核電站300MW機(jī)組發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水水質(zhì)優(yōu)化

沈 君，王今芳，王 森，杜鐵楠

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

發(fā)電機(jī)冷卻水的水質(zhì)會(huì)直接影響發(fā)電機(jī)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。GB／T12145《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》、DL／T561《火力發(fā)電廠水汽化學(xué)監(jiān)督導(dǎo)則》、DL／T801《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求》、DL／T1039《發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水處理導(dǎo)則》等國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都提出來具體的水質(zhì)要求，全國有很多發(fā)電廠因內(nèi)冷水處理工藝不當(dāng)使發(fā)電機(jī)空芯銅導(dǎo)線腐蝕，腐蝕產(chǎn)物又在發(fā)電機(jī)出水的高溫端沉積，使發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水系統(tǒng)熱傳導(dǎo)受阻，水流量下降，甚至引發(fā)空芯銅導(dǎo)線內(nèi)部堵塞，從而造成發(fā)電機(jī)線圈局部溫度升高，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)線圈損壞，影響發(fā)電機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行；由于發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水在40～60℃時(shí)，銅腐蝕速率最低的pH（25℃）值范圍是8.5～9.0，所以要減輕發(fā)電機(jī)銅線棒的腐蝕，應(yīng)盡可能的控制發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水的pH值在弱堿性范圍。秦山300 MWe汽輪發(fā)電機(jī)是我國自主研發(fā)的雙水內(nèi)冷機(jī)組，其工作轉(zhuǎn)速3 000r／min，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子采用獨(dú)立的冷卻水系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子冷卻水系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子水箱、轉(zhuǎn)子冷卻水泵、冷卻器、過濾器以及管道和閥門組成；定子冷卻水系統(tǒng)由定子水箱、定子冷卻水泵、冷卻器、過濾器、離子交換器以及管道和閥門組成。轉(zhuǎn)子冷卻水額定流量35m3／h，轉(zhuǎn)冷水泵設(shè)計(jì)流量45m3／h，出口壓力≤0.4MPa，轉(zhuǎn)冷水箱容積3m3，定子冷卻水額定流量46m3／h，定冷水泵設(shè)計(jì)流量105m3／h，出口壓力≤0.4 MPa，定冷水箱容積5m3。發(fā)電機(jī)自運(yùn)行以來，轉(zhuǎn)子冷卻水的pH值一直偏低，僅維持在國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的控制下限附近，而定子冷卻水的pH值遠(yuǎn)低于控制值。發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)在此環(huán)境中長期運(yùn)行將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)銅導(dǎo)線腐蝕速率的增加，影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。

1 發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況及問題

1.1 轉(zhuǎn)子冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況及存在的問題

秦山300MWe發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子冷卻水由轉(zhuǎn)子的一端進(jìn)入后通過轉(zhuǎn)子線棒，從轉(zhuǎn)子另一端回到轉(zhuǎn)子水箱，在轉(zhuǎn)動(dòng)與靜止的結(jié)合部會(huì)有少量的水甩出，由甩水槽收集后回到轉(zhuǎn)子水箱，甩水槽處的動(dòng)靜密封為聚四氟材料。轉(zhuǎn)子在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在動(dòng)靜密封處產(chǎn)生負(fù)壓，大量的空氣進(jìn)入甩水箱，空氣中氧氣和二氧化碳快速溶入轉(zhuǎn)子冷卻水中。轉(zhuǎn)子水箱雖然定期的添加氨水，但大量溶入的二氧化碳迅速中和了水中的氨，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子冷卻水的pH值下降，引發(fā)設(shè)備的腐蝕。

多年來轉(zhuǎn)子冷卻水系統(tǒng)的水處理方式是采用TTA（甲基苯駢三氮唑）作為緩蝕劑，加氨調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH值，來降低發(fā)電機(jī)銅線棒的腐蝕。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子端部甩水槽結(jié)構(gòu)的原因，pH值的控制較為困難，從歷年來轉(zhuǎn)子冷卻水檢測結(jié)果看，pH（25℃）值約在6.7～7.5范圍內(nèi)：（DL／T801規(guī)定pH控制值為7～9，期望值為8～9），勉強(qiáng)維持在控制下限附近，Cu含量在10～50μg／L之間（見表1），標(biāo)準(zhǔn)控制值要求小于40μg／L，當(dāng)Cu含量大于40μg／L時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行換水處理，這種水質(zhì)控制方式對銅導(dǎo)線的緩蝕效果不理想，不利于保護(hù)系統(tǒng)材料。

用緩蝕劑法處理內(nèi)冷水存在的另一方面的問題是，緩蝕劑和銅離子易發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，在線棒內(nèi)產(chǎn)生沉積，造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線棒的堵塞，近年來大修在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻器、轉(zhuǎn)子進(jìn)水管內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子線棒反沖洗過程中均發(fā)現(xiàn)有許多腐蝕產(chǎn)物沉積現(xiàn)象，如圖1～圖4所示。

表1 2011～2013年期間發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻水水質(zhì)情況

圖1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻器表面附著物

圖2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)水管內(nèi)壁附著物

圖3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線棒內(nèi)附著物

圖4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)水母管管壁上粘了約2mm的一層粘性物體

1.2 定子冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況及存在的問題

秦山300MWe發(fā)電機(jī)組定子冷卻水是從定子線圈和定子壓圈流出的熱水回到定子水箱，水箱上部充有0.01～0.03MPa氮?dú)?，用以隔離冷卻水和氧氣的接觸，減少對銅的腐蝕，其密封性較轉(zhuǎn)子冷卻水系統(tǒng)要好，該系統(tǒng)自運(yùn)行以來一直使用H-OH型旁路小混床對部分冷卻水進(jìn)行凈化處理，處理的流量一般控制在冷卻水流量的5%～10%（通常在8%），系統(tǒng)無除氧裝置，其補(bǔ)水使用的是未除氧除鹽水，冷卻水也沒有進(jìn)行堿化處理。定子冷卻水系統(tǒng)的這種水處理方法和設(shè)備狀況，使得定子冷卻水pH（25℃）長期以來一直在5.7～6.5范圍內(nèi)（DL／T 801—2010《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求》規(guī)定，在沒有除氧的條件下內(nèi)冷水的pH應(yīng)控制在8.0～9.0），含銅量維持在10～25μg／L范圍內(nèi)（見圖5）。超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的期望值（≤20μg／L），說明該方式雖然經(jīng)過旁路處理，但含銅量仍然較高（國內(nèi)許多發(fā)電廠定冷水銅含量控制值僅為＜5μg／L），表明實(shí)際上水對銅的腐蝕依然存在。當(dāng)腐蝕產(chǎn)物銅的氧化物濃度過高時(shí)，在一定條件下，會(huì)從水中析出，沉積在線棒的通流截面上，造成定子線棒的水路堵塞。

圖5 2011～2013年期間定子冷卻水Cu2+含量變化趨勢

2 發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水水質(zhì)優(yōu)化

大量的研究認(rèn)為在含氧且pH低的除鹽水中，銅先與氧發(fā)生反應(yīng)生成氧化亞銅和氧化銅，這些銅的氧化物可以均勻地覆蓋在銅表面上，但其保護(hù)性較差，不能防止基體腐蝕過程的進(jìn)一步發(fā)生。在中性或弱酸性的介質(zhì)中，氧化亞銅和氧化銅會(huì)再與水中的氫離子反應(yīng)產(chǎn)生銅離子，使得有一定保護(hù)作用的Cu2O和CuO膜溶解，從而加速銅的腐蝕。因此，控制內(nèi)冷水的pH值在弱堿性環(huán)境下，是降低發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)腐蝕，減少銅導(dǎo)線堵塞的關(guān)鍵所在。

基于秦山300MW機(jī)組發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)的現(xiàn)狀，如果對設(shè)備進(jìn)行改造相對比較復(fù)雜且不宜實(shí)施；因此要改善發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子冷卻水水質(zhì)，降低系統(tǒng)的銅含量只有通過優(yōu)化內(nèi)冷水處理方法來實(shí)現(xiàn)。

2.1 各種水處理技術(shù)的特點(diǎn)

隨著科技的進(jìn)步以及世界各國發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水處理技術(shù)的不斷改進(jìn)，發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水處理技術(shù)也更加系統(tǒng)、合理和完善，現(xiàn)階段國內(nèi)發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水處理方法有：普通小混床法、鈉型小混床法、緩蝕劑法、加堿+小混床法和智能凈化法等。

（1）普通小混床法

普通小混床法是發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家的配套設(shè)計(jì)，小混床中裝有H型陽樹脂和OH型陰樹脂，處理流量一般為內(nèi)冷水流量的5%～10%，混床出水的pH一般在7.0以下，這時(shí)水對銅的腐蝕非常嚴(yán)重。

（2）鈉型小混床法

將小混床中的部分氫型樹脂改為鈉型樹脂，并將混床中的鈉型樹脂、氫型樹脂和陰樹脂的比例進(jìn)行調(diào)整，從而提高出水的pH，此方法在運(yùn)行過程中，一般pH最高不超過7.8，且隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，冷卻水的pH值會(huì)逐漸下降到7.0左右，無法滿足電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，導(dǎo)致銅線棒的腐蝕速率加快。

（3）緩蝕劑法

向系統(tǒng)中添加緩蝕劑如TTA（甲基苯駢三氮唑）、BTA（苯駢三氮唑）等來降低水對銅的腐蝕，運(yùn)行期間根據(jù)緩蝕劑含量的檢測結(jié)果，定期加藥。此方法在運(yùn)行過程中，pH一般控制在7.2左右。由于緩蝕劑和銅離子易發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，在線棒內(nèi)產(chǎn)生沉積，從而造成發(fā)電機(jī)銅線棒的堵塞，引起溫升。

（4）加堿+小混床法

用一套加堿裝置向系統(tǒng)中加NaOH以提高內(nèi)冷水的pH值，同時(shí)還需投運(yùn)小混床（H+OH）。此方法內(nèi)冷水水質(zhì)可以滿足電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，pH一般控制在8.5左右。日常運(yùn)行時(shí)，需要定期配藥、更換樹脂、維護(hù)加堿系統(tǒng)。

（5）智能凈化法

智能凈化法是將凝結(jié)水精處理出水加藥點(diǎn)前后各引一路水，經(jīng)過計(jì)算機(jī)配比使內(nèi)冷水處于最佳的防腐范圍，即pH達(dá)到8.5左右，此方法內(nèi)冷水水質(zhì)可以滿足電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)還可將內(nèi)冷水接入凝結(jié)水系統(tǒng)建立水質(zhì)處理循環(huán)。

2.2 各種水處理方法技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性比較

通過電廠調(diào)研，對各種內(nèi)冷水水質(zhì)處理方法進(jìn)行相互比較（普通小混床法和緩蝕劑法無法保證內(nèi)冷水水質(zhì)達(dá)到技術(shù)規(guī)范的要求，在此不討論），結(jié)果如下。

（1）從內(nèi)冷水對銅的腐蝕比較，智能凈化法腐蝕速率最小，約為鈉型小混床法的1／100，加堿+小混床法的1／3，詳見表2。

表2 各種發(fā)電機(jī)處理方式技術(shù)指標(biāo)比較

（2）從內(nèi)冷水的含銅量比較，智能凈化法與加堿處理法相當(dāng)，約為鈉型小混床法的1／5。見表2。

（3）從水質(zhì)對 DL／T 801-2010標(biāo)準(zhǔn)的符合性比較，智能凈化法和加堿+小混床法均符合標(biāo)準(zhǔn)的要求；鈉型小混床法不能長期滿足pH的要求。

（4）從運(yùn)行操作的工作量比較，智能處理裝置自動(dòng)補(bǔ)水，無需人工操作；加堿+小混床法需要配藥，啟動(dòng)加藥等操作；鈉型小混床不需操作（除混床切換外）。

（5）從檢修工作量比較，智能凈化法無加藥系統(tǒng)，不投運(yùn)小混床，檢修工作量很少；加堿+小混床法需要檢修加藥泵等設(shè)備，更換樹脂；鈉型小混床法需更換樹脂。

（6）從初投資和運(yùn)行成本比較，智能凈化法10年的費(fèi)用約為30萬元；加堿+小混床法約為35萬，鈉型小混床約為40萬元。

2.3 發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水處理技術(shù)選擇

各種發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水處理方法，從技術(shù)指標(biāo)、運(yùn)行操作、設(shè)備的維護(hù)和檢修、初投資與運(yùn)行成本、現(xiàn)場設(shè)備的布置狀況與二回路系統(tǒng)的運(yùn)行方式等方面綜合評估，秦山300WM發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)選用智能凈化法來改善系統(tǒng)水質(zhì)。

3 發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)增設(shè)智能處理裝置

智能處理裝置是一個(gè)采用計(jì)算機(jī)調(diào)配水質(zhì)并能實(shí)現(xiàn)水質(zhì)在線監(jiān)測功能的儀表控制裝置，其基本原理是：通過對加藥點(diǎn)前、后兩路水源的自動(dòng)調(diào)配，始終維持補(bǔ)水的pH值在一定范圍內(nèi)，并能夠向發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水系統(tǒng)提供連續(xù)補(bǔ)水，使得發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)水質(zhì)控制在最佳防腐范圍內(nèi)。本次系統(tǒng)改造將分別在發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子冷卻水系統(tǒng)增設(shè)一臺智能處理裝置。

3.2 發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水工藝系統(tǒng)優(yōu)化

發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子冷卻水系統(tǒng)的補(bǔ)水從凝結(jié)水精處理出水母管加乙醇胺點(diǎn)前、后各引一路水，分別到定子和轉(zhuǎn)子冷卻水兩臺處理裝置控制柜。由于轉(zhuǎn)子冷卻水系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)（空氣進(jìn)入較多）以及二回路系統(tǒng)加藥量限制等原因，無法將轉(zhuǎn)子冷卻水pH值控制在8.0以上，因此在轉(zhuǎn)子冷卻水智能凈化裝置加藥管線上增設(shè)了一路乙醇胺濃藥加藥管線用以提高轉(zhuǎn)子冷卻水系統(tǒng)的加藥量。系統(tǒng)補(bǔ)水母管加裝電動(dòng)球閥，當(dāng)補(bǔ)水水質(zhì)不合格（例如電導(dǎo)率超過設(shè)定值，凝汽器泄漏）時(shí)，補(bǔ)水自動(dòng)關(guān)閉（此時(shí)如需補(bǔ)水，可從原除鹽水補(bǔ)水管線補(bǔ)入）。待水質(zhì)合格后自動(dòng)打開，正常補(bǔ)水。定、轉(zhuǎn)子水箱通過高位溢流的方式排水至給泵軸封回水箱，也就是說定／轉(zhuǎn)子水箱水位高過設(shè)定值后，水箱水通過溢流管，將水排出，使其水位穩(wěn)定。溢流水再通過給泵軸封回水箱進(jìn)入凝汽器，最終經(jīng)過凝結(jié)水精處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)凈化處理，如圖6所示。

系統(tǒng)改造后內(nèi)冷水系統(tǒng)采用連續(xù)補(bǔ)水的方式運(yùn)行，轉(zhuǎn)子冷卻水補(bǔ)水流量約為6t／h；定子冷卻水補(bǔ)水流量約為500L／h。定子冷卻水系統(tǒng)原設(shè)計(jì)使用的小混床及氮?dú)庀到y(tǒng)不再投入運(yùn)行，作為備用。轉(zhuǎn)子冷卻水不再人工添加緩蝕劑處理。

4 智能凈化法運(yùn)行效果評價(jià)

發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)增設(shè)智能處理裝置后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，從內(nèi)冷水水質(zhì)檢測結(jié)果和系統(tǒng)運(yùn)行狀況分析，其應(yīng)用成效表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）提高了發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水pH，減緩了系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕

圖6 發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水系統(tǒng)改造示意圖

智能處理裝置投入系統(tǒng)運(yùn)行后，定、轉(zhuǎn)子冷卻水水質(zhì)得到了進(jìn)一步優(yōu)化，見表3。

表3 智能處理裝置投運(yùn)后發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水水質(zhì)變化情況

表3中發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水檢測結(jié)果表明：系統(tǒng)改造后，提高了定、轉(zhuǎn)子冷卻水的pH值，其銅離子含量大幅度下降，各項(xiàng)水質(zhì)檢測結(jié)果均達(dá)到了DL／T 801-2010標(biāo)準(zhǔn)的要求，發(fā)電機(jī)冷卻水水質(zhì)得到了明顯的改善。該方法的應(yīng)用為減輕定＼轉(zhuǎn)子線棒的腐蝕、避免銅線棒內(nèi)腐蝕產(chǎn)物沉積和堵塞營造了良好的水化學(xué)環(huán)境，提高了發(fā)電設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。

（2）減輕了運(yùn)行人員及分析人員的工作量

智能處理裝置投運(yùn)后，能自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的補(bǔ)水流量，無需人工操作、換水和更換樹脂，平時(shí)只需要巡檢，與系統(tǒng)改造前相比大大簡化了運(yùn)行操作，減輕了運(yùn)行人員的工作量，如圖7、表4所示。

圖7 轉(zhuǎn)子冷卻水系統(tǒng)改造前、后運(yùn)行人員現(xiàn)場操作頻度

表4 定子冷卻水系統(tǒng)改造前、后運(yùn)行操作

此外，該裝置還設(shè)置了系統(tǒng)補(bǔ)給水的在線檢測儀表（電導(dǎo)率表、pH表），實(shí)現(xiàn)了內(nèi)冷水部分參數(shù)的在線檢測。根據(jù)國內(nèi)多家發(fā)電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，可進(jìn)一步優(yōu)化內(nèi)冷水水質(zhì)檢測頻度。同時(shí)，轉(zhuǎn)子冷卻水無需再進(jìn)行人工加藥，進(jìn)一步減輕了分析人員的工作量，見表5。

表5 改造前、后內(nèi)冷水水質(zhì)檢測項(xiàng)目及頻度

（3）降低了運(yùn)行成本、促進(jìn)了電廠的節(jié)能減排

智能凈化法在運(yùn)行過程中能連續(xù)將定、轉(zhuǎn)子水箱的部分水通過給泵軸封回水箱接入凝汽器，再通過凝結(jié)水精處理系統(tǒng)進(jìn)行水質(zhì)凈化，使得定、轉(zhuǎn)子水箱的排水得到了回收利用，降低了水耗；此外，系統(tǒng)增設(shè)智能處理裝置后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻水不再添加緩蝕劑，定子冷卻水原設(shè)計(jì)凈化水質(zhì)的離子交換器也不再投入運(yùn)行，進(jìn)一步降低了運(yùn)行成本，對電廠的節(jié)能減排也做出了一定的貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語

秦山300MW發(fā)電機(jī)雙水內(nèi)冷機(jī)組，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)及內(nèi)冷水處理方式存在缺陷等原因，幾十年來發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水無法達(dá)到國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，使得定＼轉(zhuǎn)子線棒存在腐蝕、沉積現(xiàn)象。

通過本次發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水處理系統(tǒng)的改進(jìn)，提高了進(jìn)入定子和轉(zhuǎn)子冷卻水的pH，發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水的銅含量明顯降低，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，從根本上減輕了定＼轉(zhuǎn)子線棒的腐蝕，對保障發(fā)電機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行有著不可估量的作用。