AP1000發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)控制探討

朱方舟

摘 ?要：發(fā)電機(jī)定子冷卻水的溶解氧、pH值、電導(dǎo)率等指標(biāo)與定子線圈的腐蝕情況密切相關(guān)。文章分析了定子冷卻水水質(zhì)與銅腐蝕之間的關(guān)系，對(duì)AP1000以及其它核電廠的發(fā)電機(jī)定子冷卻水的水質(zhì)控制方式進(jìn)行探討。通過AP1000發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比，指出AP1000發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)存在的pH偏低導(dǎo)致定子線圈腐蝕過快的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并針對(duì)該風(fēng)險(xiǎn)提出了可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：定子線圈腐蝕;溶解氧;pH值;電導(dǎo)率;鈉型樹脂

中圖分類號(hào)：TM31 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）15-0114-03

Abstract： The dissolved oxygen， pH， Conductivity of generator stator coil cooling water are closely related to the generator stator coil corrosion. This article analyzed the relationship between stator coil cooling water quality and copper corrosion， discussed the water treatment of AP1000 and other nuclear power plant Generator stator coil cooling water. According to the comparison between AP1000 Generator stator coil cooling water requirements and domestic standard requirements， the paper indicates that potential risk of stator coil corrosion out of limits due to low pH， and proposes the feasible solutions.

Keywords： stator coil corrosion; dissolved oxygen; pH; conductivity; Na form resin

1 概述

水具有很高的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)，而且還具有價(jià)廉、無毒、不助燃的優(yōu)點(diǎn)，是很好的冷卻介質(zhì)。采用水內(nèi)冷技術(shù)可大幅度提高發(fā)電機(jī)單機(jī)容量，因此現(xiàn)代大型發(fā)電機(jī)的定子線圈廣泛采用水內(nèi)冷。

由于發(fā)電機(jī)定子冷卻水（以下簡稱定冷水）直接與發(fā)電機(jī)定子線圈接觸，定子線圈的材質(zhì)為銅。如果定冷水的水質(zhì)不合格會(huì)導(dǎo)致定子線圈腐蝕過快，影響線圈散熱，甚至可能造成線圈燒毀的嚴(yán)重后果。此外，定冷水質(zhì)不合格還會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)泄漏電流增加，影響發(fā)電機(jī)出力，降低發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

因此國內(nèi)外電廠都對(duì)定冷水的水質(zhì)有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。以下通過分析定冷水對(duì)定子線圈的腐蝕機(jī)理，探討AP1000三門核電的發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)控制方式，并和其它電廠的水質(zhì)控制方式對(duì)比，并對(duì)可能存在的問題提出解決方案。

2 發(fā)電機(jī)定子冷卻水對(duì)定子線圈的腐蝕機(jī)理

發(fā)電機(jī)定子冷卻水中影響定子線圈腐蝕的因素主要有溶解氧、pH值、電導(dǎo)率等。

在水中的溶解氧對(duì)于銅的腐蝕具有雙重性質(zhì)，在一定條件下是腐蝕介質(zhì)，助長銅的腐蝕，促進(jìn)銅的氧化物的生成，在銅表面形成氧化層;但溶解氧含量過高或過低對(duì)銅的腐蝕又都有延緩作用[1]。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，在100～600ppb范圍內(nèi)銅的腐蝕速率最快。

當(dāng)定冷水中呈酸性時(shí)，水中的氫離子與銅的氧化膜反應(yīng)，氧化膜被溶解和破壞，使銅的腐蝕速度急劇增加。當(dāng)定冷水呈強(qiáng)堿性時(shí)，銅表面氧化膜也會(huì)與氫氧根離子反應(yīng)，同樣會(huì)使氧化膜被溶解。只有pH值在6.95～10之間時(shí)，銅的表面氧化膜具有穩(wěn)定性[3]，能對(duì)銅基體起到保護(hù)作用。

電導(dǎo)率反映了水中離子的含量多少。水中的離子含量越多，溶液體系的電阻越小，系統(tǒng)中銅在水中溶解氧參與下的電極反應(yīng)阻力就越小，銅的腐蝕速率就越快。但是電導(dǎo)率也不宜過低，當(dāng)電導(dǎo)率小于1μs/cm時(shí)，銅在電極的反應(yīng)固然會(huì)減小，但是銅在純水中的溶解度也會(huì)大大增加。一般認(rèn)為定冷水的電導(dǎo)率維持在1～10μs/cm范圍內(nèi)最好[4]。

根據(jù)定冷水對(duì)定子線圈腐蝕的機(jī)理，國內(nèi)外電廠普遍采用的5種定冷水水質(zhì)控制方式及其控制目標(biāo)和參數(shù)如表1所示。

3 AP1000發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)控制

系統(tǒng)配置和水質(zhì)控制方式：

AP1000發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)采用低氧/中性的控制方式。系統(tǒng)補(bǔ)水源為除鹽水，水質(zhì)沖洗合格后全封閉運(yùn)行。正常運(yùn)行時(shí)，定子冷卻水泵出口有200L/min的流量通過旁路管道進(jìn)入RH-ROH型混床以降低電導(dǎo)率，旁路流量大小可通過閥門調(diào)節(jié)。為降低水中的溶解氧，AP1000定子冷卻水系統(tǒng)中的定子冷卻水箱內(nèi)充有30～50kPa的氫氣。系統(tǒng)參數(shù)如表2所示：

4 潛在問題及解決措施

4.1 水質(zhì)控制的風(fēng)險(xiǎn)

雖然根據(jù)三菱電機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，其生產(chǎn)的所有發(fā)電機(jī)從未發(fā)生過嚴(yán)重的定子線圈堵塞事故。但是在相同溶解氧條件下，銅在中性或者微酸性環(huán)境下的腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于微堿性環(huán)境，如圖1所示，在相同的溶解氧條件下，pH=7時(shí)銅的腐蝕速率至少是pH=8時(shí)的10倍以上。顯然微堿性環(huán)境更有利于降低銅的腐蝕速率，而AP1000發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)的水取自除鹽水系統(tǒng)，其pH值最多只能接近但不可能高于7。

AP1000定子冷卻水系統(tǒng)的供貨廠家為三菱電機(jī)，其技術(shù)與西屋公司一脈相承。AP1000定子冷卻水系統(tǒng)和采用西屋技術(shù)的秦山核電二期定子冷卻水系統(tǒng)都是低氧/中性的水質(zhì)控制方式。秦山核電二期1號(hào)機(jī)組在2011年第8次大修后發(fā)現(xiàn)定子線圈存在堵塞問題[5]。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)主要是由于在大修期間定冷水系統(tǒng)進(jìn)行了較長時(shí)間的開口檢修工作，導(dǎo)致空氣進(jìn)入定子線圈造成銅表面氧化加劇，并在系統(tǒng)運(yùn)行后被pH值偏低（約6.9）的定冷水溶解并重新在線棒出水端沉淀導(dǎo)致堵塞。同樣的問題也可能在三門核電的定子線圈中發(fā)生。

綜上所述，AP1000發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)控制存在pH偏低可能會(huì)導(dǎo)致定子線圈腐蝕速率過快的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 解決對(duì)策

針對(duì)可能存在由于pH偏低導(dǎo)致定子線圈腐蝕速率過快的問題，可采取以下措施：

4.2.1 控制除鹽水pH值

AP1000發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)自身無法調(diào)節(jié)pH值，因此影響系統(tǒng)pH值的因素主要是作為水源的除鹽水的水質(zhì)。理想情況下，除鹽水處理系統(tǒng)產(chǎn)生的除鹽水為中性，但是隨著CO2的溶入，pH值會(huì)降低至7以下。因此應(yīng)盡量使用新生產(chǎn)的除鹽水，使進(jìn)入定冷水系統(tǒng)的除鹽水pH值盡量提高，將定子線圈的腐蝕速率控制在可接受范圍之內(nèi)。

4.2.2 保證系統(tǒng)嚴(yán)密性

確保系統(tǒng)的整體嚴(yán)密性，可以防止空氣中的CO2與系統(tǒng)內(nèi)的水接觸并溶解。水箱充氫時(shí)要重復(fù)充排多次，最大程度得析出水中的溶解氧，減小定子線圈內(nèi)表面的氧化速率。

4.2.3 嚴(yán)密監(jiān)視系統(tǒng)參數(shù)

運(yùn)行過程中嚴(yán)格監(jiān)視定子冷卻水的電導(dǎo)率，并定期測量水中的溶解氧、銅含量、pH值。根據(jù)這些參數(shù)的變化趨勢(shì)判斷定子線圈的腐蝕情況并采取措施，如更換新樹脂，補(bǔ)充/置換水箱中的氫氣等。

4.2.4 發(fā)電機(jī)定子冷卻水堿性處理

如果以上常規(guī)措施都已經(jīng)采用，但是長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)pH值始終較低且水中銅含量始終較高，樹脂失效頻率很高，說明定子線圈的腐蝕情況比較嚴(yán)重，就有必要采取額外的防腐措施，針對(duì)定子線圈常見的防腐措施主要有：

（1）添加NaOH、氨等堿化劑

雖然能直接提高pH值，但是需要引入加藥系統(tǒng)[6]，難于精確調(diào)控，pH值很容易波動(dòng)，而且會(huì)使系統(tǒng)電導(dǎo)率明顯升高，樹脂失效周期變短，加入氨還會(huì)有與銅反應(yīng)產(chǎn)生絡(luò)合物堵塞定子線圈的風(fēng)險(xiǎn)，因此不建議采用直接添加堿化劑。

（2）使用鈉型樹脂

利用鈉型樹脂產(chǎn)生的NaOH維持微堿性環(huán)境，這是當(dāng)前國內(nèi)外較廣泛采用的一種方法。

目前三門核電的混床采用的是RH-ROH型樹脂，僅僅是除去了水中的離子，并不能很好得抑制定子線圈的腐蝕，甚至因?yàn)椴粩喑ニ嘘栯x子促進(jìn)定子線圈銅氧化物的持續(xù)溶解，從而加劇定子線圈的腐蝕[7]。

鈉型混床內(nèi)裝填的是RNa-ROH型樹脂，可以去除定冷水的陰陽離子的同時(shí)生成NaOH，使定冷水變成微堿性，降低銅的溶解度，有效抑制定子線圈的腐蝕。但是由于生成的NaOH為強(qiáng)電解質(zhì)，會(huì)使電導(dǎo)率大幅升高。

鈉型樹脂在國內(nèi)外的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。南非電力公司曾經(jīng)由于定子線圈的堵塞問題使用鈉型樹脂將旗下的66臺(tái)水冷發(fā)電機(jī)的定冷水系統(tǒng)全部從中性處理改為堿性處理，近20年來就從未發(fā)生過定子線圈堵塞事故[2]。國內(nèi)的鐵嶺電廠[8]、華能北京熱電廠[9]、媽灣電廠[10]等電廠也都由于pH過低導(dǎo)致定子線圈腐蝕過高采用了鈉型樹脂以提高定冷水的pH值，并且都取得了很好的效果。田灣核電廠的定子冷卻水系統(tǒng)也使用了鈉型樹脂以提高定冷水的pH值。

三門核電的定冷水系統(tǒng)設(shè)置有一用一備兩臺(tái)混床并各配置有獨(dú)立的進(jìn)出口閥門，因此可以在兩臺(tái)離子交換器中分別裝填RH-ROH型樹脂和RNa-ROH型樹脂，RH-ROH型混床用于控制電導(dǎo)率，RNa-ROH型混床用于控制系統(tǒng)為微堿性。通過閥門切換，在定冷水pH值過低時(shí)投用RNa-ROH型混床提升pH值，在定水電導(dǎo)率過高時(shí)投用RH-ROH型混床降低電導(dǎo)率，將定冷水的水質(zhì)控制在電導(dǎo)率為1～5μs/cm，pH值為7～9的目標(biāo)范圍內(nèi)，最大程度的降低定子線圈的腐蝕。

5 結(jié)論

（1）定冷水中的溶解氧、pH值、電導(dǎo)率參數(shù)與定子線圈的腐蝕速率密切相關(guān)。

（2）針對(duì)定子線圈在定冷水中的腐蝕過程，有5種常見的水質(zhì)控制方式，AP1000發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)采用低氧/中性的水質(zhì)控制方式。

（3）AP1000發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)存在pH偏低導(dǎo)致定子線圈腐蝕速率過快的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

（4）如果在采取常規(guī)的提高除鹽水pH值、加強(qiáng)系統(tǒng)嚴(yán)密性、更換樹脂等常規(guī)措施后發(fā)現(xiàn)定子線圈腐蝕速率仍然過快，可以采用鈉型樹脂以提高系統(tǒng)pH值從而降低定子線圈的腐蝕速率。

（5）由于AP1000發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)原本就設(shè)置有一用一備的兩臺(tái)混床，采用鈉型樹脂不需要增加或修改任何設(shè)備和布置，僅在需要提高pH值或減低電導(dǎo)率的時(shí)候通過閥門切換投用不同的混床，改造成本幾乎為零，具有很高的可行性。

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