核電裝置定子冷卻水系統改進

柏樂，鄭彬

（海南核電有限公司，海口570125）

核電裝置定子冷卻水系統改進

柏樂，鄭彬

（海南核電有限公司，海口570125）

海南核電發電機定子冷卻水系統在調試期間，定子冷卻水銅含量超過國標要求。通過對定子冷卻水銅含量高的原因進行分析，采用增加堿化裝置的方法，提高定子冷卻水pH，使銅含量滿足規范要求，避免發電機定子冷卻水系統腐蝕，保障發電機組的安全運行。

定子冷卻水；銅腐蝕；堿化控制

0 前言

海南核電發電機組采用“水-氫-氫”冷卻方式，在1號機組調試期間，多次檢測發現定子冷卻水銅含量超過運行控制限值，說明當前系統水質條件對定子繞組銅線圈產生嚴重的腐蝕。雖然定子冷卻水系統設有H/OH型混床以凈化水質，但無法從根本上避免銅腐蝕的發生。參考國內其他電站定子冷卻水系統運行的經驗，銅腐蝕產物的沉積，會導致發電機定子流量下降以及定子進出口壓差逐漸增大等異常情況，嚴重影響發電機組的安全運行[1]。

1 影響定子冷卻水系統銅腐蝕的因素

圖1 pH值與銅的腐蝕速率關系曲線

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

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

（3）溶解氧。當溶解氧濃度很低時，銅腐蝕速率較低，隨著氧濃度的增加，銅腐蝕速率升高；當氧含量增加到一定值時，銅腐蝕速率會達到最大，之后隨溶解氧含量的升高銅腐蝕速率會逐漸降低。有關文獻研究結果顯示，當氧濃度為200～300 μg/L時，銅的腐蝕率最大。而且氧對銅的腐蝕與pH值有很大關系，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、溶解氧含量關系見圖2。

圖2 銅的腐蝕速率與pH值、溶解氧含量關系曲線

2 發電機定子冷卻水系統

海南核電1號機組調試期間，定子冷卻水銅含量長時間超過國標規范，對定子冷卻水pH值和銅含量在30天內連續跟蹤分析，檢測數據見圖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國標控制值，只有通過不斷換水才能降低銅含量。

根據水質分析結果和銅腐蝕影響因素分析，定子冷卻水pH呈弱酸性，會促進系統金屬銅腐蝕的發生，導致水中銅含量超出國標控制規范。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，避免出現發電機定子冷卻通道堵塞、流量下降、線棒溫度上升等嚴重后果。

圖3 定子冷卻水pH值

3 發電機定子冷卻水水質控制標準

（1）水質控制標準。DL/T801—2002《大型發電機內冷卻水及其系統技術要求》發布以來，國產和進口大容量機組新增較多，積累了大量的運行經驗，運行中發生的多種事故直接與內冷水相關，原標準已明顯不能滿足迅速發展的要求，國家電力行業對大型發電機定子內冷水水質已作出嚴格要求，并發布了《DLT_801-2010大型發電機內冷卻水質及系統技術要求》，廠內發電機定子冷卻水系統對水質控制的設計已明顯不能滿足最新國標的要求，而且定子冷卻水水質控制不規范會導致系統銅腐蝕，嚴重時影響發電機組安全穩定運行。

（2）水質控制思路。通過對銅腐蝕的影響因素和定冷水水質情況的分析，提高pH是最急需解決的問題。根據國標（表1）的要求，內冷水pH控制值在8～9之間時，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生。據此，重新制定定子冷卻水水質規范（表2），并按此要求對系統進行改進和優化。

圖4 定子冷卻水Cu含量

表1 發電機定子冷卻水控制標準

表2 海南核電發電機定子冷卻水控制規范

4 發電機內冷水優化改進

4.1 提高定子冷卻水pH值的方法

（1）采用凝結水作為補充水。海南核電凝結水采用添加氨的方式進行水質pH值控制，控制凝結水pH值9.4～10，電導率10～18 us/cm。雖然采用凝結水作為GST補充水不需額外增加加藥裝置，但是凝結水電導率太高，若補充水流量調節不當，造成定子冷卻水電導率＞5 us/cm，引起報警，不利于發電機安全運行。當電導率高時，調節凈化床流量，而凈化除掉NH4+后電導率降低，但是pH值也同樣降低，GST水質控制不穩定。并且引入的NH4+可能會與銅離子進行絡合反應，加快銅的腐蝕，故此方法不合適。

（2）采用Na型混床運行方式。發電機定子冷卻水設計有混床以凈化水質，降低電導率。混床設計采用強酸、強堿混合型樹脂，運行時出水為中性，pH值7左右。若采用鈉型混床進行處理后，可控制pH值為8～9。但是當補充水質較差或定子冷卻水硬度較高時，會造成pH值和電導率快速上升，威脅發電機安全運行，并且在運行期間需要根據電導率、pH值適時調整混床流量。由于存在安全風險，沒有采用該方法。

（3）RNa+ROH和RH+ROH的雙套小混床處理方式。通過技術改造，在原系統增加1套RNa+ROH混床，與原RH+ROH混床并列存在。當內冷水的pH值偏低時，投運Na/OH型混床，Na＋從RNa型樹脂中泄漏出來，產生少量的NaOH，內冷水pH值得以提高。隨著Na＋的泄漏，冷卻水電導率逐漸升高。當Na＋泄漏量較大，電導率達到一定指標時，關閉或減小Na/OH型混床流量，同時投運H/OH型混床，交換水中的Na＋，此時內冷水的pH值會適當降低，電導率也隨之降低。當pH值低到一定值時，再增大Na/ OH型混床流量或減小甚至關閉H/OH型混床，如此反復操作以達到內冷水的水質規范要求。但是此項技改需要額外增加1套混床，不僅改造麻煩，且增加了后續長期樹脂更換的費用和人員工作量；另外，該方法需要不斷調節2套混床的流量，控制上費時費力。同時存在定子冷卻水電導率高的風險，沒有采用該方法。

（4）增加堿化裝置，注入NaOH溶液。定子冷卻水系統添加NaOH溶液以提高pH值的堿化控制方法已在國內得到諸多應用，并被國外制造商作為標準方法。其特點是在流過離子交換混合床的回路中注入NaOH堿液，并通過自有的PLC程序來控制定子冷卻水pH值和電導率，該方法運行穩定、可靠、安全性高，可很好的保障發電機的安全、穩定運行。由于在國內有很好的應用，故以此方法作為廠內對定子冷卻水系統的改進方案，并順利通過技術委員會的批準和現場改造實施。

4.2 增加堿化裝置方案

堿化裝置成套設備由1套混合交換器和自動控制系統及堿液儲存添加系統組成，同時配有在線電導率儀、在線pH值表和在線溶解氧表等；堿化裝置技術指標控制點：定子冷卻水pH值8～9，電導率≤2 us/cm，銅含量＜5 μg/L。

（1）當定子冷卻水在線電導率表數值＞1.2 us/cm時（添加NaOH溶液導致電導率高），混床投入使用，直至水質電導率＜1.2 us/cm，混床退出運行。

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

（3）當定子冷卻水在線電導率表數值＞1.3 us/cm時，不論水質pH值多少，強制停止加藥泵運行，避免加藥失控導致定子冷卻水電導率持續增加，影響發電機組安全運行。

（4）當混床出水電導率＞0.5 us/cm時，更換樹脂。

4.3 增加堿化裝置后定子冷卻水水質情況

增加堿化裝置后，系統運行穩定。在定子冷卻水系統優化改進后的3個月內，定期跟蹤水質情況，定子冷卻水pH值保持在8.3～8.6，銅含量在2～4 μg/L范圍內波動，投運初期30 d的分析數據見圖5、圖6。從水質情況可以判斷，定子冷卻水系統銅腐蝕得到很好的控制。

5改進效果

通過采用注入NaOH溶液、增加堿化裝置的方式進行優化改進后，穩定提高定子冷卻水pH至8.3～8.6，有效抑制系統銅腐蝕的發生，定子冷卻水水質滿足《DLT_801-2010大型發電機內冷卻水質及系統技術要求》和我廠技術規范的要求，解決了定子冷卻水銅含量超標的問題，解決了定子冷卻水流量降低的問題，保障了汽輪發電機組安全穩定運行。

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，馬智敬.超超臨界機組發電機內冷卻水運行中存在的問題及處理[J].熱力發電，2009（1）.

［2］謝學軍，朱慶勝，樊華，等.水內冷發電機空芯銅導線腐蝕行為研究[J].腐蝕科學與防護技術，2005（17）.

［3］DLT_801-2010大型發電機內冷卻水質及系統技術要求[S].北京：中國電力出版社，2011.

〔編輯李波〕

TM621.8

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.37