核電站300MW機組發(fā)電機內(nèi)冷水水質(zhì)優(yōu)化

沈 君，王今芳，王 森，杜鐵楠

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

發(fā)電機冷卻水的水質(zhì)會直接影響發(fā)電機的安全、經(jīng)濟運行。GB／T12145《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(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)電機內(nèi)冷卻水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求》、DL／T1039《發(fā)電機內(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)電機空芯銅導(dǎo)線腐蝕，腐蝕產(chǎn)物又在發(fā)電機出水的高溫端沉積，使發(fā)電機內(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)電機線圈局部溫度升高，最終導(dǎo)致發(fā)電機線圈損壞，影響發(fā)電機的安全、穩(wěn)定運行；由于發(fā)電機內(nèi)冷水在40～60℃時，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)電機銅線棒的腐蝕，應(yīng)盡可能的控制發(fā)電機內(nèi)冷卻水的pH值在弱堿性范圍。秦山300 MWe汽輪發(fā)電機是我國自主研發(fā)的雙水內(nèi)冷機組，其工作轉(zhuǎn)速3 000r／min，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子和定子采用獨立的冷卻水系統(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)計流量105m3／h，出口壓力≤0.4 MPa，定冷水箱容積5m3。發(fā)電機自運行以來，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)電機內(nèi)冷水系統(tǒng)在此環(huán)境中長期運行將導(dǎo)致發(fā)電機銅導(dǎo)線腐蝕速率的增加，影響發(fā)電機的安全運行。

1 發(fā)電機內(nèi)冷水系統(tǒng)的運行狀況及問題

1.1 轉(zhuǎn)子冷卻水系統(tǒng)的運行狀況及存在的問題

秦山300MWe發(fā)電機組轉(zhuǎn)子冷卻水由轉(zhuǎn)子的一端進入后通過轉(zhuǎn)子線棒，從轉(zhuǎn)子另一端回到轉(zhuǎn)子水箱，在轉(zhuǎn)動與靜止的結(jié)合部會有少量的水甩出，由甩水槽收集后回到轉(zhuǎn)子水箱，甩水槽處的動靜密封為聚四氟材料。轉(zhuǎn)子在高速轉(zhuǎn)動時，在動靜密封處產(chǎn)生負(fù)壓，大量的空氣進入甩水箱，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)電機銅線棒的腐蝕。由于發(fā)電機轉(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時對系統(tǒng)進行換水處理，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)電機轉(zhuǎn)子線棒的堵塞，近年來大修在發(fā)電機轉(zhuǎn)子冷卻器、轉(zhuǎn)子進水管內(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)電機轉(zhuǎn)子冷卻水水質(zhì)情況

圖1 發(fā)電機轉(zhuǎn)子冷卻器表面附著物

圖2 發(fā)電機轉(zhuǎn)子進水管內(nèi)壁附著物

圖3 發(fā)電機轉(zhuǎn)子線棒內(nèi)附著物

圖4 發(fā)電機轉(zhuǎn)子進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)的運行狀況及存在的問題

秦山300MWe發(fā)電機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氮氣，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)自運行以來一直使用H-OH型旁路小混床對部分冷卻水進行凈化處理，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，其補水使用的是未除氧除鹽水，冷卻水也沒有進行堿化處理。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，在一定條件下，會從水中析出，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，但其保護性較差，不能防止基體腐蝕過程的進一步發(fā)生。在中性或弱酸性的介質(zhì)中，氧化亞銅和氧化銅會再與水中的氫離子反應(yīng)產(chǎn)生銅離子，使得有一定保護作用的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機組發(fā)電機內(nèi)冷水系統(tǒng)的現(xiàn)狀，如果對設(shè)備進行改造相對比較復(fù)雜且不宜實施；因此要改善發(fā)電機定、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)冷水處理方法來實現(xiàn)。

2.1 各種水處理技術(shù)的特點

隨著科技的進步以及世界各國發(fā)電機內(nèi)冷水處理技術(shù)的不斷改進，發(fā)電機內(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)電機生產(chǎn)廠家的配套設(shè)計，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行調(diào)整，從而提高出水的pH，此方法在運行過程中，一般pH最高不超過7.8，且隨著運行時間的增加，冷卻水的pH值會逐漸下降到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，同時還需投運小混床（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。日常運行時，需要定期配藥、更換樹脂、維護加堿系統(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前后各引一路水，經(jīng)過計算機配比使內(nèi)冷水處于最佳的防腐范圍，即pH達到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）從運行操作的工作量比較，智能處理裝置自動補水，無需人工操作；加堿+小混床法需要配藥，啟動加藥等操作；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）從初投資和運行成本比較，智能凈化法10年的費用約為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)電機內(nèi)冷水處理技術(shù)選擇

各種發(fā)電機內(nèi)冷水處理方法，從技術(shù)指標(biāo)、運行操作、設(shè)備的維護和檢修、初投資與運行成本、現(xiàn)場設(shè)備的布置狀況與二回路系統(tǒng)的運行方式等方面綜合評估，秦山300WM發(fā)電機內(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)電機內(nèi)冷水系統(tǒng)優(yōu)化

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

智能處理裝置是一個采用計算機調(diào)配水質(zhì)并能實現(xiàn)水質(zhì)在線監(jiān)測功能的儀表控制裝置，其基本原理是：通過對加藥點前、后兩路水源的自動調(diào)配，始終維持補水的pH值在一定范圍內(nèi)，并能夠向發(fā)電機內(nèi)冷卻水系統(tǒng)提供連續(xù)補水，使得發(fā)電機內(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)電機內(nèi)冷水工藝系統(tǒng)優(yōu)化

發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子冷卻水系統(tǒng)的補水從凝結(jié)水精處理出水母管加乙醇胺點前、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)補水母管加裝電動球閥，當(dāng)補水水質(zhì)不合格（例如電導(dǎo)率超過設(shè)定值，凝汽器泄漏）時，補水自動關(guān)閉（此時如需補水，可從原除鹽水補水管線補入）。待水質(zhì)合格后自動打開，正常補水。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入凝汽器，最終經(jīng)過凝結(jié)水精處理系統(tǒng)實現(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)補水的方式運行，轉(zhuǎn)子冷卻水補水流量約為6t／h；定子冷卻水補水流量約為500L／h。定子冷卻水系統(tǒng)原設(shè)計使用的小混床及氮氣系統(tǒng)不再投入運行，作為備用。轉(zhuǎn)子冷卻水不再人工添加緩蝕劑處理。

4 智能凈化法運行效果評價

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

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

圖6 發(fā)電機內(nèi)冷卻水系統(tǒng)改造示意圖

智能處理裝置投入系統(tǒng)運行后，定、轉(zhuǎn)子冷卻水水質(zhì)得到了進一步優(yōu)化，見表3。

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

表3中發(fā)電機內(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，各項水質(zhì)檢測結(jié)果均達到了DL／T 801-2010標(biāo)準(zhǔn)的要求，發(fā)電機冷卻水水質(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)備運行的安全性和可靠性。

（2）減輕了運行人員及分析人員的工作量

智能處理裝置投運后，能自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的補水流量，無需人工操作、換水和更換樹脂，平時只需要巡檢，與系統(tǒng)改造前相比大大簡化了運行操作，減輕了運行人員的工作量，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、后運行操作

此外，該裝置還設(shè)置了系統(tǒng)補給水的在線檢測儀表（電導(dǎo)率表、pH表），實現(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)電廠的運行經(jīng)驗，系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，可進一步優(yōu)化內(nèi)冷水水質(zhì)檢測頻度。同時，轉(zhuǎn)子冷卻水無需再進行人工加藥，進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)檢測項目及頻度

（3）降低了運行成本、促進了電廠的節(jié)能減排

智能凈化法在運行過程中能連續(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)電機轉(zhuǎn)子冷卻水不再添加緩蝕劑，定子冷卻水原設(shè)計凈化水質(zhì)的離子交換器也不再投入運行，進一步降低了運行成本，對電廠的節(jié)能減排也做出了一定的貢獻。

5 結(jié)語

秦山300MW發(fā)電機雙水內(nèi)冷機組，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)電機內(nèi)冷水無法達到國家有關(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)電機內(nèi)冷水處理系統(tǒng)的改進，提高了進入定子和轉(zhuǎn)子冷卻水的pH，發(fā)電機內(nèi)冷水的銅含量明顯降低，各項水質(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)電機的安全、穩(wěn)定運行有著不可估量的作用。