劉新福 王 東 黃 旭

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 前言

中核核電運(yùn)行管理有限公司秦二廠（以下簡(jiǎn)稱 “秦二廠”）QFSN 600-2型600MWe級(jí)核電汽輪發(fā)電機(jī)采用水-氫-氫的冷卻方式。為了滿足發(fā)電機(jī)對(duì)定子冷卻水的低電導(dǎo)率要求，發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用H—OH型小混床控制方式，補(bǔ)水為空氣飽和的除鹽水。這種設(shè)計(jì)，雖然通過小混床對(duì)定子冷卻水連續(xù)小流量?jī)艋幚恚_(dá)到凈化水質(zhì)的目的，但是沒有考慮如何有效減少系統(tǒng)設(shè)備腐蝕問題。由于混床出水的pH一般在7.0以下，并且因?yàn)榻?jīng)空氣飽和的補(bǔ)給水含有二氧化碳和氧氣等溶解氣體，導(dǎo)致定子冷卻水pH更低，這時(shí)的水對(duì)發(fā)電機(jī)定子銅線棒的腐蝕非常嚴(yán)重。2010年，秦二廠1號(hào)機(jī)組曾發(fā)生由于定子銅線棒腐蝕堵塞，導(dǎo)致定子冷卻水流量下降而被迫停機(jī)小修的情況。

1 定子冷卻水系統(tǒng)銅的腐蝕機(jī)理

1.1 pH與銅的腐蝕速率關(guān)系

由于銅的電極電位較高，因此，pH值在銅的腐蝕控制中是關(guān)鍵因素。下圖1表明pH值與銅的腐蝕速率關(guān)系。當(dāng)水的pH低于6.9時(shí)，銅的腐蝕急劇增加，表面很難有穩(wěn)定的膜存在；pH值高于6.9時(shí)，進(jìn)入中性及弱堿性范圍，銅表面的初始氧化亞銅膜穩(wěn)定存在，不會(huì)被溶解，所以定子冷卻水pH在此區(qū)間防腐效果最好；當(dāng)pH大于9.0時(shí)，Cu2O和CuO的溶解度重新增加。

圖1 pH值與銅的腐蝕速率關(guān)系曲線Fig.1 The relationship curve between the pH and the copper corrosion rates

1.2 CO2對(duì)銅的腐蝕影響

運(yùn)行中發(fā)電機(jī)定子冷卻水pH值主要受空氣中CO2的溶入速度影響。定子冷卻水系統(tǒng)是除鹽水，緩沖性很小，少量的CO2進(jìn)入就會(huì)使水的pH急劇下降，最低可降至5～6，此時(shí)銅已進(jìn)入腐蝕區(qū)。另外，CO2還會(huì)和氧聯(lián)合作用，使銅表面的氧化銅保護(hù)膜變成堿式碳酸銅，在水量沖刷下易剝落，在水中的溶解度也大，所以會(huì)造成定子冷卻水中銅含量大大上升。

1.3 溶解氧與銅的腐蝕關(guān)系

水中溶解氧具有雙重性質(zhì)，在一定條件下是腐蝕性介質(zhì)，助長(zhǎng)銅的腐蝕，促進(jìn)不穩(wěn)定的氧化物生成；在另一條件下，溶解氧含量過高或過低對(duì)腐蝕有延緩作用。有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)銅腐蝕的研究結(jié)果顯示當(dāng)氧濃度為200～300μg/L時(shí)，銅的腐蝕率最大。而且，氧對(duì)銅的腐蝕與介質(zhì)的pH值有很大關(guān)系。隨著pH值的增加，腐蝕率將降低，當(dāng)pH值達(dá)到一定值時(shí)，腐蝕率已接近零了[1]，見圖2。對(duì)比結(jié)果表明，在不考慮氧化層的條件下，在低氧化還原電勢(shì)下（氧濃度<100μg/L）,將形成Cu2O；在高氧化還原電勢(shì)下（氧濃度＞100μg/L），將形成CuO。

圖2 銅的腐蝕速率與水的pH值及水中溶解氧含量的關(guān)系曲線Fig.2 The relationship curves of copper corrosion rates with the pH and the dissolved oxygen of water

氧化銅的溶解度取決于pH值以及銅的化合價(jià)。在pH值小于8時(shí)，Cu2O的溶解性比CuO低得多。隨著pH值的降低，氧化銅的溶解度將大幅度升高。pH值在8～9之間時(shí)，這兩種氧化銅的溶解度都將很低，可達(dá)到堿性度的要求。當(dāng)pH值大于9時(shí)，在室溫下，其溶解度又會(huì)升高。氧化銅的溶解度還與溫度相關(guān)，當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，其最小的溶解度向pH值降低的方向移動(dòng)。

由此可見，一個(gè)緊湊的冷卻系統(tǒng)是平衡的，不會(huì)產(chǎn)生任何問題。但是如果有空氣進(jìn)入，由于CO2的影響，定子冷卻水pH值將降低，銅腐蝕率會(huì)升高，溶液中Cu+和Cu2+將隨之增加，氧化銅溶解度也將升高。同時(shí)，氧化還原電勢(shì)也將升高，這將形成大量的比Cu2O溶解度高的CuO。若氧氣只是瞬間進(jìn)入，如空氣瞬間泄漏，氧氣將會(huì)很快被混合床消耗，二氧化碳將被釋放出來，氧化還原電勢(shì)將下降，pH值將上升。這將使CuO溶解度降低，產(chǎn)生沉淀，從而導(dǎo)致空心導(dǎo)體有沉淀，絕緣引水管堵塞，定子冷卻水控制流量下降等故障現(xiàn)象。

2 定子冷卻水水化學(xué)控制存在的不足與改進(jìn)

2.1 定子冷卻水水化學(xué)控制與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的差距

近年來，隨著國產(chǎn)和進(jìn)口大容量機(jī)組新增較多，積累了大量的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。2010年，電力行業(yè)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)對(duì)《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水及其系統(tǒng)技術(shù)要求》進(jìn)行升版，并于2011年5月1日起執(zhí)行。新的標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定：發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水應(yīng)采用除鹽水或凝結(jié)水。當(dāng)發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)凝汽器有循環(huán)水漏入時(shí)，內(nèi)冷卻水的補(bǔ)充水必須用除鹽水。定子冷卻水的電導(dǎo)率（25℃）控制在 0.4～2.0μS/cm,pH（25℃）控制在 7.0～9.0，期望值為8.0～9.0，Cu含量控制在20μg/L以下。新的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，更加突出對(duì)定子冷卻水系統(tǒng)pH的控制。

秦二廠發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)上使用未除氧的除鹽水作為補(bǔ)水，并且在系統(tǒng)中設(shè)有一臺(tái)H—OH型小混床，將發(fā)電所需總水量的3%～5%冷卻水進(jìn)行凈化處理，以降低系統(tǒng)正常運(yùn)行期間水的電導(dǎo)率，使之保持在所要求的限值內(nèi)。由于設(shè)計(jì)上沒有考慮其它的化學(xué)處理和控制方案，系統(tǒng)補(bǔ)水和運(yùn)行期間沒有除氧手段，冷卻水中的溶解氧含量必然是高的，同時(shí)通過除鹽混床的連續(xù)凈化，系統(tǒng)內(nèi)水的電導(dǎo)率基本小于0.5μS/cm，其pH一直處于小于7.0的較低水平。這種水質(zhì)控制方案（水質(zhì)控制規(guī)范和實(shí)際測(cè)量值見表1），僅對(duì)定子冷卻水系統(tǒng)的銅含量和電導(dǎo)率進(jìn)行監(jiān)督，對(duì)定子銅線棒腐蝕影響較大的pH值和溶解氧沒有納入定期監(jiān)督，也沒有制定控制方式和技術(shù)規(guī)范，所以水質(zhì)控制方式存在缺陷，達(dá)不到新規(guī)范的要求，不利于降低系統(tǒng)材料的腐蝕。

表1 發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)控制規(guī)范及實(shí)際測(cè)量值Tab.1 The technical specifications and measure values of the cooling-water system of generator stator

2.1 定子冷卻水水化學(xué)控制優(yōu)化與改進(jìn)

從銅線棒的腐蝕機(jī)理分析可以看出，影響定子冷卻水系統(tǒng)腐蝕的參數(shù)主要為pH和溶解氧，而且當(dāng)pH控制在8.0～9.0時(shí)，可以不考慮溶解氧的影響。因此，完善電廠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的不足，優(yōu)化控制定子冷卻水的pH值，消除發(fā)電機(jī)組潛在的重大隱患，提高發(fā)電機(jī)設(shè)備可靠性是我們要考慮解決的問題。

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[2]，將pH值由7.0升至8.0時(shí)，銅的腐蝕率可下降為1/6；由8.0升至8.5時(shí)，腐蝕率下降為1/15，這時(shí)可以忽略溶解氧的影響。因此，把定子冷卻水pH值控制在8.0～9.0之間較為理想。由于秦二廠定子冷卻水的pH比此標(biāo)準(zhǔn)的要求低得多，因此，非常有必要改進(jìn)秦二廠定子冷卻水系統(tǒng)水處理和化學(xué)控制方式，提高定子冷卻水pH值?；瘜W(xué)專業(yè)人員在充分調(diào)研、分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合電廠實(shí)際情況，提出了“對(duì)冷卻水進(jìn)行堿化處理，提高定子冷卻水pH”的定子冷卻水水質(zhì)優(yōu)化控制方案，優(yōu)化改進(jìn)后發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)控制規(guī)范，見表2。

表2 發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)控制規(guī)范Tab.2 Water control specifications of the cooling-water system of generator stator

3 增加堿化控制裝置，提高定子冷卻水pH值

定子冷卻水系統(tǒng)提高pH常用的方式有：使用添加Na型樹脂混床法，H/OH型和Na/OH并聯(lián)混床法，直接注入堿液法等，每種控制方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，秦二廠化學(xué)專業(yè)人員經(jīng)過多次調(diào)研，并結(jié)合秦二廠的系統(tǒng)狀況，工藝特點(diǎn)和場(chǎng)地情況進(jìn)行分析，提出“通過增加包含除鹽裝置和加堿裝置以及配套監(jiān)督儀表”來改進(jìn)秦二廠的定子冷卻水水質(zhì)控制方案。通過增加堿化裝置和在線化學(xué)儀表，可以實(shí)現(xiàn)提高定子冷卻水pH，增加定子冷卻水系統(tǒng)凈化的靈活性以及對(duì)溶解氧連續(xù)監(jiān)督等功能。

3.1 堿化控制裝置特點(diǎn)

NLS-01型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水優(yōu)化處理裝置是由一套混合離子交換器（直徑為550㎜）和一套自動(dòng)加堿（調(diào)節(jié)pH值）系統(tǒng)組成，同時(shí)配有在線電導(dǎo)率儀、pH表計(jì)。所有裝置和管道連接均采用不銹鋼；為了防止樹脂進(jìn)入系統(tǒng)，在混合離子交換器出口加裝樹脂捕捉器（材質(zhì)為不銹鋼）；混合離子交換器內(nèi)裝填經(jīng)過特殊處理的離子交換樹脂。該裝置的主要特點(diǎn)是：能將系統(tǒng)出水pH值控制在8.0～9.0的范圍內(nèi)，此時(shí)內(nèi)冷水系統(tǒng)的電導(dǎo)率一般能穩(wěn)定在1.0～2.0μs/cm，符合DL/T801－2010要求，冷卻水中的銅離子含量可維持在10μg/L以下，徹底解決發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水銅導(dǎo)線腐蝕問題。

3.2 堿化控制裝置的控制與運(yùn)行方式改進(jìn)

首先，根據(jù)核電廠對(duì)安全的高標(biāo)準(zhǔn)要求，采用兩臺(tái)入口電導(dǎo)的平均值控制加藥泵的啟停：當(dāng)平均值高于停泵設(shè)定值時(shí)，加藥泵停止；當(dāng)平均值低于啟泵設(shè)定值時(shí)，加藥泵啟動(dòng)。同時(shí)，為了防止由于單一設(shè)備故障導(dǎo)致過量加藥事件發(fā)生，要求在NLS-01型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水優(yōu)化處理裝置原控制方式的基礎(chǔ)上再增加了一項(xiàng)保護(hù)，對(duì)加藥控制采用三重保護(hù)，以確保不發(fā)生由于設(shè)備單一故障等導(dǎo)致過量加藥。

1）兩臺(tái)入口電導(dǎo)的差值控制加藥泵的啟停：當(dāng)差值大于等于設(shè)定值時(shí)，加藥泵停止；當(dāng)差值大于等于設(shè)定值的時(shí)長(zhǎng)超過設(shè)定時(shí)間，系統(tǒng)切換至手動(dòng)狀態(tài)。如未超過設(shè)定時(shí)間轉(zhuǎn)變?yōu)樾∮谠O(shè)定值時(shí)，延時(shí)120秒后加藥泵啟動(dòng)。

2）當(dāng)加藥泵高頻率連續(xù)運(yùn)行一定時(shí)間時(shí)立即停泵：當(dāng)加藥泵頻率大于等于泵頻率高限值，并連續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到超限停泵延時(shí)值時(shí)，加藥泵停止。

3）由現(xiàn)場(chǎng)電導(dǎo)表（1GST002MR）取一路4-20mA信號(hào)控制加藥系統(tǒng)的運(yùn)行：當(dāng)此電導(dǎo)信號(hào)大于設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)切換至手動(dòng)狀態(tài)，且加藥泵停止工作。

圖3 定子冷卻水增加堿化裝置前后水質(zhì)趨勢(shì)比較Fig.3 The comparison of the trends in water quality before and after using Alkalized Control Device

此外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)定子冷卻水的全面監(jiān)測(cè)，在原堿化裝置上增加了一套在線溶解氧表，實(shí)現(xiàn)對(duì)定子冷卻水溶解氧的在線監(jiān)測(cè)。

3.3 增加堿化控制裝置后定子冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行情況

在秦二廠109換料大修期間，對(duì)定子冷卻水系統(tǒng)增加堿化裝置技術(shù)改造。機(jī)組啟動(dòng)后，投運(yùn)堿化裝置。一個(gè)燃料循環(huán)下來，堿化裝置運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)定子冷卻水pH保持在8.5±0.1范圍內(nèi)，電導(dǎo)率保持在0.8～1.0μS/cm范圍，銅含量降低到2.0ppb以下，見圖3。定子冷卻水母管流量維持最佳流量95t/h左右。從定子冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行情況及實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)看，實(shí)施增加堿化裝置改造后，定子冷卻水中的銅含量有明顯下降，定子冷卻水流量穩(wěn)定，表明加堿裝置對(duì)抑制銅腐蝕有較好效果，達(dá)到了預(yù)想要求。

4 定子冷卻水系統(tǒng)低氧控制

從溶解氧與銅的腐蝕關(guān)系可知，盡管水中溶解氧對(duì)銅的腐蝕影響具有雙重性質(zhì)，即在一定條件下是腐蝕性介質(zhì)，助長(zhǎng)銅的腐蝕，促進(jìn)不穩(wěn)定的氧化物生成；在另一條件下，溶解氧含量過高或過低對(duì)腐蝕有延緩作用。但實(shí)踐證明，即使溶解氧很大，也不能使腐蝕速率比無氧或低氧時(shí)更低。因此，有必要對(duì)定子冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行低氧控制，以有效降低氧的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

定子冷卻水溶解氧的控制可以通過定子冷卻水系統(tǒng)啟動(dòng)階段充注無氧水或在運(yùn)行期間對(duì)定子冷卻水箱頂部氣體采用氮?dú)庑×髁窟B續(xù)吹掃或定期吹掃的方式來實(shí)現(xiàn)。在定子冷卻水系統(tǒng)沒有泄漏的情況下，采用氮?dú)庑×髁浚?00L/h左右）連續(xù)吹掃或定期吹掃，既可以保證水箱頂部氫氣含量滿足小于2%的安全要求，也能保證定子冷卻水中溶解氧含量小于30ppb規(guī)范要求。

5 結(jié)論

秦二廠發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)增加堿化控制裝置技術(shù)方案中，在NLS-01型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水優(yōu)化處理堿化控制裝置原有控制方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合電廠實(shí)際情況，從定子冷卻水系統(tǒng)原有電導(dǎo)表（1GST002MR）取一路4~20mA信號(hào)控制加藥系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)加藥控制采用三重保護(hù)，安全性能大大提升。

在堿化控制裝置技術(shù)方案中增加了一套在線溶解氧表，可以對(duì)溶解氧進(jìn)行連續(xù)監(jiān)督。通過對(duì)定子冷卻水箱實(shí)施氮?dú)飧采w和定期吹掃，借助溶解氧表就可以對(duì)這些措施效果進(jìn)行跟蹤評(píng)價(jià)，使定子水溶解氧控制在很低的水平，完善了設(shè)計(jì)上水質(zhì)監(jiān)督方案的不足。

實(shí)施增加堿化裝置改造后，定子冷卻水中的銅含量明顯下降，定子冷卻水流量穩(wěn)定，有效解決了秦二廠汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)流量異常下降這一危及汽輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的重大隱患，使汽輪發(fā)電機(jī)組的可靠性得到進(jìn)一步提高。

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