AP1000定子冷卻水處理方式及化學控制

于 淼

(中核集團遼寧核電有限公司，遼寧 興城 125100)

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AP1000定子冷卻水處理方式及化學控制

于 淼

(中核集團遼寧核電有限公司，遼寧 興城 125100)

冷卻水的水質對保證發電機組設備的安全運行至關重要，為了確保發電機組設備的安全運行，對發電機內冷水品質的要求越來越高。分析了AP1000核電機組發電機定子冷卻水系統化學控制方式，通過對定子冷水系統化學指標的分析，指出了該類機組化學控制存在的不足，提出了有效的水質控制優化方案，對同類核電機組具有重要的借鑒意義。

AP1000；定子冷卻水；化學控制

大中型發電機組設備普遍采用水—氫—氫冷卻方式，發電機內冷水選用除鹽水或凝結水作為冷卻介質。發電機內冷水是在高電場中作冷卻介質，對內冷水的水質要求嚴格，除了清潔、透明、無機械雜質外，還必須要有足夠的絕緣性(即極小的電導率)，不結垢，并對發電機銅導線和系統無侵蝕性等，冷卻水的水質對保證發電機組設備的安全運行至關重要。為了確保發電機組設備的安全運行，對發電機內冷水品質的要求越來越高，我國電力行業標準DL/T 801—2010《大型發電機內冷卻水質及系統技術要求》對發電機冷卻水水質的要求為：電導率(25℃)小于2.0 μS/cm，pH(25℃)>7.0～9.0，Cu≤20 μg/L。

1 AP1000定子冷卻水系統配置

AP1000發電機定子冷卻水系統采用低氧/中性的控制方式。系統補水源為除鹽水，水質沖洗合格后全封閉運行。系統配置有一個3.8 m3的定子冷卻水箱，兩臺一用一備的定子冷卻水泵，兩臺一用一備的冷卻器，兩臺一用一備的過濾器，以及兩臺一用一備的混床離子交換器。發電機入口、發電機出口和離子交換器出口分別設置有一個在線監測的電導率計。發電機入口設置有一個PH計(非在線)，需要投入時投入使用。圖1為AP1000發電機定子冷卻水系統流程圖。

圖1 AP1000發電機定子冷卻水系統流程

在正常運行時，定子冷卻水泵出口流量為4 000 L/min，其中3 800 L/min的流量經過主回路進入發電機定子線圈，其余200 L/min的流量通過旁路管道進入RH-ROH型混床以降低電導率，旁路流量大小可通過閥門調節，系統參數如下表1所示。

表1 AP1000發電機定子冷取水系統運行參數

為降低水中的溶解氧，AP1000定子冷卻水系統中的定子冷卻水箱內充有30～50 kPa的氫氣。不同于國內其他電廠在定冷水箱內充氮氣以降低溶解氧的通常做法。AP1000的定冷水箱通過一根管道與發電機氫氣系統相連，直接引入水箱，與充氮的做法相比更加簡便、經濟，同樣可以實現將水箱內的水與空氣隔離降低溶解氧的效果。發電機正常運行時，內部的氫氣會通過定冷水水電接頭的軟管少量而持續地滲入水中，最終聚集在定冷水箱中，因此水箱內的氫氣是難以避免的。AP1000的定冷水箱可以直接用這部分氫氣實現水箱與空氣的隔離，僅需在壓力高于50 kPa自動打開釋放閥降壓，而且可以通過釋放閥的打開頻率判斷定子線圈的漏氫情況。如果水箱內充氮，隨著氫氣不斷滲入定冷水，水箱內的氫氣比例會越來越高，要保證水箱內氮氣的純度，就需要對水箱持續排氣并補充氮氣，增加系統運行和維護的工作量。

2 國內定冷水行業標準及其他核電廠的定冷水化學控制

2.1 國內定冷水行業標準

2010年，電力行業電機標準化技術委員會對《大型發電機內冷水及其系統技術要求》進行升版，并于2011年5月1日起執行。新標準明確規定如表2所示。在表2中，將pH值由7升至8時，銅的腐蝕率可下降為1/6；由8升至8.5時，腐蝕率下降為1/15；提高pH值可采用Na型混床，補凝結水、精處理出水加氨、加NaOH等方式；因泄露和耐壓試驗需要，可臨時將電導率降至0.4 μS/cm以下；溶氧僅對pH<8時控制。

表2 DL/T 801—2010《大型發電機內冷卻水之及系統技術要求》

2.2 國內其他核電廠定冷水化學控制

國內其他核電廠定冷水化學控制如表3所示。秦山二期原設計為中性處理，2011年發生定子線圈堵塞并進行化學清洗后進行了堿性改造，增加了加堿裝置。

表3 國內其他核電廠定冷水化學控制

3 AP1000定冷水化學指標分析

銅導線腐蝕反應如下：

O2+H20+2Cu=Cu2O+2OH-

(1)

O2+H20+Cu=CuO+2OH-

(2)

Cu2O+O2+H2O=2CuO+2OH-

(3)

CO2+H2O→H2CO3→HCO3-+H+

(4)

Cu2O+2H++2HCO3-=2Cu++2HCO3-+H2O

(5)

CuO+2H++2HCO3-=Cu2++2HCO3-+H2O

(6)

反應(1)、(2)、(3)是銅在純水中的氧腐蝕，隨著反應的進行，生產的OH-能抑制反應的進行，反應(4)生成的H+中和OH-，促使氧腐蝕不斷進行；同時反應(5)、(6)也使有一定保護作用的Cu2O和CuO膜溶解，使內冷水中析出Cu2+，并且有利于O2向基體銅擴散，從而加速銅的腐蝕。

3.1 pH值對Cu腐蝕的影響

水的pH值直接影響到銅的腐蝕速率，圖2為Cu-H2O電位-pH圖。從圖2可以看出，Cu的腐蝕速率與水的pH值密切相關。一般來說，Cu在H2O中的電位在0.1～0.38 V范圍內，如果水的pH值小于6.95時，Cu處于腐蝕區，此時Cu表面很難有穩定的表面膜存在，水的pH值大于6.95時，進入鈍化區，Cu表面的初始氧化亞銅膜能穩定存在，Cu不會出現腐蝕。通常在溫度為40～60℃內冷水介質中，銅腐蝕速率較低的pH值范圍為7.0～9.1。當pH值大于9.1時，Cu2O和CuO保護膜的溶解度重新增加，腐蝕重新加快，所以一般控制pH大于9。

圖2 Cu-H2O體系的電位-pH平衡圖(25℃)

在運行中，發電機內冷水pH值受空氣中CO2的溶入速度影響。AP1000內冷水控制方式為中性處理方式，緩沖性小，少量CO2進入就會使水的pH值急劇下降，最低可降至5～6，此時銅已進入腐蝕區。此外，CO2還會與氧聯合作用，使銅表面的氧化銅保護膜變成堿式碳酸銅，在水流沖刷下易剝落，在水中的溶解度也大，所以會造成冷卻水中銅含量大大上升。

3.2 溶解氧對Cu腐蝕的影響

水中溶解氧具有雙重性質，在一定條件下是腐蝕性介質，助長銅的腐蝕，促進不穩定的氧化物生成。在另一條件下，溶解氧含量過高和過低對腐蝕有延緩作用。通常溶解氧含量在0.5 ～2.0 mg/ L 時銅的腐蝕速度最高。25℃時，與空氣接觸的水中溶解氧含量是1.4～3.2 mg/L，溫度升高，溶解氧含量下降。內冷水的運行溫度為40～60℃，因此內冷水系統溶解氧含量處于銅腐蝕區內。 在腐蝕發生后，通常在金屬表面形成雙層結構的氧化層。溫度比較高時，產物的成膜性能不如低溫下的效果好，此時腐蝕產物只有少量附著在金屬材料表面，大部分會脫落下來轉入水中。為避免腐蝕，國外限制發電機內冷水溶解氧含量小于20 μg/ L 或50 μg/ L，《大型發電機內冷水及其系統技術要求》中將溶解氧含量限制為小于30 μg/ L，AP1000定冷水溶解氧限制為小于20 μg/ L。

溶解氧與pH協同作用下對Cu腐蝕的影響，如圖3所示。

圖3 銅的腐蝕速率與水的pH值及水腫溶解氧含量的關系曲線

3.3 電導率對銅腐蝕的影響

電導率對銅導線的腐蝕有一定的影響，從對銅的腐蝕保護觀點來看，冷卻水的電導率過低是不利的， 圖4給出電導率對銅腐蝕影響的試驗結果。電導率降低，腐蝕速度上升。一般認為其低限為1 μS/cm，個別電壓等級較高機組不應低于0.5 μS/cm。水的電導率大于2 μS/cm時，銅腐蝕速度趨于平穩。

電導率為1μS/cm時腐蝕速度最低，電導率再降低時，腐蝕速度也會升高。從這些試驗結果可以看出，降低發電機冷卻水電導率的控制值，不會改善銅導線腐蝕狀況, 發電機冷卻水電導率的控制主要不是由腐蝕而是由絕緣要求決定的。

圖4 水的電導率對銅腐蝕速率的影響

4 AP1000定冷水系統運行期間化學控制應對措施及建議

4.1 提高pH值運行

AP1000定冷水系統pH控制指標偏低，《大型發電機內冷水及其系統技術要求》中指出將pH值由7升至8時，銅的腐蝕率可下降為1/6；由8升至8.5時，腐蝕率下降為1/15；而AP1000定冷水系統運行參數要求pH為6～8，為此需在控制范圍內，盡可能的提高pH值。提高pH值可采用Na型混床，補凝結水、精處理出水加氨、加NaOH等方式。對于AP1000機組最簡單的方式為采用Na型混床。

Na型混床內裝填的是RNa-ROH型樹脂，AP1000定冷水系統可以通過小旁路進入混床，發生如下反應：

nRNa+Mn+→RnM+nNa+

xROH+Ax-→RxA+xOH-

式中M——銅、鐵、氨等陽離子；

n——電荷數；

A——氯、碳酸根等陰離子；

x——電荷數。

從以上反應可以看出，鈉型混床在去除定冷水的陰陽離子的同時生成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。

AP1000定冷水系統設置有一用一備兩臺混床并各配置有獨立的進出口閥門，因此可以在兩臺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率，RNa-ROH型混床用于控制系統為微堿性。通過閥門切換，在定冷水pH值過低時投用RNa-ROH型混床提升pH值，在定冷水電導率過高時投用RH-ROH型混床降低電導率，將定冷水的水質控制在電導率為1～5μS/cm，pH值為7～9的目標范圍內，最大程度的降低定子線圈的腐蝕。

此外，保證系統嚴密性，防止水質在運行過程中進入CO2使pH值降低。

4.2 化學定期監督定冷水中Cu離子的含量

國內其他核電機組對定冷水中銅離子均有限值及分析頻度要求，《大型發電機內冷水及其系統技術要求》指出定冷水系統銅離子含量應小于20μg/ L。為此應在化學實驗室中采用石墨爐法或ICP的方法，定期分析銅離子含量，有效監督系統運行狀態。

5 結語

AP1000定冷水系統化學控制方案及參數指標，溶氧及pH值的控制不同于國內其他核電機組，尤其pH值的要求略低于國內標準，存在pH值偏低導致定子線圈腐蝕速率過快的潛在風險。因此，在運行期間，應及時制定應對預案，保證發電設備的安全穩定運行。

(本文編輯：嚴 加)

Treatment and Chemical Control of AP1000 Stator Cooling Water

YU Miao

(CNNC Liaoning Nuclear Power Co., Ltd., Xingcheng 125100, China)

The quality of cooling water is vital to ensure the safe operation of generating set, therefore posing increasingly high requirement for the cooling water quality. This paper analyzes the chemical control mode for AP1000 nuclear power generator stator cooling water system, points out the chemical control deficiency based on the chemical index analysis, and proposes the effective water quality control optimization scheme, providing significant reference to the similar nuclear power units.

AP1000; stator cooling water; chemical control

10.11973/dlyny201605024

于 淼(1983)，男，工程師，從事核電化學管理工作。

TL362

B

2095-1256(2016)05-0637-04

2016-06-24