神頭二電廠內(nèi)冷水處理系統(tǒng)問題分析及應(yīng)對措施

韓建偉

（神華國能集團神頭第二電廠發(fā)電部，山西 朔州 036011）

1 發(fā)電機內(nèi)冷水系統(tǒng)概述

發(fā)電廠大型發(fā)電機組的冷卻方式有“水-氫-氫”“水-水-氫”和“水-水-空”3種。我國汽輪發(fā)電機組廣泛應(yīng)用“水-氫-氫”的冷卻方式，即發(fā)電機定子繞組采用水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子采用氫內(nèi)冷，定子鐵芯及線圈端部采用氫冷。

定子冷卻水一般簡稱內(nèi)冷水，它主要用于大型發(fā)電機導(dǎo)線內(nèi)部的冷卻，為保證電廠發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行，要求定子冷卻水有良好的絕緣性能，發(fā)電機導(dǎo)線內(nèi)部水的流通截面很小，因此要求水中無機械雜質(zhì)，不允許出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，整個系統(tǒng)不應(yīng)有腐蝕現(xiàn)象，也不應(yīng)有產(chǎn)生沉淀物的雜質(zhì)離子。鑒于對內(nèi)冷水水質(zhì)的質(zhì)量要求，在發(fā)電站內(nèi)涉及電機和化學(xué)兩個專業(yè)，電機專業(yè)從內(nèi)冷水系統(tǒng)的冷卻效果、絕緣性能及系統(tǒng)流通等情況提出對內(nèi)冷水水質(zhì)的指標(biāo)要求，而電廠化學(xué)專業(yè)要控制內(nèi)冷水水質(zhì)既能滿足電機專業(yè)要求又要防止系統(tǒng)結(jié)垢和腐蝕，以滿足發(fā)電機的有關(guān)要求，保證機組的長期安全穩(wěn)定運行。

用于發(fā)電機內(nèi)冷水的水源選擇及水質(zhì)處理裝置，國內(nèi)機組配置不盡相同，大機組一般采用除鹽水或凝結(jié)水作為水源，并配置一套離子交換系統(tǒng)對內(nèi)冷水進(jìn)行水質(zhì)處理。從實際運行情況看，內(nèi)冷水進(jìn)行離子交換雖然可以滿足發(fā)電機絕緣性能要求，但整個內(nèi)冷水系統(tǒng)的腐蝕問題卻沒有得到有效控制和解決，含銅量超標(biāo)，pH值偏低，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 內(nèi)冷水腐蝕原理

在Cu-H2O體系中發(fā)生的氧化還原反應(yīng)：

由反應(yīng)式（1）可以看出，影響銅在水中腐蝕的主要原因是水中的溶氧含量大小和pH值高低，降低定冷水中的溶氧含量或者提高定冷水的pH值都可以使化學(xué)反應(yīng)（1）的平衡向左移動，也就是說，pH值升高或氧量減少都能夠有效抑制發(fā)電機銅線棒在定冷水中的腐蝕。經(jīng)過試驗證明，當(dāng)溶解氧濃度小于100 μg/L時，銅腐蝕速度與溶解氧濃度幾乎成線性關(guān)系，溶解氧濃度越高，銅腐蝕速度越大。結(jié)合實際生產(chǎn)條件，新的標(biāo)準(zhǔn)《大型發(fā)電機定冷水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求》（DL/T801—2002）規(guī)定內(nèi)冷水的溶解氧濃度小于30 μg/L，以降低銅線棒的腐蝕速度。

當(dāng)pH＞6.8時，銅處于鈍化區(qū)。所以在定冷水系統(tǒng)中，應(yīng)控制定冷水的pH＞7.0，則可有效控制發(fā)電機銅線棒在定冷水中的腐蝕。基于上述反應(yīng)機理，發(fā)電機內(nèi)冷水處理裝置最好是使用真空除氧和離子交換方法調(diào)節(jié)pH值，控制內(nèi)冷水中的溶解氧的含量，使定冷水的溶解氧濃度＜30 μg/L，pH＞7.0，以抑制發(fā)電機銅線棒腐蝕。當(dāng)pH值在8.0～8.5之間時，鈍化效果最好，可降低定冷水中的銅離子含量，減少腐蝕，控制定冷水電導(dǎo)率，使發(fā)電機定冷水水質(zhì)全部達(dá)到《大型發(fā)電機定冷水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，保證發(fā)電機組安全可靠運行。

3 內(nèi)冷水處理系統(tǒng)調(diào)控方法

3.1 內(nèi)冷水pH調(diào)整

在內(nèi)冷水系統(tǒng)中單獨加入NaOH，單純地提高pH值，可以將內(nèi)冷水由微酸性調(diào)整成微堿性，也能起到控制銅導(dǎo)線腐蝕的作用。此工藝直接將NaOH配制成0.1%稀溶液，利用微型電磁計量泵注入內(nèi)冷水系統(tǒng)，控制指標(biāo)內(nèi)冷水導(dǎo)電度≤1.5 μs/cm，pH＞7.0.這種調(diào)控方式可將內(nèi)冷水銅含量控制在40 μg/L以下。由于系統(tǒng)嚴(yán)密性差，需經(jīng)常補充藥液，實際運行中存在調(diào)控手段落后，電導(dǎo)率一直偏高，同時運行人員調(diào)整工作量大，水質(zhì)穩(wěn)定性差，對發(fā)電機的安全運行十分不利。

3.2 氧量調(diào)節(jié)

內(nèi)冷水中溶解氧是銅導(dǎo)線發(fā)生腐蝕的原因之一，水中溶解氧對銅導(dǎo)線的腐蝕有兩方面作用。一般情況下，由于溶解氧的存在，會導(dǎo)致銅導(dǎo)線發(fā)生氧化反應(yīng)造成腐蝕。但是在一定條件下，溶解氧與銅發(fā)生反應(yīng)生成的氧化物可以在銅表面形成一層保護(hù)膜，能阻止銅的進(jìn)一步腐蝕。因此，除去內(nèi)冷水中的溶解氧和在一定條件下控制溶解氧含量都能防止銅的腐蝕。

4 采取的控制腐蝕措施

由于內(nèi)冷水水質(zhì)腐蝕問題造成的發(fā)電機損壞的事件在國內(nèi)屢次出現(xiàn)，首先水質(zhì)出現(xiàn)問題造成銅導(dǎo)線腐蝕，腐蝕之后會進(jìn)一步造成水質(zhì)不合格，兩個問題同時存在，但歸結(jié)起來主要還是水質(zhì)問題。銅導(dǎo)線因水質(zhì)調(diào)整不好產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，使內(nèi)冷水導(dǎo)電度增大，腐蝕產(chǎn)物又會造成發(fā)電機線圈堵塞系統(tǒng)等問題，危及發(fā)電機安全。國內(nèi)有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對內(nèi)冷水的pH值、電導(dǎo)率和銅離子濃度作出規(guī)定，其中，pH值和銅離子濃度指標(biāo)控制系統(tǒng)銅導(dǎo)線的腐蝕速率，電導(dǎo)率指標(biāo)控制發(fā)電機的絕緣，三個指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)、相互制約。目前，國內(nèi)內(nèi)冷水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為：導(dǎo)電度≤2.0 μs/cm，pH=7.0～9.0，硬度≤2 μmol/L，銅含量≤40 μg/L，調(diào)節(jié)防腐處理方法主要有以下幾種，其主要是降低內(nèi)冷水中銅等雜質(zhì)的含量，提高內(nèi)冷水的pH值，防止內(nèi)冷水銅導(dǎo)線腐蝕，以確保發(fā)電機安全穩(wěn)定運行。

5 內(nèi)冷水處理方法簡介

神頭二電廠#1、#2機組1992年投產(chǎn)，當(dāng)時國內(nèi)大機組較少，行業(yè)內(nèi)冷水水質(zhì)指標(biāo)較低，人們沒有充分認(rèn)識到內(nèi)冷水水質(zhì)的重要性，因此只設(shè)計用溢流排水法，保證導(dǎo)電度合格即可，腐蝕問題考慮的較少。二期#3、#4機組2005年7月全部投產(chǎn)，投產(chǎn)時沒有安裝內(nèi)冷水處理裝置，內(nèi)冷水系統(tǒng)同樣是以化學(xué)除鹽水作為內(nèi)冷水，同時向系統(tǒng)內(nèi)補充一部分加氨以后的凝結(jié)水的方式來提高pH值。但是#3、#4機組預(yù)留接口準(zhǔn)備加裝內(nèi)冷水處理裝置，并于2008年12月加裝了#4機內(nèi)冷水處理裝置，運行正常后，#3機組于2009年8月也加裝了一套內(nèi)冷水處理裝置，目前運行正常。

目前，神頭二電廠4臺機組內(nèi)冷水處理方法分別是#1機組溢流排水法、#2機組氫型鈉型床處理法、#3、#4機小混床+NaOH處理法。

6 內(nèi)冷水處理系統(tǒng)運行狀況及問題分析

6.1 #1機組溢流排水法

神頭二電廠#1機組內(nèi)冷水系統(tǒng)最初沒有進(jìn)行任何處理，隨著認(rèn)識的提高，逐步采取防止銅導(dǎo)線腐蝕的方法，于是就采取提高內(nèi)冷水pH值的方法來有效防止銅導(dǎo)線的腐蝕。于是我們就汲取國內(nèi)較多電廠廣泛采用的將pH值較高、溶解氧較低及含NH3的凝結(jié)水作內(nèi)冷水調(diào)節(jié)水源，也就是內(nèi)冷水采用連續(xù)補入除鹽水，用凝結(jié)水來調(diào)節(jié)，使pH＞7.0，并維持溢流，控制內(nèi)冷水導(dǎo)電度≤2.0μs/cm。

該方法簡單易行，但只控制導(dǎo)電度，pH值沒有提高，內(nèi)冷水銅離子含量經(jīng)常超標(biāo)，連續(xù)補水造成水資源的嚴(yán)重浪費，用凝結(jié)水作補充水是為了調(diào)節(jié)pH＞7.0.在實際運行中，由于凝結(jié)水的pH值一般在8.8～9.3之間，電導(dǎo)率在5～10 μs/cm之間，且目前本廠#1機組凝汽器服役時間已經(jīng)很長，經(jīng)常出現(xiàn)凝汽器泄漏現(xiàn)象。凝汽器泄漏會污染內(nèi)冷水水質(zhì)，使凝結(jié)水導(dǎo)電度增大，有時還有硬度，同時凝結(jié)水中的NH3與銅將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會極大地威脅內(nèi)冷水系統(tǒng)的安全性。

作為內(nèi)冷水系統(tǒng)水質(zhì)調(diào)控和銅導(dǎo)線防腐措施，此方法不符合安全性評價要求，安全專家已經(jīng)提出整改意見。

6.2 #2機組氫型鈉型床處理法

#2機組定子冷卻水處理系統(tǒng)是一個NaOH型床作為陽離子交換器，出水再進(jìn)入氫氧型陰離子交換器。#2機定子冷卻水裝置內(nèi)部樹脂可以使用普通的國產(chǎn)離子交換樹脂，再生液使用HCl、NaCl、NaOH。氫型床和鈉型床配合使用可合理調(diào)節(jié)內(nèi)冷水的pH值，降低系統(tǒng)銅腐蝕，將兩個陽床樹脂合理配比，根據(jù)現(xiàn)場水質(zhì)需要適時增加鈉型樹脂用量，對內(nèi)冷水進(jìn)行微堿性處理以提高內(nèi)冷水的pH值。

目前，本廠#2機組定子冷卻水應(yīng)用此裝置，但是本廠定冷水箱沒有設(shè)計在線液位計，所以必須采用溢流方式控制液位。內(nèi)冷水裝置鈉床交換出來的鈉離子和陰床交換出的氫氧根離子，理論上提高了系統(tǒng)pH值，但#2機組定子冷卻水箱是靠溢流來保證液位，也就是說，為了保證安全定子冷卻水箱一直處于溢流狀態(tài)，這樣交換出來的陰陽離子被補充的純凈除鹽水稀釋，因此系統(tǒng)的pH值無法保證。之后本廠在交換器后面增設(shè)了加氫氧化鈉系統(tǒng)來調(diào)節(jié)pH值，但是由于現(xiàn)場沒有設(shè)計表計，原來交換器設(shè)計容量也沒有考慮加堿系統(tǒng)，也沒有設(shè)計沖洗系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)投運時pH值、電導(dǎo)率嚴(yán)重超標(biāo)，威脅發(fā)電機安全運行，因此此系統(tǒng)一直處于停運狀態(tài)，目前仍然采取傳統(tǒng)加凝結(jié)水來調(diào)節(jié)pH值，防止銅導(dǎo)線腐蝕。

6.3 #3、#4機小混床+NaOH處理法

山西神頭二電廠#3、#4臺機組均為捷克生產(chǎn)的水氫氫型汽輪發(fā)電機。定子冷卻水系統(tǒng)冷卻水最大流量為63 t/h，水容積7.5～8.0 m3。內(nèi)冷水系統(tǒng)設(shè)計有小旁路混床處理系統(tǒng)，將2～3 t/h的內(nèi)冷水通過裝有陰陽樹脂的混合離子交換器，以除去內(nèi)冷水中各種陰陽離子，達(dá)到凈化內(nèi)冷水水質(zhì)的目的。#3、#4機內(nèi)冷水處理裝置采用華北電科院設(shè)計的NLS-01型處理裝置，它是由混合離子交換器（直徑為500 mm）和通過變頻泵加氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值組成，同時為了保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)正常工作，就地控制柜上安裝了在線電導(dǎo)表和pH表，用來測量交換器入口、出口電導(dǎo)表和pH表，通過電導(dǎo)率的變化來自動調(diào)節(jié)泵的輸出功率。NLS-01型處理裝置和管道連接均采用不銹鋼；為了防止小混床內(nèi)部樹脂進(jìn)入發(fā)電機冷卻水系統(tǒng)，造成發(fā)電機冷卻水系統(tǒng)污堵，所以在小混床上部出口處安裝樹脂捕捉器（材質(zhì)為不銹鋼繞絲筒）；小混床內(nèi)部裝填進(jìn)口并經(jīng)過特殊處理的混合好的離子交換樹脂，一臺樹脂裝填量約0.25 m3，小混床最大處理水量為9 t/h左右，運行流量為2 t/h，占系統(tǒng)總流量的4%左右，交換樹脂是混合好的交換樹脂。NLS-01發(fā)電機內(nèi)冷水處理優(yōu)化裝置控制系統(tǒng)采用西門子simatic S7－200型CPU224可編程控制器，EM235型輸入/輸出模塊，觸摸屏為富士公司UG221H-SR4型，加堿泵為Prominent Gamma/L電磁計量泵。投運初期先采用手動間斷加堿方式，以摸索加堿后的主、支路水質(zhì)變化規(guī)律，然后根據(jù)此結(jié)果調(diào)整控制程序，再試投自動加堿功能直至系統(tǒng)能安全、穩(wěn)定地運行。

控制目標(biāo)：控制主路內(nèi)冷水電導(dǎo)率在1.4 μs/cm以下，pH=7.5～9.0，支路內(nèi)冷水電導(dǎo)率在1.4 μs/cm以下。

投入自動前應(yīng)做如下檢查：①控制參數(shù)（在觸摸屏的設(shè)置頁進(jìn)行）設(shè)定值：1.0 μs/cm；比例值：1.0；采樣時間：4 min；積分值：4 min；微分值：0 min；②電磁計量泵的狀態(tài)。

電磁計量泵經(jīng)常出現(xiàn)不出力的問題，首先是由于經(jīng)常由入口管道進(jìn)氣，或者堿液出現(xiàn)抽空造成的；其次，導(dǎo)電度指示出現(xiàn)問題一直大流量加藥，造成系統(tǒng)pH超標(biāo)，因此需要運行人員巡檢要及時，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。目前，本廠通過加強運行管理，電導(dǎo)率在線投入率較高，暫時能夠滿足系統(tǒng)需求。

7 結(jié)論與建議

#3、#4機組采用的NLS-01型內(nèi)冷水處理裝置，能夠?qū)?nèi)冷水內(nèi)部的大部分陰陽離子去除，把內(nèi)冷水導(dǎo)電度降到≤0.2 μs/cm以下，內(nèi)冷水中銅離子與交換樹脂活性基團進(jìn)行交換，使得發(fā)電機定子冷卻水中的含銅量得到有效控制?？墒嵌ㄗ永鋮s水的補水一般都是除鹽水，本廠也不例外，而除鹽水的pH都偏低，雖然我們利用小混床進(jìn)行了離子交換，可是pH值依然偏低，因此在對定子內(nèi)冷水進(jìn)行小混床處理的同時，再加入優(yōu)級純的稀氫氧化鈉溶液（一般我們將氫氧化鈉稀釋100倍），目的是提高定子冷卻水的pH值，從而達(dá)到控制內(nèi)冷水水質(zhì)指標(biāo)的目的。稀NaOH用加藥泵注入內(nèi)冷水系統(tǒng)，這種處理方式從提高內(nèi)冷水pH值、抑制內(nèi)冷水銅系統(tǒng)腐蝕方面講是合適的，但加入稀NaOH溶液后，又出現(xiàn)了內(nèi)冷水的導(dǎo)電度升高的新問題。我們經(jīng)過反復(fù)試驗，平衡將電導(dǎo)率控制在1.4 μs/cm以下，pH=7.5～9.0，從調(diào)試運行至今運行很平穩(wěn)，銅含量一直控制在3～5 μg/L范圍內(nèi)，比#1、#2機內(nèi)冷水系統(tǒng)運行得好。因此建議#1、#2機內(nèi)冷水系統(tǒng)仿照#3、#4機內(nèi)冷水系統(tǒng)進(jìn)行改造。

發(fā)電機定冷水的pH值、電導(dǎo)率兩個控制指標(biāo)的執(zhí)行是相互制約的。在pH≤9.0的條件下，適當(dāng)往大調(diào)節(jié)pH值，有利于抑制發(fā)電機定子銅線棒的腐蝕，降低定冷水中的銅離子濃度。但是當(dāng)pH≥7.0時，隨著定冷水pH值的提高，其電導(dǎo)率也相應(yīng)提高，發(fā)電機對地絕緣性能變差。因此，這兩個指標(biāo)的控制原則是在保證發(fā)電機銅線棒較低腐蝕率的前提下，控制適當(dāng)?shù)膒H值，維持較低的定冷水電導(dǎo)率值，以保證發(fā)電機的安全運行。鑒于定冷水pH值控制在7.0～9.0時，Cu2+濃度可控制在5～10 μg/L，已達(dá)到非常良好的發(fā)電機銅線棒防腐蝕效果。而進(jìn)一步提高定冷水pH值時，則電導(dǎo)率也隨著增大。綜合考慮各種因素，建議控制定冷水pH期望值在8.0～8.5之間，電導(dǎo)率＜1.0 μs/cm。

#3、#4機內(nèi)冷水處理裝置連續(xù)運行期間，雖然本廠采用在內(nèi)冷水箱溢流管出口有水封裝置，但是內(nèi)冷水溶解氧基本保持在500 μg/L以上，主要原因首先是水封不能完全密封溶解氧，溶解氧可以通過水封進(jìn)入內(nèi)冷水系統(tǒng)，建議內(nèi)冷水箱頂部裝設(shè)氣囊連續(xù)充入氮氣，可降低部分溶解氧。其次，內(nèi)冷水箱液位計原設(shè)計有低位補水聯(lián)動，當(dāng)水位至低液位時，除鹽水補水閥自動打開，但是內(nèi)冷水箱沒有設(shè)計高液位自動關(guān)閉除鹽水補水閥，除鹽補水閥一直處于打開位置，除鹽水一直處于補水狀態(tài)，而除鹽水中的溶解氧含量特別高，這樣既浪費大量除鹽水，也增加了溶氧量，因此建議在內(nèi)冷水箱液位計上增設(shè)高液位保護(hù)裝置，當(dāng)達(dá)到高液位時自動關(guān)閉除鹽水補水閥。

#3、#4機內(nèi)冷水小混床已經(jīng)運行4年左右，樹脂已經(jīng)接近失效，建議利用大小修機會更換樹脂。

#3、#4機內(nèi)冷水裝置pH表電極已經(jīng)老化，指示偏差大，需要更換。