劉新福 王 東 黃 旭

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 前言

中核核電運行管理有限公司秦二廠（以下簡稱 “秦二廠”）QFSN 600-2型600MWe級核電汽輪發(fā)電機采用水-氫-氫的冷卻方式。為了滿足發(fā)電機對定子冷卻水的低電導(dǎo)率要求，發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)設(shè)計上采用H—OH型小混床控制方式，補水為空氣飽和的除鹽水。這種設(shè)計，雖然通過小混床對定子冷卻水連續(xù)小流量凈化處理，達到凈化水質(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，并且因為經(jīng)空氣飽和的補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，這時的水對發(fā)電機定子銅線棒的腐蝕非常嚴重。2010年，秦二廠1號機組曾發(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小修的情況。

1 定子冷卻水系統(tǒng)銅的腐蝕機理

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，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，進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，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對銅的腐蝕影響

運行中發(fā)電機定子冷卻水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進入就會使水的pH急劇下降，最低可降至5～6，此時銅已進入腐蝕區(qū)。另外，CO2還會和氧聯(lián)合作用，使銅表面的氧化銅保護膜變成堿式碳酸銅，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)，助長銅的腐蝕，促進不穩(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腐蝕有延緩作用。有關(guān)文獻對銅腐蝕的研究結(jié)果顯示當(dāng)氧濃度為200～300μg/L時，銅的腐蝕率最大。而且，氧對銅的腐蝕與介質(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值達到一定值時，腐蝕率已接近零了[1]，見圖2。對比結(jié)果表明，在不考慮氧化層的條件下，在低氧化還原電勢下（氧濃度<100μg/L）,將形成Cu2O；在高氧化還原電勢下（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。在pH值小于8時，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，這兩種氧化銅的溶解度都將很低，可達到堿性度的要求。當(dāng)pH值大于9時，在室溫下，其溶解度又會升高。氧化銅的溶解度還與溫度相關(guān)，當(dāng)溫度逐漸升高時，其最小的溶解度向pH值降低的方向移動。

由此可見，一個緊湊的冷卻系統(tǒng)是平衡的，不會產(chǎn)生任何問題。但是如果有空氣進入，由于CO2的影響，定子冷卻水pH值將降低，銅腐蝕率會升高，溶液中Cu+和Cu2+將隨之增加，氧化銅溶解度也將升高。同時，氧化還原電勢也將升高，這將形成大量的比Cu2O溶解度高的CuO。若氧氣只是瞬間進入，如空氣瞬間泄漏，氧氣將會很快被混合床消耗，二氧化碳將被釋放出來，氧化還原電勢將下降，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

2.1 定子冷卻水水化學(xué)控制與行業(yè)標(biāo)準的差距

近年來，隨著國產(chǎn)和進口大容量機組新增較多，積累了大量的運行經(jīng)驗。2010年，電力行業(yè)電機標(biāo)準化技術(shù)委員會對《大型發(fā)電機內(nèi)冷卻水及其系統(tǒng)技術(shù)要求》進行升版，并于2011年5月1日起執(zhí)行。新的標(biāo)準明確規(guī)定：發(fā)電機內(nèi)冷卻水應(yīng)采用除鹽水或凝結(jié)水。當(dāng)發(fā)現(xiàn)汽輪機凝汽器有循環(huán)水漏入時，內(nèi)冷卻水的補充水必須用除鹽水。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，更加突出對定子冷卻水系統(tǒng)pH的控制。

秦二廠發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)設(shè)計上使用未除氧的除鹽水作為補水，并且在系統(tǒng)中設(shè)有一臺H—OH型小混床，將發(fā)電所需總水量的3%～5%冷卻水進行凈化處理，以降低系統(tǒng)正常運行期間水的電導(dǎo)率，使之保持在所要求的限值內(nèi)。由于設(shè)計上沒有考慮其它的化學(xué)處理和控制方案，系統(tǒng)補水和運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)范和實際測量值見表1），僅對定子冷卻水系統(tǒng)的銅含量和電導(dǎo)率進行監(jiān)督，對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)電機定子冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)控制規(guī)范及實際測量值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

從銅線棒的腐蝕機理分析可以看出，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，可以不考慮溶解氧的影響。因此，完善電廠在系統(tǒng)設(shè)計上的不足，優(yōu)化控制定子冷卻水的pH值，消除發(fā)電機組潛在的重大隱患，提高發(fā)電機設(shè)備可靠性是我們要考慮解決的問題。

根據(jù)有關(guān)文獻[2]，將pH值由7.0升至8.0時，銅的腐蝕率可下降為1/6；由8.0升至8.5時，腐蝕率下降為1/15，這時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)準的要求低得多，因此，非常有必要改進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)合電廠實際情況，提出了“對冷卻水進行堿化處理，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)化改進后發(fā)電機定子冷卻水系統(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，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，工藝特點和場地情況進行分析，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溶解氧連續(xù)監(jiān)督等功能。

3.1 堿化控制裝置特點

NLS-01型發(fā)電機內(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㎜）和一套自動加堿（調(diào)節(jié)pH值）系統(tǒng)組成，同時配有在線電導(dǎo)率儀、pH表計。所有裝置和管道連接均采用不銹鋼；為了防止樹脂進入系統(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。該裝置的主要特點是：能將系統(tǒng)出水pH值控制在8.0～9.0的范圍內(nèi)，此時內(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行方式改進

首先，根據(jù)核電廠對安全的高標(biāo)準要求，采用兩臺入口電導(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，加藥泵停止；當(dāng)平均值低于啟泵設(shè)定值時，加藥泵啟動。同時，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)上再增加了一項保護，對加藥控制采用三重保護，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，加藥泵停止；當(dāng)差值大于等于設(shè)定值的時長超過設(shè)定時間，系統(tǒng)切換至手動狀態(tài)。如未超過設(shè)定時間轉(zhuǎn)變?yōu)樾∮谠O(shè)定值時，延時120秒后加藥泵啟動。

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

3）由現(xiàn)場電導(dǎo)表（1GST002MR）取一路4-20mA信號控制加藥系統(tǒng)的運行：當(dāng)此電導(dǎo)信號大于設(shè)定值時，控制系統(tǒng)切換至手動狀態(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)趨勢比較Fig.3 The comparison of the trends in water quality before and after using Alkalized Control Device

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

3.3 增加堿化控制裝置后定子冷卻水系統(tǒng)運行情況

在秦二廠109換料大修期間，對定子冷卻水系統(tǒng)增加堿化裝置技術(shù)改造。機組啟動后，投運堿化裝置。一個燃料循環(huán)下來，堿化裝置運行穩(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)運行情況及實驗室分析數(shù)據(jù)看，實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，表明加堿裝置對抑制銅腐蝕有較好效果，達到了預(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)，助長銅的腐蝕，促進不穩(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腐蝕有延緩作用。但實踐證明，即使溶解氧很大，也不能使腐蝕速率比無氧或低氧時更低。因此，有必要對定子冷卻水系統(tǒng)進行低氧控制，以有效降低氧的腐蝕風(fēng)險。

定子冷卻水溶解氧的控制可以通過定子冷卻水系統(tǒng)啟動階段充注無氧水或在運行期間對定子冷卻水箱頂部氣體采用氮氣小流量連續(xù)吹掃或定期吹掃的方式來實現(xiàn)。在定子冷卻水系統(tǒng)沒有泄漏的情況下，采用氮氣小流量（200L/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信號控制加藥系統(tǒng)的運行，對加藥控制采用三重保護，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，可以對溶解氧進行連續(xù)監(jiān)督。通過對定子冷卻水箱實施氮氣覆蓋和定期吹掃，借助溶解氧表就可以對這些措施效果進行跟蹤評價，使定子水溶解氧控制在很低的水平，完善了設(shè)計上水質(zhì)監(jiān)督方案的不足。

實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)電機組發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)流量異常下降這一危及汽輪發(fā)電機組安全運行的重大隱患，使汽輪發(fā)電機組的可靠性得到進一步提高。

［1］DL/T801-2010大型發(fā)電機內(nèi)冷卻水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求[M].北京:中國電力出版社,2011.

［2］謝學(xué)軍,等.水內(nèi)冷發(fā)電機空芯銅導(dǎo)線腐蝕行為研究[J].腐蝕科學(xué)與防護技術(shù),2005,11,17(6):429-431.

［3］王志平,余興林.QFSN-2600-2YHG型發(fā)電機定冷水處理方式的改進探索[J].華北電力技術(shù),2007(10):22-24.

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