大型發(fā)電機內冷卻水水質指標的驗證研究

摘 要：基于發(fā)電機或調相機內冷卻水的控制工藝，在實驗室搭建了動態(tài)模擬系統(tǒng)，對內冷卻水系統(tǒng)的運行參數指標進行了測試，分貧氧環(huán)境和不控制氧含量兩個水環(huán)境，結合電位-pH圖討論了水質指標對采信標準的具體要求。結果表明，動態(tài)除鹽水系統(tǒng)中，溶氧量是引起銅試片腐蝕的重要因素，必須作為首要因素進行控制；空氣中CO2的溶入會導致水質酸化，大幅增加空芯銅導線的腐蝕風險，標準中應對pH調節(jié)加藥處理裝置進行要求。另外，pH值的無限制提高一方面會帶來Cu的堿性腐蝕，另一方面也會威脅發(fā)電機運行安全，因此標準中pH值必須設定上限值。

關鍵詞：大型發(fā)電機，內冷卻水，驗證試驗，腐蝕

0 引 言

發(fā)電機或調相機內冷卻水是運行在高壓電場中的冷卻介質[1]，因此對其品質要求是：傳熱快、不腐蝕、不結垢、絕緣性好[2-5]。為了促使內冷卻水水質達到相應的要求，國際上IEC 60034《旋轉電機》系列國際標準中，通常從電機絕緣角度規(guī)范電導率等水質指標，并嚴格區(qū)分了貧氧工況和富氧工況下的具體要求；而國內標準，諸如GB/T12145-2016《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設備水汽質量》、DL/T 1039-2016《發(fā)電機內冷卻水處理導則》、DL/T 801-2010《大型發(fā)電機內冷卻水質及系統(tǒng)技術要求》則大都站在化學專業(yè)角度，從避免系統(tǒng)腐蝕和結垢的方面對內冷卻水水質參數進行了規(guī)定，其具體參數范圍往往比電機專業(yè)規(guī)定的更為寬泛[4]。顯然，對于運維人員而言，同一類設備運行面臨著兩套不同的參數范圍，這必然會造成內冷卻水系統(tǒng)運行隨意性強、規(guī)范性差，難以支持發(fā)電機組乃至調相機組的安全穩(wěn)定運行[1]。

本研究基于現場真實內冷卻水工藝，在實驗室搭建模擬系統(tǒng)，利用試驗對發(fā)電機銅線棒在不同純水環(huán)境下的理論腐蝕行為進行了驗證，核實純水體系中影響銅腐蝕的具體參數，結合現場電位-pH圖來分析確保各項參數的合理性，同時明確各類影響因素的重要性，以便指導運維人員合理采標，確保內冷卻水系統(tǒng)安全運行。

1 驗證試驗工藝及步驟

1.1 試驗工藝

針對空心銅導線在高純水中的腐蝕行為，有研究方法采用靜態(tài)測試，即在實驗室搭建靜態(tài)測試平臺，通過觀察銅試片自身變化情況，輔以取樣監(jiān)測水中銅離子含量來確定銅的腐蝕傾向[6]。然而，內冷卻水系統(tǒng)運行是個動態(tài)過程，水流沖刷、水中氧氣和二氧化碳變化均會給水系統(tǒng)腐蝕傾向帶來重大影響，特別是當發(fā)電機或調相機出力發(fā)生變化時，反映到內冷卻水溫度、壓力、流量也會產生不同程度改變，這進一步影響了金屬的腐蝕過程[1]。

鑒于此，搭建動態(tài)腐蝕環(huán)境開展相關試驗，相關裝置包括儲水系統(tǒng)、離子交換器、加堿控制裝置、恒溫循環(huán)裝置、腐蝕試驗裝置等。通過水泵提供動力，加堿裝置加入NaOH稀溶液來進行堿化處理，動態(tài)維持一定的pH水環(huán)境。在水泵出口分流部分內冷卻水，經離子交換樹脂和過濾膜處理后，再輸送至水箱，參與下一循環(huán)。系統(tǒng)圖如圖1所示。

與此同時，在主循環(huán)回路上串聯腐蝕試片監(jiān)測裝置，安裝標準銅腐蝕試片，經過8h后，觀察銅試片表面狀態(tài)，測試主回路水中銅元素的含量。

1.2 試驗步驟

基于上述流程，分貧氧和不控制氧兩種工況開展試驗。為確保腐蝕指示試驗的標準合規(guī)范性，所采用的標準腐蝕指示試片銅純度大于99.9%，規(guī)格：長75mm×寬12.5mm×厚2.0mm，符合GB/T5096-2017《石油產品銅片腐蝕試驗法》要求。

貧氧環(huán)境下銅試片腐蝕行為具體試驗步驟如下。

（1）向儲水箱中注入除鹽水，設置恒溫裝置目標溫度為40℃后，啟動循環(huán)泵建立主循環(huán)。

（2）打開氮氣瓶，調整循環(huán)系統(tǒng)為微正壓，采用HD-RY100便攜式微量溶解氧儀接入監(jiān)測裝置取樣口，測試循環(huán)管路中溶解氧含量，當小于20μg/L后，將腐蝕試片放入腐蝕監(jiān)測裝置，關閉旁路閥，開始進行銅腐蝕試驗。

（3）試驗過程中采用AMU Powercon-Swan型在線電導率分析儀測試水中電導率，采用MIKPH8.0型在線pH表測試循環(huán)管路pH值，利用加堿裝置調整pH值，每隔0.2～0.5調節(jié)一次（整體范圍為6.5～9.0），依靠旁路處理系統(tǒng)，對水中多余離子進行清除，并確保此時的電導率≤2.0μS/cm。待穩(wěn)定后取水樣，采用ContrAA-700 型原子吸收儀測試Cu 元素含量。

（4）測試完所有數據后，利用Origin軟件進行數據分析，并根據趨勢繪制模擬曲線。

完成貧氧環(huán)境下的腐蝕測試后，進一步開展不控制氧環(huán)境下的腐蝕測試，步驟如下。

（1）對儲水箱全面換水，注入新鮮除鹽水，設置恒溫裝置目標溫度為40℃后，重新啟動循環(huán)泵建立主循環(huán)。

（2）關閉氮氣注入口，打開水箱蓋子，使系統(tǒng)與大氣環(huán)境充分接觸。將新腐蝕試片放入腐蝕監(jiān)測裝置，關閉旁路閥，開始進行銅腐蝕試驗。

（3）試驗過程中采用AMU Powercon-Swan型在線電導率分析儀測試水中電導率，采用MIKPH8.0型在線pH表測試循環(huán)管路pH值，利用加堿裝置調整pH值，每隔0.2～0.5調節(jié)一次（整體范圍為6.5～9.0），并確保此時的電導率＜5.0μS/cm。待穩(wěn)定后取水樣，采用ContrAA-700 型原子吸收儀測試Cu 元素含量。

（4）測試完所有數據后，利用Origin軟件進行數據分析，并根據趨勢繪制模擬曲線。

2 驗證試驗結果及分析

2.1 貧氧環(huán)境下銅試片腐蝕行為試驗結果及分析

在貧氧環(huán)境下，當內冷卻水的pH值＜9.0時，水系統(tǒng)電導率基本可低于2.0μS/cm。此時水中銅含量與純水pH值的關系圖如圖2所示。

在此環(huán)境下，當中性純水體系的氧含量不高時，銅的腐蝕較輕微，pH值只要大于6.5，水中銅含量可以控制在14μg/L以下，并且隨著pH的提升，水中銅含量亦出現了快速下降。當pH提升到8以上后，水中銅含量基本可以維持在很低范圍。

這表明，氧是空芯銅導線在除鹽水中腐蝕的重要引起因素[7]，控制除鹽水中氧在一定含量以下，即可明顯減輕空芯銅導線的腐蝕程度。因此，對于密閉的內冷卻水系統(tǒng)來說，在對具體運行參數進行采標時，應首先將溶氧量作為重要因素進行考慮，同時考察擬采納標準中是否對系統(tǒng)密閉性進行了說明，特別應關注防止系統(tǒng)滲漏、隔絕空氣等手段[8]，將密閉系統(tǒng)中的溶解氧含量降至安全范圍，以期維持系統(tǒng)中銅含量在較低的范圍內。

2.2 不控制溶解氧環(huán)境下銅試片腐蝕行為試驗結果及分析

在不控制溶解氧含量的條件下，水中銅含量與純水pH值的關系圖如圖3所示。當pH值在6.5左右時，隨著腐蝕時間的延長，銅試樣表面顏色逐漸加深，4h后試片表面覆蓋著一層紫黑色的氧化膜，并且水中銅含量也較高。這說明，對于非密封結構，內冷卻水運行過程受空氣中CO2溶入的影響，水質易于酸化，pH值會顯著降低，增加空芯銅導線的腐蝕風險[9，10]。

逐步提升pH，當超過8.0，并且通過離子交換罐處理使得水質穩(wěn)定后，水中銅元素含量有了較大變化，基本降低至貧氧環(huán)境下的含量，表明此時銅試片腐蝕受到了一定程度的抑制。

在Cu-H2O體系的平衡計算中，目前將水中Cu離子濃度取10-6.2mol /L作為劃分腐蝕發(fā)生與否的界限[7]。根據Cu-H2O體系電位-pH平衡圖（圖4），當電位在0.1～0.38V，水中pH值在6.94以下時，水質呈弱酸性，水中的H+將與Cu的氧化膜反應，因而Cu處于腐蝕區(qū)（圖中a區(qū)），表面很難形成穩(wěn)定的保護膜[6]；當電位低于0.1V或pH值高于6.94時，Cu進入了中性或弱堿性環(huán)境，CuO的溶解度會降低，Cu表面的初始CuO和Cu2O膜可穩(wěn)定存在，不會被溶解，即可保護Cu基體不被腐蝕，此為Cu的穩(wěn)定區(qū)。顯然，這也與本實驗結果基本一致。

而當水中pH值達到10.3以上時，電位-pH平衡圖中出現了CuO2-和CuO22-等可溶性化合物，說明體系的pH再提高，Cu又會被腐蝕。但是，對于發(fā)電機或調相機內冷卻水系統(tǒng)，當pH值接近于9.0時，水系統(tǒng)電導率將接近或超過發(fā)電機限值要求，即介質的絕緣性能將降低至發(fā)電機的耐受極限，因此pH值的控制上限不應大于9.0，本次試驗亦未考慮pH值超過9.0的情況。

3 結 論

本研究通過構建內冷卻水模擬試驗系統(tǒng)，對發(fā)生在純水體系中的銅元素腐蝕開展了研究，分析了內冷卻水運維過程中應遵循的技術指標，最終得到了如下結論。

（1）動態(tài)除鹽水系統(tǒng)中，溶氧量是引起銅試片腐蝕的重要因素，無論在標準制定還是采信過程中，運維人員均應該將溶氧量作為首要因素進行控制；

（2）CO2的溶入會導致水質酸化，增加空芯銅導線的腐蝕風險。所以，當現場不具備溶氧量控制手段時，純水體系的pH值變化會顯著影響水中銅試片的腐蝕，所采信的標準中必須明確設置pH調節(jié)加藥處理裝置；

（3）pH值的無限制提高一方面會帶來Cu的堿性腐蝕，另一方面也會威脅發(fā)電機運行安全，因此標準中pH值上限亦可定為9.0。

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