馬慶柱，崔 濤，黃菊艷，孫 晶

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發(fā)電機定子冷卻水水質控制技術分析

馬慶柱，崔 濤，黃菊艷，孫 晶

（中國石油集團電能有限公司油田熱電廠，黑龍江 大慶 163314）

通過對某電廠4臺發(fā)電機定冷水箱補水水源及定冷水處理方法的介紹、對發(fā)電機定冷水指標間相互關系的論述，對比分析了3種不同的水質處理手段（特種混床法、超凈化+堿法和離子交換+充氮密封法）在現(xiàn)場的實際運用情況。指出了目前電廠存在著標準更新緩慢、水質處理方法選擇不佳、儀表測量準確性不足、指標重視程度不夠、定冷水系統(tǒng)運行維護和發(fā)電機停備用保護欠妥等方面的問題，從而造成了定冷水pH值和銅含量指標間斷性不合格，排污、換水操作頻繁，增大環(huán)保壓力與經濟損失的同時，也給發(fā)電機的安全運行帶來了風險。本文可為今后電廠選擇定冷水處理技術，制定相關維護措施提供參考。

發(fā)電機；空芯銅導線；定冷水系統(tǒng)；定冷水指標；水質處理方法；銅腐蝕

0 前言

某電廠4~7號發(fā)電機（3×200MW和1×300MW）均采用水-氫-氫冷卻方式，其中，定冷水通過空芯銅導線對定子繞組進行冷卻。4~6號機組定冷水補水為未加氨的除鹽水；7號機組（300MW）定冷水補水為加氨后的除鹽水。在4號、5號機組定冷水系統(tǒng)分別加裝了均由A公司提供的ND/NLY-5-2型和ND/NL-5-2型定冷水凈化裝置；后在6號機組定冷水系統(tǒng)加裝了由B公司提供的定冷水超凈化裝置；2013年在7號機組定冷水系統(tǒng)隨機組建設配套安裝了C公司的定冷水離子交換器。文章就定冷水指標控制問題進行了分析和討論，可為企業(yè)選擇水質處理技術，制定維護措施提供借鑒。

1 發(fā)電機銅腐蝕因素及其相互關系

為了同時保證發(fā)電機的絕緣水平和空芯銅導線的防腐性能，文獻[1]~[3]規(guī)定：對于200MW及以上發(fā)電機定冷水水質要求電導率(25℃)0.4～2.0μS/cm、含銅量≤20μg/L、pH值(25℃)7.0～9.0且當pH值(25℃)7.0～8.0時，溶解氧≤30μg/L。然而，經過統(tǒng)計2年來的電廠監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有的定冷水系統(tǒng)由于處理方法[4]選擇不當、重視程度不高和系統(tǒng)維護不及時等方面的原因，水質指標合格率低。在定冷水系統(tǒng)長時間處于檢修或者備用狀態(tài)過程中，采取的保護措施不到位，也給發(fā)電機的安全運行帶來了隱患。

1.1 發(fā)電機銅腐蝕的影響因素

定冷水含銅量升高，銅的腐蝕產物在空芯銅導線的彎角、縮口、轉彎等處沉積，嚴重時造成局部堵塞，定冷水流量降低，引起線圈溫度上漲，甚至造成發(fā)電機線圈燒毀事故[5,6]。

根據(jù)文獻[1]可知：電導率在接近于2.0μS/cm、pH值在8.5左右，銅的腐蝕速率最低，而此時與溶解氧的濃度幾乎無關。但在中性純水中溶解氧對銅的腐蝕影響很大，只有溶解氧＞3000μg/L或＜30μg/L，銅的溶解度較低且趨于平穩(wěn)。

另外，H2和CO2與定冷水接觸后會使其電導率急劇增加。H2會還原銅離子形成金屬銅并遷移、沉積在定子線圈的出水端；CO2含量高會造成電導率上升、pH值降低?？刹扇√岣呙荛]性、添加除碳器、加裝水封或通氮密封等措施來降低定冷水中CO2含量[7]。

1.2 因素間的相互關系

電導率體現(xiàn)出的是離子的含量，除鹽水為定冷水補充水時，其值升高主要是CO2在水中形成碳酸根離子（CO2累積溶入量可用氫電導率CC來表征[8]）。電導率對發(fā)電機安全運行有雙重影響。電導率＜0.4μS/cm，會制約pH上限值的控制，不利于銅防腐；電導率高超標嚴重時，聚四氟乙烯絕緣引水管會發(fā)生漏電、閃絡燒傷等故障[9]。做絕緣試驗時，我國發(fā)電機生產廠家一般要求電導率＜0.4μS/cm，國外有的要求＜0.2μS/cm，這與防止銅腐蝕產生矛盾。實際運行時，pH值升高，電導率跟著上漲；降低電導率，pH值隨著下降，銅腐蝕加劇[10]。

pH值＜7.0，銅處于腐蝕區(qū)，銅含量升高，電導率增大。開放式定冷水系統(tǒng)pH值降低主要是定冷水吸收了CO2，受吸收CO2及銅腐蝕的影響，循環(huán)使用的定冷水如不加以更換或處理，其pH值將慢慢降低，銅含量及電導率會逐漸升高。

在接近中性范圍內，溶解氧通常會加速銅的腐蝕。

2 某電廠4臺發(fā)電機的定冷水處理方法

根據(jù)某電廠200MW機組定冷水溶解氧7130～7440μg/L、未加氨除鹽水pH值為6.4～6.9富氧中性情況，在不做較大技術改造的情況下，發(fā)電機定冷水處理方法宜選擇富氧堿性工況，其定冷水pH=8.5左右為最佳。并盡可能保持定冷水系統(tǒng)溫度、溫差、流量、流速、壓差、電導率等指標平穩(wěn)[11]，以利于提高銅表面多孔結構的CuO膜層的穩(wěn)定性，降低定冷水中銅釋放速率。在不能保證pH值＞8.0時，應謹慎選用定冷水箱通氮除氧等方法來改變系統(tǒng)中的溶解氧，以防向貧氧區(qū)過渡，出現(xiàn)腐蝕峰值，銅表面的單斜晶系CuO與立方晶系Cu2O相互轉變時，氧化物摩爾體積的變化以及由此產生的晶變應力造成腐蝕產物脫落，引發(fā)銅含量上漲[12,13]。

2.1 特種混床法

2.1.1 特種混床+除氧法

如圖1所示，4號發(fā)電機此種裝置主要由特種混床處理單元、除氧處理單元、取樣檢測單元及相應管道閥門等組成。其工作原理為：定冷水（3%～5%）流經混床處理單元時，裝置內部專用樹脂穩(wěn)定維持定冷水指標在標準范圍內；定冷水流經除氧處理單元時，專用除氧催化填料使進入單元的微量H2充分與溶解氧化合成H2O，保證定冷水中溶解氧＜30μg/L。

整套裝置就地有出口pH表和入口電導率表各1塊，同時就地有出水取樣點1處，取樣間有1塊電導率表。運行維護時，裝置入口處流量計指示值應在發(fā)電機定冷水流量的3%～5%范圍內。高于該范圍，有可能導致出水電導率低于規(guī)定值；低于該范圍，有可能導致出水電導率高于規(guī)定值。該型號特點：雙塔、單元式結構；無動力設備，維護量??；樹脂1～2年需再生一次；初次投入前要對特種離子交換器進行沖洗、排污；裝置停運時須關閉氫氣截止門。

由于4號發(fā)電機定冷水系統(tǒng)10余年來始終處于富氧工況運行，銅表面形成了致密的氧化膜，保護性很強，系統(tǒng)向貧氧工況轉變時銅腐蝕速率減小效果不明顯。加上定冷水系統(tǒng)密封不嚴，補入的未加氨的除鹽水溶解氧極高且吸收有大量CO2，在不進行嚴密性改造、補水除氧、充氮密封等情況下，除氧單元很難將定冷水中的溶解氧降至＜30μg/L，溶解氧工況的轉變有破壞氧化膜、增大銅含量的風險，同時又要考慮定冷水系統(tǒng)的停備用保護，故該裝置的除氧單元未投入使用。

【英國《國際核工程》網(wǎng)站2018年10月2日報道】 俄羅斯核燃料產供集團(TVEL)主管科技工作的副總裁亞歷山大·烏格爾耶莫夫2018年9月27日宣布，產供集團計劃與俄羅斯原子能工業(yè)公司(Rosenergoatom)達成協(xié)議，近期在VVER-1000反應堆中對耐事故燃料元件進行輻照試驗。但沒有指明具體將對哪種耐事故燃料進行輻照試驗。

從其水質運行情況看，電導率最大1.7μS/cm，最小0.48μS/cm，完全符合標準要求；pH值為7.73～9.0；銅含量一般情況＜10μg/L（注：統(tǒng)計數(shù)據(jù)為機組運行狀態(tài)良好時，由HSE監(jiān)督站人員查定，排除定冷水系統(tǒng)保護措施不到位等方面的情況，下同）。

圖1 4號發(fā)電機定冷水凈化裝置示意

2.1.2 特種混床+空氣凈化法

如圖2所示，5號發(fā)電機此種裝置主要由特種混床處理單元、空氣凈化單元、儀表單元、取樣檢測單元及相應管道閥門等組成。其工作原理為：定冷水通過旁路（5%左右）流經混床處理單元時，裝置內部專用樹脂穩(wěn)定維持定冷水指標在規(guī)定范圍內；在定冷水箱上部安裝空氣凈化設備（水箱呼吸系統(tǒng)），以阻止CO2氣體進入，確保水質穩(wěn)定。

圖2 5號發(fā)電機定冷水凈化裝置示意

整套裝置就地有定冷水箱pH表和裝置進水電導率表各1塊，取樣間有1塊電導率表。運行時，裝置入口處流量計指示值應在發(fā)電機定冷水流量的5%左右。該裝置特種混床與pH調節(jié)床并聯(lián)運行，電導率高了可增加特種混床的流量，pH值低了可增加pH調節(jié)床的流量。該型號特點：雙塔、單元式結構；無動力設備，維護量??；樹脂1～2年需更換一次；初次投入前要對特種離子交換器進行沖洗、排污；每6～8個月更換水箱呼吸系統(tǒng)的CO2濾芯。實際上，因與4號發(fā)電機定冷水處理過程中除氧方面差不多的原因，空氣凈化設備未投入使用。

從其水質運行情況看，電導率最大1.5μS/cm，最小0.62μS/cm，完全滿足標準要求；pH值為7.64～8.74；銅含量有時超標，最大25μg/L。

2.2 超凈化+堿法

如圖3所示，6號發(fā)電機此種裝置整套設備全部采用不銹鋼制造，不會在運行過程中生成腐蝕產物；所有墊圈采用聚四氟乙烯墊，長期運行不會腐蝕、老化和脫落。該方法是將一定濃度的NaOH溶液加在超凈化裝置出口。因系統(tǒng)密封不嚴和超凈化裝置對鈉的交換吸附會造成pH值呈緩慢下降走勢，pH值降為＜8.0時需重新加藥。事實上，因電廠一直以pH值為7.0～9.0作為控制標準，該裝置加堿功能未充分發(fā)揮。

整套裝置就地有進、出口pH表和電導率表各1塊，同時就地有進、出水取樣點各1處，取樣間有1塊電導率表。從維護情況看，該法調節(jié)pH值較為迅捷，能將銅含量降得很低，樹脂運行周期較長，可達1.5～2年。缺點：樹脂接近失效時需做更換，運行維護時要定期配置堿液，對在線儀表檢測的準確性和加藥系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性要求高。

從其水質運行情況看，電導率最大1.8μS/cm，最小0.1μS/cm，基本符合標準要求；pH值為7.22～8.89，受加藥不及時影響，pH值有連續(xù)走低現(xiàn)象；銅含量總體＜20μg/L。

圖3 6號發(fā)電機定冷水凈化裝置示意

2.3 離子交換+充氮密封法

如圖4所示，7號發(fā)電機隨機組建設配套此法，離子交換器內裝填等比例的強酸、強堿樹脂，用以除去腐蝕顆粒物和陰陽離子等，處理水量是定冷水量的5%～10%。其定冷水箱初始設計為采用充氮密封，水箱內氮氣壓力保持在0.014MPa，但該密封裝置未投入使用。

整套裝置就地有補水電導率表和定子進水電導率表各1塊，取樣間有電導率表和pH表各1塊，值班室CRT畫面有補水電導率、定冷水電導率和pH值顯示。

從1年多來的定冷水控制指標監(jiān)測情況看，電導率最大1.7μS/cm，最小0.5μS/cm，完全滿足標準要求； pH值為6.44～8.86，且有間斷性偏低現(xiàn)象；銅含量多有超標情況，最高為39μg/L。

圖4 7號發(fā)電機定冷水凈化裝置示意

3 3種發(fā)電機定冷水處理方法的應用效果評價

按一段時間（2014年11月19日~2015年9月28日）的監(jiān)督數(shù)據(jù)合格率[14]進行統(tǒng)計，結果見表1?？梢缘贸?，現(xiàn)有維護方式下（凈化裝置部分功能未充分發(fā)揮），3種凈化方法的應用效果為：特種混床法優(yōu)于超凈化+堿法，超凈化+堿法優(yōu)于離子交換+充氮密封法；同為特種混床法，由于維護等方面的原因，在5號發(fā)電機上的應用效果要好于4號發(fā)電機。

表1 4~7號發(fā)電機定冷水指標占比情況 %

4 定冷水系統(tǒng)維護方面的問題及對策

發(fā)電機定冷水系統(tǒng)由于管理不善、運行水平不高、凈化功能未充分發(fā)揮及水質處理不佳等原因，會出現(xiàn)凈化裝置樹脂運行周期短，定冷水pH值低、銅含量高、電導率大（有時表現(xiàn)為樹脂失效，需再生或者更換），頻繁排污、換水等問題。增大凈化裝置負擔、增加運行操作的繁瑣性、增多檢修與運行成本的同時，也引發(fā)銅腐蝕速率加快。

4.1 儀表測量準確性

隨著pH值的升高，空芯銅導線的實際極化電阻值升高，銅表面逐漸形成較穩(wěn)定的鈍化保護膜，氧腐蝕減弱，降低了表層銅的氧腐蝕速率和由不穩(wěn)定銅氧化物釋放到定冷水中的銅含量；而隨著CO2累積溶入量（即氫電導率CC）的升高，碳酸鹽離子參與腐蝕影響，銅的實際極化電阻值降低，加快了銅的氧腐蝕速率。同時，CC高時，會導致定冷水中pH值在線測量不準確。一般來講，應盡量保持定冷水中的CC在0.1μS/cm（對應CO2累積溶入量13μg/L）以下的較低等級[8]。

總體來說，定冷水系統(tǒng)密封性越好、換水次數(shù)越少、補水量越低，夏季運行時，定冷水溫度會普遍較高（高于38℃）。這樣，勢必影響到在線表計測量電極的使用壽命；同時，也容易導致在線pH表、電導率表測定結果的不準確。所以，應加強監(jiān)督站人員與化驗站人員的橫向溝通，時刻比照取樣間和就地的在線表計，發(fā)現(xiàn)異常情況，及時予以解決。

4.2 定冷水系統(tǒng)運行維護

根據(jù)水質查定表單可知，由于電廠多年來一直以文獻[15]（電導率(25℃)≤2.0μS/cm；pH值(25℃)7.0～9.0；銅離子≤40μg/L）作為維護定冷水的標準。同時，在2014年10月中旬以前，對定冷水指標重視程度不夠，導致4臺發(fā)電機定冷水pH值經常偏低，4~6號發(fā)電機定冷水銅含量嚴重超高，5號發(fā)電機定冷水銅含量多數(shù)在200μg/L以上，最高達到340μg/L，給發(fā)電機的安全運行帶來了極大的風險。2014年10月中旬以后，電廠對4~6號發(fā)電機定冷水凈化裝置進行了外委維修。主要對設備進行了樹脂補充、pH調節(jié)裝置維修、儀表電極及水帽更換、布水系統(tǒng)和中排維修及設備整體調試等。從此后投用的效果看（見表1），定冷水水質基本上達到了舊標準的規(guī)定，但離新標準的要求還有一定的差距，需要做進一步的努力。

4.3 發(fā)電機停備用保護

從近2年的水質查定數(shù)據(jù)中，可以看出，電廠在機組備用期間，未能持續(xù)進行定冷水指標的查定工作；而在2014年4號、6號機組低氮燃燒器及脫硝改造的近5個月時間之后，以及在2015年5號機組脫硝改造的近5個月時間之后，相應的機組投運初期，發(fā)電機定冷水含銅量明顯偏高，這是由于發(fā)電機停用保護不佳引發(fā)的。按照文獻[16]規(guī)定：較長時間停用發(fā)電機定冷水系統(tǒng)時，應將內部存水放凈，用干風吹干、充氮密封、壓縮空氣干燥等方法進行防護或采用濕法保護，將pH值提高至8.5～9.0。建議電廠今后根據(jù)機組備用、檢修或技術改造的實際情況，重視并做好定冷水系統(tǒng)的相關工作，防止在此期間產生發(fā)電機銅腐蝕。

5 結論及提示

（1）新導則對定冷水的pH值、電導率、含銅量和溶解氧提出了更高的要求，定冷水水質不達標集中體現(xiàn)在pH值和銅含量上，且具有間斷性的特點，說明電廠只要做好維護工作，定冷水指標提升還是有空間的。

（2）定冷水箱最初設計時充氮密封，但在實際應用中，難以正常投入。在敞開式的定冷水系統(tǒng)中，pH值很難穩(wěn)定在較窄的堿性區(qū)間（8.5左右），除非有更先進的手段，如智能凈化法。

（3）定冷水處理方法的選擇應統(tǒng)籌考慮安全性、環(huán)保性、經濟性、維護量和現(xiàn)場實際等方面的情況，裝置投產后應積極有效地加強運行調整與控制，以最大限度地發(fā)揮裝置的凈化作用。

（4）現(xiàn)有維護方式下，超凈化+堿法，尚有調節(jié)措施，容易使水質合格。特種混床+除氧法對pH值的調節(jié)能力弱，容易出現(xiàn)pH值偏低現(xiàn)象，其它指標正常。特種混床+空氣凈化法中兩床的聯(lián)合調節(jié)需要及時跟進。離子交換+充氮密封法，無調節(jié)pH值的能力，銅含量指標多有超標且充氮密封不投入，樹脂失效快。

（5）水質查定工作應伴隨著定冷水系統(tǒng)投停來進行，不因機組備用而中止；同時，電廠要根據(jù)機組檢修或技術改造的實際情況，有針對性地加強定子線圈停用期間的保護工作。

（6）目前，國內的定冷水處理公司或火力發(fā)電企業(yè)多數(shù)將調控重點放在提高定冷水pH值上，很少對定冷水的溶解氧進行控制與監(jiān)測，電廠的定冷水溶解氧處于＞7000μg/L的富氧狀態(tài)，按照新導則pH值8.0～9.0的規(guī)定，在水質達標問題上，電廠尚需進行一定的努力。

（7）開放式系統(tǒng)使定冷水吸收有相當多的CO2，加上電廠補入的加氨或未加氨的除鹽水有極高的溶解氧和大量的CO2，成為pH值降低的主要原因。

（8）定冷水箱充氮密封雖可阻擋O2和CO2，但它同時也降低了對水箱上部H2監(jiān)測的靈敏度，氫氣泄漏至定冷水系統(tǒng)的6號機組在進行密封改造時應該考慮到這一點，充氮時壓力不能太高或采用水封密封。

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Analysis for the Control Technology of Generator Stator Cooling Water in a Power Plant

MA Qingzhu, CUI Tao, HUANG Juyan, SUN Jing

(Oil-field Thermal Power Plant, China Petroleum Eletric Energy Co., Ltd., Daqing 163314, China)

By introduction of the water supply of the stator cooling water tank and the stator cooling water’s treatment methods of 4 generators in a power plant, and disscussion of the relationship between stator cooling water’s indicators, the practical application of three different water treatment methods(special mixed bed, abnormal operation + alkaline and ion exchange + Nitrogen sealing method)is comparatively analyzed. Some problems are shown such as slow update of the standard, the improper selection of water dealing method, the inaccuracy of the instruments’ measuring results, insufficient a attention of the indexes, the defect of operation and maintenance of the stator cooling water system, improper protection of standstill and stand-by generators. These problems lead to inconsistently unqualified stator cooling water’s pH value and copper content, frequend water change and discharge operation, so the environment protection pressure and the economic losses are all increased, and risks are increased for the generator’s safe operation at the same time. This thesis provides a reference for the choice of future stator cooling water method and the development of relative maintenance measures in power plants.

generator; hollow copper conducting wire; inner cooling water system; inner cooling water’s index; water treatment method; copper corrosion

TM307+.3

A

1000-3983(2018)01-0053-06

2017-02-11

馬慶柱（1971-），在職碩士，研究方向為熱電廠生產過程中運行調控、組織與優(yōu)化操作管理，高級工程師。