于 淼

(中核集團(tuán)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(xué)控制

于 淼

(中核集團(tuán)遼寧核電有限公司，遼寧 興城 125100)

冷卻水的水質(zhì)對保證發(fā)電機(jī)組設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要，為了確保發(fā)電機(jī)組設(shè)備的安全運(yùn)行，對發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水品質(zhì)的要求越來越高。分析了AP1000核電機(jī)組發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)化學(xué)控制方式，通過對定子冷水系統(tǒng)化學(xué)指標(biāo)的分析，指出了該類機(jī)組化學(xué)控制存在的不足，提出了有效的水質(zhì)控制優(yōu)化方案，對同類核電機(jī)組具有重要的借鑒意義。

AP1000；定子冷卻水；化學(xué)控制

大中型發(fā)電機(jī)組設(shè)備普遍采用水—?dú)洹獨(dú)淅鋮s方式，發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水選用除鹽水或凝結(jié)水作為冷卻介質(zhì)。發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水是在高電場中作冷卻介質(zhì)，對內(nèi)冷水的水質(zhì)要求嚴(yán)格，除了清潔、透明、無機(jī)械雜質(zhì)外，還必須要有足夠的絕緣性(即極小的電導(dǎo)率)，不結(jié)垢，并對發(fā)電機(jī)銅導(dǎo)線和系統(tǒng)無侵蝕性等，冷卻水的水質(zhì)對保證發(fā)電機(jī)組設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。為了確保發(fā)電機(jī)組設(shè)備的安全運(yùn)行，對發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水品質(zhì)的要求越來越高，我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 801—2010《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求》對發(fā)電機(jī)冷卻水水質(zhì)的要求為：電導(dǎo)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(tǒng)配置

AP1000發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)采用低氧/中性的控制方式。系統(tǒng)補(bǔ)水源為除鹽水，水質(zhì)沖洗合格后全封閉運(yùn)行。系統(tǒng)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(fā)電機(jī)入口、發(fā)電機(jī)出口和離子交換器出口分別設(shè)置有一個在線監(jiān)測的電導(dǎo)率計(jì)。發(fā)電機(jī)入口設(shè)置有一個PH計(jì)(非在線)，需要投入時(shí)投入使用。圖1為AP1000發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)流程圖。

圖1 AP1000發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)流程

在正常運(yùn)行時(shí)，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(jīng)過主回路進(jìn)入發(fā)電機(jī)定子線圈，其余200 L/min的流量通過旁路管道進(jìn)入RH-ROH型混床以降低電導(dǎo)率，旁路流量大小可通過閥門調(diào)節(jié)，系統(tǒng)參數(shù)如下表1所示。

表1 AP1000發(fā)電機(jī)定子冷取水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

為降低水中的溶解氧，AP1000定子冷卻水系統(tǒng)中的定子冷卻水箱內(nèi)充有30～50 kPa的氫氣。不同于國內(nèi)其他電廠在定冷水箱內(nèi)充氮?dú)庖越档腿芙庋醯耐ǔＷ龇?。AP1000的定冷水箱通過一根管道與發(fā)電機(jī)氫氣系統(tǒng)相連，直接引入水箱，與充氮的做法相比更加簡便、經(jīng)濟(jì)，同樣可以實(shí)現(xiàn)將水箱內(nèi)的水與空氣隔離降低溶解氧的效果。發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部的氫氣會通過定冷水水電接頭的軟管少量而持續(xù)地滲入水中，最終聚集在定冷水箱中，因此水箱內(nèi)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(shí)現(xiàn)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(nèi)充氮，隨著氫氣不斷滲入定冷水，水箱內(nèi)的氫氣比例會越來越高，要保證水箱內(nèi)氮?dú)獾募兌龋托枰獙λ涑掷m(xù)排氣并補(bǔ)充氮?dú)?，增加系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)的工作量。

2 國內(nèi)定冷水行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及其他核電廠的定冷水化學(xué)控制

2.1 國內(nèi)定冷水行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

2010年，電力行業(yè)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會對《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水及其系統(tǒng)技術(shù)要求》進(jìn)行升版，并于2011年5月1日起執(zhí)行。新標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定如表2所示。在表2中，將pH值由7升至8時(shí)，銅的腐蝕率可下降為1/6；由8升至8.5時(shí)，腐蝕率下降為1/15；提高pH值可采用Na型混床，補(bǔ)凝結(jié)水、精處理出水加氨、加NaOH等方式；因泄露和耐壓試驗(yàn)需要，可臨時(shí)將電導(dǎo)率降至0.4 μS/cm以下；溶氧僅對pH<8時(shí)控制。

表2 DL/T 801—2010《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水之及系統(tǒng)技術(shù)要求》

2.2 國內(nèi)其他核電廠定冷水化學(xué)控制

國內(nèi)其他核電廠定冷水化學(xué)控制如表3所示。秦山二期原設(shè)計(jì)為中性處理，2011年發(fā)生定子線圈堵塞并進(jìn)行化學(xué)清洗后進(jìn)行了堿性改造，增加了加堿裝置。

表3 國內(nèi)其他核電廠定冷水化學(xué)控制

3 AP1000定冷水化學(xué)指標(biāo)分析

銅導(dǎo)線腐蝕反應(yīng)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(yīng)(1)、(2)、(3)是銅在純水中的氧腐蝕，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，生產(chǎn)的OH-能抑制反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)(4)生成的H+中和OH-，促使氧腐蝕不斷進(jìn)行；同時(shí)反應(yīng)(5)、(6)也使有一定保護(hù)作用的Cu2O和CuO膜溶解，使內(nèi)冷水中析出Cu2+，并且有利于O2向基體銅擴(kuò)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(guān)。一般來說，Cu在H2O中的電位在0.1～0.38 V范圍內(nèi)，如果水的pH值小于6.95時(shí)，Cu處于腐蝕區(qū)，此時(shí)Cu表面很難有穩(wěn)定的表面膜存在，水的pH值大于6.95時(shí)，進(jìn)入鈍化區(qū)，Cu表面的初始氧化亞銅膜能穩(wěn)定存在，Cu不會出現(xiàn)腐蝕。通常在溫度為40～60℃內(nèi)冷水介質(zhì)中，銅腐蝕速率較低的pH值范圍為7.0～9.1。當(dāng)pH值大于9.1時(shí)，Cu2O和CuO保護(hù)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(yùn)行中，發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水pH值受空氣中CO2的溶入速度影響。AP1000內(nèi)冷水控制方式為中性處理方式，緩沖性小，少量CO2進(jìn)入就會使水的pH值急劇下降，最低可降至5～6，此時(shí)銅已進(jìn)入腐蝕區(qū)。此外，CO2還會與氧聯(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(zhì)，在一定條件下是腐蝕性介質(zhì)，助長銅的腐蝕，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(shí)銅的腐蝕速度最高。25℃時(shí)，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(nèi)冷水的運(yùn)行溫度為40～60℃，因此內(nèi)冷水系統(tǒng)溶解氧含量處于銅腐蝕區(qū)內(nèi)。 在腐蝕發(fā)生后，通常在金屬表面形成雙層結(jié)構(gòu)的氧化層。溫度比較高時(shí)，產(chǎn)物的成膜性能不如低溫下的效果好，此時(shí)腐蝕產(chǎn)物只有少量附著在金屬材料表面，大部分會脫落下來轉(zhuǎn)入水中。為避免腐蝕，國外限制發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水溶解氧含量小于20 μg/ L 或50 μg/ L，《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水及其系統(tǒng)技術(shù)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(xié)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(guān)系曲線

3.3 電導(dǎo)率對銅腐蝕的影響

電導(dǎo)率對銅導(dǎo)線的腐蝕有一定的影響，從對銅的腐蝕保護(hù)觀點(diǎn)來看，冷卻水的電導(dǎo)率過低是不利的， 圖4給出電導(dǎo)率對銅腐蝕影響的試驗(yàn)結(jié)果。電導(dǎo)率降低，腐蝕速度上升。一般認(rèn)為其低限為1 μS/cm，個別電壓等級較高機(jī)組不應(yīng)低于0.5 μS/cm。水的電導(dǎo)率大于2 μS/cm時(shí)，銅腐蝕速度趨于平穩(wěn)。

電導(dǎo)率為1μS/cm時(shí)腐蝕速度最低，電導(dǎo)率再降低時(shí)，腐蝕速度也會升高。從這些試驗(yàn)結(jié)果可以看出，降低發(fā)電機(jī)冷卻水電導(dǎo)率的控制值，不會改善銅導(dǎo)線腐蝕狀況, 發(fā)電機(jī)冷卻水電導(dǎo)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(dǎo)率對銅腐蝕速率的影響

4 AP1000定冷水系統(tǒng)運(yùn)行期間化學(xué)控制應(yīng)對措施及建議

4.1 提高pH值運(yùn)行

AP1000定冷水系統(tǒng)pH控制指標(biāo)偏低，《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水及其系統(tǒng)技術(shù)要求》中指出將pH值由7升至8時(shí)，銅的腐蝕率可下降為1/6；由8升至8.5時(shí)，腐蝕率下降為1/15；而AP1000定冷水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)要求pH為6～8，為此需在控制范圍內(nèi)，盡可能的提高pH值。提高pH值可采用Na型混床，補(bǔ)凝結(jié)水、精處理出水加氨、加NaOH等方式。對于AP1000機(jī)組最簡單的方式為采用Na型混床。

Na型混床內(nèi)裝填的是RNa-ROH型樹脂，AP1000定冷水系統(tǒng)可以通過小旁路進(jìn)入混床，發(fā)生如下反應(yīng)：

nRNa+Mn+→RnM+nNa+

xROH+Ax-→RxA+xOH-

式中M——銅、鐵、氨等陽離子；

n——電荷數(shù)；

A——氯、碳酸根等陰離子；

x——電荷數(shù)。

從以上反應(yīng)可以看出，鈉型混床在去除定冷水的陰陽離子的同時(shí)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(tǒng)設(shè)置有一用一備兩臺混床并各配置有獨(dú)立的進(jìn)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(dǎo)率，RNa-ROH型混床用于控制系統(tǒng)為微堿性。通過閥門切換，在定冷水pH值過低時(shí)投用RNa-ROH型混床提升pH值，在定冷水電導(dǎo)率過高時(shí)投用RH-ROH型混床降低電導(dǎo)率，將定冷水的水質(zhì)控制在電導(dǎo)率為1～5μS/cm，pH值為7～9的目標(biāo)范圍內(nèi)，最大程度的降低定子線圈的腐蝕。

此外，保證系統(tǒng)嚴(yán)密性，防止水質(zhì)在運(yùn)行過程中進(jìn)入CO2使pH值降低。

4.2 化學(xué)定期監(jiān)督定冷水中Cu離子的含量

國內(nèi)其他核電機(jī)組對定冷水中銅離子均有限值及分析頻度要求，《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水及其系統(tǒng)技術(shù)要求》指出定冷水系統(tǒng)銅離子含量應(yīng)小于20μg/ L。為此應(yīng)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jiān)督系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)語

AP1000定冷水系統(tǒng)化學(xué)控制方案及參數(shù)指標(biāo)，溶氧及pH值的控制不同于國內(nèi)其他核電機(jī)組，尤其pH值的要求略低于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，存在pH值偏低導(dǎo)致定子線圈腐蝕速率過快的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，在運(yùn)行期間，應(yīng)及時(shí)制定應(yīng)對預(yù)案，保證發(fā)電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(本文編輯：嚴(yán) 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(xué)管理工作。

TL362

B

2095-1256(2016)05-0637-04

2016-06-24