至今發(fā)電機(jī)定子線棒溫升、壓差非常穩(wěn)定，說(shuō)明系統(tǒng)腐蝕情況控制在較低程度。圖3、圖4為2臺(tái)機(jī)組定子水微堿化裝置調(diào)試期間水質(zhì)指標(biāo)的變化趨勢(shì)。

圖2 Cu-H2O體系電位-pH平衡圖

總之，對(duì)于百萬(wàn)等級(jí)發(fā)電機(jī)組，由于參數(shù)高、容量大，對(duì)內(nèi)冷水的水質(zhì)要求也越高，因此重視內(nèi)冷水的水質(zhì)調(diào)節(jié)，保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行安全非常重要。

5 結(jié)論

由于發(fā)電機(jī)廠家隨機(jī)配套的內(nèi)冷水處理工藝已經(jīng)滯后于機(jī)組的發(fā)展水平，尤其是百萬(wàn)等級(jí)機(jī)組，已經(jīng)發(fā)生過(guò)定子繞組大面積堵塞事故，一些電廠存在銅導(dǎo)線沉積物增長(zhǎng)趨勢(shì)。因此，對(duì)于運(yùn)行機(jī)組一定要重視監(jiān)測(cè)、加強(qiáng)監(jiān)督，采取有效手段調(diào)節(jié)內(nèi)冷水水質(zhì)。如果內(nèi)冷水水質(zhì)長(zhǎng)期不合格，尤其pH值長(zhǎng)期偏低，可以考慮增加內(nèi)冷水處理裝置來(lái)調(diào)節(jié)和控制內(nèi)冷水水質(zhì)，使其符合《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水水質(zhì)及系統(tǒng)要求》（DL/T801—2002）中的標(biāo)準(zhǔn)，徹底消除安全隱患。對(duì)于基建期的百萬(wàn)等級(jí)機(jī)組，要對(duì)本機(jī)組的內(nèi)冷水處理系統(tǒng)進(jìn)行分析和論證，如水質(zhì)調(diào)節(jié)困難，存在一定風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)考慮增加內(nèi)冷水處理裝置來(lái)彌補(bǔ)廠家內(nèi)冷水處理工藝的不足，消除發(fā)電機(jī)安全隱患，達(dá)到超前預(yù)控的目的。