核電裝置定子冷卻水系統(tǒng)改進(jìn)

柏樂(lè)，鄭彬

（海南核電有限公司，?？?70125）

核電裝置定子冷卻水系統(tǒng)改進(jìn)

柏樂(lè)，鄭彬

（海南核電有限公司，海口570125）

海南核電發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)在調(diào)試期間，定子冷卻水銅含量超過(guò)國(guó)標(biāo)要求。通過(guò)對(duì)定子冷卻水銅含量高的原因進(jìn)行分析，采用增加堿化裝置的方法，提高定子冷卻水pH，使銅含量滿足規(guī)范要求，避免發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)腐蝕，保障發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

定子冷卻水；銅腐蝕；堿化控制

0 前言

海南核電發(fā)電機(jī)組采用“水-氫-氫”冷卻方式，在1號(hào)機(jī)組調(diào)試期間，多次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)定子冷卻水銅含量超過(guò)運(yùn)行控制限值，說(shuō)明當(dāng)前系統(tǒng)水質(zhì)條件對(duì)定子繞組銅線圈產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕。雖然定子冷卻水系統(tǒng)設(shè)有H/OH型混床以凈化水質(zhì)，但無(wú)法從根本上避免銅腐蝕的發(fā)生。參考國(guó)內(nèi)其他電站定子冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，銅腐蝕產(chǎn)物的沉積，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子流量下降以及定子進(jìn)出口壓差逐漸增大等異常情況，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行[1]。

1 影響定子冷卻水系統(tǒng)銅腐蝕的因素

圖1 pH值與銅的腐蝕速率關(guān)系曲線

（1）pH值。pH值影響銅的電極電位，是控制銅腐蝕的最關(guān)鍵因素。當(dāng)pH＜6.9時(shí)，銅的腐蝕速率非常高，形成的腐蝕產(chǎn)物（銅的氧化物）溶解在水中，很難形成穩(wěn)定的氧化膜。當(dāng)pH值在7～9之間時(shí)，銅腐蝕速率明顯降低，銅表面可形成穩(wěn)定氧化膜，在水中溶解度很低[2]。當(dāng)pH＞9時(shí)，銅腐蝕速率明顯增加，氧化膜溶解度開(kāi)始增加。pH值與銅腐蝕速率的關(guān)系見(jiàn)圖1。

（2）CO2。如果有空氣進(jìn)入，在CO2的影響下，定子冷卻水pH值將降低。定子冷卻水補(bǔ)充水pH值在6～7之間，若有空氣進(jìn)入，定子冷卻水pH偏向酸性。根據(jù)pH對(duì)銅腐蝕的影響，此時(shí)銅腐蝕率很高，溶液中銅含量隨之增加。CO2與氧聯(lián)合作用，在銅表面形成堿式碳酸銅，因其松軟易被水流沖刷掉，導(dǎo)致銅腐蝕不斷增加。

（3）溶解氧。當(dāng)溶解氧濃度很低時(shí)，銅腐蝕速率較低，隨著氧濃度的增加，銅腐蝕速率升高；當(dāng)氧含量增加到一定值時(shí)，銅腐蝕速率會(huì)達(dá)到最大，之后隨溶解氧含量的升高銅腐蝕速率會(huì)逐漸降低。有關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果顯示，當(dāng)氧濃度為200～300 μg/L時(shí)，銅的腐蝕率最大。而且氧對(duì)銅的腐蝕與pH值有很大關(guān)系，在酸性、中性水條件下銅腐蝕速率很高，在堿性條件下（pH值8～9）銅腐蝕速率很低[3]。銅的腐蝕速率與pH值、溶解氧含量關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 銅的腐蝕速率與pH值、溶解氧含量關(guān)系曲線

2 發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)

海南核電1號(hào)機(jī)組調(diào)試期間，定子冷卻水銅含量長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)國(guó)標(biāo)規(guī)范，對(duì)定子冷卻水pH值和銅含量在30天內(nèi)連續(xù)跟蹤分析，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3、圖4。從圖中可以看出，定子冷卻水pH值在6.35～6.6之間，銅含量最高近8×10-8（80 ppb）。經(jīng)3次換水后，定子冷卻水銅含量明顯降低，但停止換水后，銅含量逐漸升高至超過(guò)國(guó)標(biāo)控制值，只有通過(guò)不斷換水才能降低銅含量。

根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果和銅腐蝕影響因素分析，定子冷卻水pH呈弱酸性，會(huì)促進(jìn)系統(tǒng)金屬銅腐蝕的發(fā)生，導(dǎo)致水中銅含量超出國(guó)標(biāo)控制規(guī)范。因此，為降低定子冷卻水銅含量，必須抑制定子繞組銅線圈的腐蝕，避免出現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子冷卻通道堵塞、流量下降、線棒溫度上升等嚴(yán)重后果。

圖3 定子冷卻水pH值

3 發(fā)電機(jī)定子冷卻水水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)

（1）水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)。DL/T801—2002《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水及其系統(tǒng)技術(shù)要求》發(fā)布以來(lái)，國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口大容量機(jī)組新增較多，積累了大量的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行中發(fā)生的多種事故直接與內(nèi)冷水相關(guān)，原標(biāo)準(zhǔn)已明顯不能滿足迅速發(fā)展的要求，國(guó)家電力行業(yè)對(duì)大型發(fā)電機(jī)定子內(nèi)冷水水質(zhì)已作出嚴(yán)格要求，并發(fā)布了《DLT_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》，廠內(nèi)發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)控制的設(shè)計(jì)已明顯不能滿足最新國(guó)標(biāo)的要求，而且定子冷卻水水質(zhì)控制不規(guī)范會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)銅腐蝕，嚴(yán)重時(shí)影響發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）水質(zhì)控制思路。通過(guò)對(duì)銅腐蝕的影響因素和定冷水水質(zhì)情況的分析，提高pH是最急需解決的問(wèn)題。根據(jù)國(guó)標(biāo)（表1）的要求，內(nèi)冷水pH控制值在8～9之間時(shí)，將不考慮水中的氧含量，銅線棒腐蝕速率將大大降低，可很好的抑制銅腐蝕的發(fā)生。據(jù)此，重新制定定子冷卻水水質(zhì)規(guī)范（表2），并按此要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

圖4 定子冷卻水Cu含量

表1 發(fā)電機(jī)定子冷卻水控制標(biāo)準(zhǔn)

表2 海南核電發(fā)電機(jī)定子冷卻水控制規(guī)范

4 發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水優(yōu)化改進(jìn)

4.1 提高定子冷卻水pH值的方法

（1）采用凝結(jié)水作為補(bǔ)充水。海南核電凝結(jié)水采用添加氨的方式進(jìn)行水質(zhì)pH值控制，控制凝結(jié)水pH值9.4～10，電導(dǎo)率10～18 us/cm。雖然采用凝結(jié)水作為GST補(bǔ)充水不需額外增加加藥裝置，但是凝結(jié)水電導(dǎo)率太高，若補(bǔ)充水流量調(diào)節(jié)不當(dāng)，造成定子冷卻水電導(dǎo)率＞5 us/cm，引起報(bào)警，不利于發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行。當(dāng)電導(dǎo)率高時(shí)，調(diào)節(jié)凈化床流量，而凈化除掉NH4+后電導(dǎo)率降低，但是pH值也同樣降低，GST水質(zhì)控制不穩(wěn)定。并且引入的NH4+可能會(huì)與銅離子進(jìn)行絡(luò)合反應(yīng)，加快銅的腐蝕，故此方法不合適。

（2）采用Na型混床運(yùn)行方式。發(fā)電機(jī)定子冷卻水設(shè)計(jì)有混床以凈化水質(zhì)，降低電導(dǎo)率。混床設(shè)計(jì)采用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿混合型樹(shù)脂，運(yùn)行時(shí)出水為中性，pH值7左右。若采用鈉型混床進(jìn)行處理后，可控制pH值為8～9。但是當(dāng)補(bǔ)充水質(zhì)較差或定子冷卻水硬度較高時(shí)，會(huì)造成pH值和電導(dǎo)率快速上升，威脅發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行，并且在運(yùn)行期間需要根據(jù)電導(dǎo)率、pH值適時(shí)調(diào)整混床流量。由于存在安全風(fēng)險(xiǎn)，沒(méi)有采用該方法。

（3）RNa+ROH和RH+ROH的雙套小混床處理方式。通過(guò)技術(shù)改造，在原系統(tǒng)增加1套R(shí)Na+ROH混床，與原RH+ROH混床并列存在。當(dāng)內(nèi)冷水的pH值偏低時(shí)，投運(yùn)Na/OH型混床，Na＋從RNa型樹(shù)脂中泄漏出來(lái)，產(chǎn)生少量的NaOH，內(nèi)冷水pH值得以提高。隨著Na＋的泄漏，冷卻水電導(dǎo)率逐漸升高。當(dāng)Na＋泄漏量較大，電導(dǎo)率達(dá)到一定指標(biāo)時(shí)，關(guān)閉或減小Na/OH型混床流量，同時(shí)投運(yùn)H/OH型混床，交換水中的Na＋，此時(shí)內(nèi)冷水的pH值會(huì)適當(dāng)降低，電導(dǎo)率也隨之降低。當(dāng)pH值低到一定值時(shí)，再增大Na/ OH型混床流量或減小甚至關(guān)閉H/OH型混床，如此反復(fù)操作以達(dá)到內(nèi)冷水的水質(zhì)規(guī)范要求。但是此項(xiàng)技改需要額外增加1套混床，不僅改造麻煩，且增加了后續(xù)長(zhǎng)期樹(shù)脂更換的費(fèi)用和人員工作量；另外，該方法需要不斷調(diào)節(jié)2套混床的流量，控制上費(fèi)時(shí)費(fèi)力。同時(shí)存在定子冷卻水電導(dǎo)率高的風(fēng)險(xiǎn)，沒(méi)有采用該方法。

（4）增加堿化裝置，注入NaOH溶液。定子冷卻水系統(tǒng)添加NaOH溶液以提高pH值的堿化控制方法已在國(guó)內(nèi)得到諸多應(yīng)用，并被國(guó)外制造商作為標(biāo)準(zhǔn)方法。其特點(diǎn)是在流過(guò)離子交換混合床的回路中注入NaOH堿液，并通過(guò)自有的PLC程序來(lái)控制定子冷卻水pH值和電導(dǎo)率，該方法運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、安全性高，可很好的保障發(fā)電機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。由于在國(guó)內(nèi)有很好的應(yīng)用，故以此方法作為廠內(nèi)對(duì)定子冷卻水系統(tǒng)的改進(jìn)方案，并順利通過(guò)技術(shù)委員會(huì)的批準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)改造實(shí)施。

4.2 增加堿化裝置方案

堿化裝置成套設(shè)備由1套混合交換器和自動(dòng)控制系統(tǒng)及堿液儲(chǔ)存添加系統(tǒng)組成，同時(shí)配有在線電導(dǎo)率儀、在線pH值表和在線溶解氧表等；堿化裝置技術(shù)指標(biāo)控制點(diǎn)：定子冷卻水pH值8～9，電導(dǎo)率≤2 us/cm，銅含量＜5 μg/L。

（1）當(dāng)定子冷卻水在線電導(dǎo)率表數(shù)值＞1.2 us/cm時(shí)（添加NaOH溶液導(dǎo)致電導(dǎo)率高），混床投入使用，直至水質(zhì)電導(dǎo)率＜1.2 us/cm，混床退出運(yùn)行。

（2）堿化裝置控制水質(zhì)pH值8.3～8.6。當(dāng)定子冷卻水在線pH表值＜8.3時(shí)，加藥泵通過(guò)PLC程控進(jìn)行添加1%濃度的NaOH溶液；當(dāng)定子冷卻水在線pH表值＞8.6時(shí)，加藥泵通過(guò)PLC程控停止加藥，如此反復(fù)控制。

（3）當(dāng)定子冷卻水在線電導(dǎo)率表數(shù)值＞1.3 us/cm時(shí)，不論水質(zhì)pH值多少，強(qiáng)制停止加藥泵運(yùn)行，避免加藥失控導(dǎo)致定子冷卻水電導(dǎo)率持續(xù)增加，影響發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行。

（4）當(dāng)混床出水電導(dǎo)率＞0.5 us/cm時(shí)，更換樹(shù)脂。

4.3 增加堿化裝置后定子冷卻水水質(zhì)情況

增加堿化裝置后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。在定子冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)后的3個(gè)月內(nèi)，定期跟蹤水質(zhì)情況，定子冷卻水pH值保持在8.3～8.6，銅含量在2～4 μg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，投運(yùn)初期30 d的分析數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5、圖6。從水質(zhì)情況可以判斷，定子冷卻水系統(tǒng)銅腐蝕得到很好的控制。

5改進(jìn)效果

通過(guò)采用注入NaOH溶液、增加堿化裝置的方式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，穩(wěn)定提高定子冷卻水pH至8.3～8.6，有效抑制系統(tǒng)銅腐蝕的發(fā)生，定子冷卻水水質(zhì)滿足《DLT_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》和我廠技術(shù)規(guī)范的要求，解決了定子冷卻水銅含量超標(biāo)的問(wèn)題，解決了定子冷卻水流量降低的問(wèn)題，保障了汽輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 增加堿化裝置后定子冷卻水pH值曲線

圖6 增加堿化裝置后定子冷卻水Cu含量曲線

［1］孫本達(dá)，馬智敬.超超臨界機(jī)組發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水運(yùn)行中存在的問(wèn)題及處理[J].熱力發(fā)電，2009（1）.

［2］謝學(xué)軍，朱慶勝，樊華，等.水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)空芯銅導(dǎo)線腐蝕行為研究[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2005（17）.

［3］DLT_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[S].北京：中國(guó)電力出版社，2011.

〔編輯李波〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.37