核电装置定子冷却水系统改进

2016-02-08柏乐郑彬

设备管理与维修 2016年12期

关键词：混床碱化冷却水

柏乐，郑彬

（海南核电有限公司，海口570125）

核电装置定子冷却水系统改进

柏乐，郑彬

（海南核电有限公司，海口570125）

海南核电发电机定子冷却水系统在调试期间，定子冷却水铜含量超过国标要求。通过对定子冷却水铜含量高的原因进行分析，采用增加碱化装置的方法，提高定子冷却水pH，使铜含量满足规范要求，避免发电机定子冷却水系统腐蚀，保障发电机组的安全运行。

定子冷却水；铜腐蚀；碱化控制

0 前言

海南核电发电机组采用“水-氢-氢”冷却方式，在1号机组调试期间，多次检测发现定子冷却水铜含量超过运行控制限值，说明当前系统水质条件对定子绕组铜线圈产生严重的腐蚀。虽然定子冷却水系统设有H/OH型混床以净化水质，但无法从根本上避免铜腐蚀的发生。参考国内其他电站定子冷却水系统运行的经验，铜腐蚀产物的沉积，会导致发电机定子流量下降以及定子进出口压差逐渐增大等异常情况，严重影响发电机组的安全运行[1]。

1 影响定子冷却水系统铜腐蚀的因素

图1 pH值与铜的腐蚀速率关系曲线

（1）pH值。pH值影响铜的电极电位，是控制铜腐蚀的最关键因素。当pH＜6.9时，铜的腐蚀速率非常高，形成的腐蚀产物（铜的氧化物）溶解在水中，很难形成稳定的氧化膜。当pH值在7～9之间时，铜腐蚀速率明显降低，铜表面可形成稳定氧化膜，在水中溶解度很低[2]。当pH＞9时，铜腐蚀速率明显增加，氧化膜溶解度开始增加。pH值与铜腐蚀速率的关系见图1。

（2）CO2。如果有空气进入，在CO2的影响下，定子冷却水pH值将降低。定子冷却水补充水pH值在6～7之间，若有空气进入，定子冷却水pH偏向酸性。根据pH对铜腐蚀的影响，此时铜腐蚀率很高，溶液中铜含量随之增加。CO2与氧联合作用，在铜表面形成碱式碳酸铜，因其松软易被水流冲刷掉，导致铜腐蚀不断增加。

（3）溶解氧。当溶解氧浓度很低时，铜腐蚀速率较低，随着氧浓度的增加，铜腐蚀速率升高；当氧含量增加到一定值时，铜腐蚀速率会达到最大，之后随溶解氧含量的升高铜腐蚀速率会逐渐降低。有关文献研究结果显示，当氧浓度为200～300 μg/L时，铜的腐蚀率最大。而且氧对铜的腐蚀与pH值有很大关系，在酸性、中性水条件下铜腐蚀速率很高，在碱性条件下（pH值8～9）铜腐蚀速率很低[3]。铜的腐蚀速率与pH值、溶解氧含量关系见图2。

图2 铜的腐蚀速率与pH值、溶解氧含量关系曲线

2 发电机定子冷却水系统

海南核电1号机组调试期间，定子冷却水铜含量长时间超过国标规范，对定子冷却水pH值和铜含量在30天内连续跟踪分析，检测数据见图3、图4。从图中可以看出，定子冷却水pH值在6.35～6.6之间，铜含量最高近8×10-8（80 ppb）。经3次换水后，定子冷却水铜含量明显降低，但停止换水后，铜含量逐渐升高至超过国标控制值，只有通过不断换水才能降低铜含量。

根据水质分析结果和铜腐蚀影响因素分析，定子冷却水pH呈弱酸性，会促进系统金属铜腐蚀的发生，导致水中铜含量超出国标控制规范。因此，为降低定子冷却水铜含量，必须抑制定子绕组铜线圈的腐蚀，避免出现发电机定子冷却通道堵塞、流量下降、线棒温度上升等严重后果。

图3 定子冷却水pH值

3 发电机定子冷却水水质控制标准

（1）水质控制标准。DL/T801—2002《大型发电机内冷却水及其系统技术要求》发布以来，国产和进口大容量机组新增较多，积累了大量的运行经验，运行中发生的多种事故直接与内冷水相关，原标准已明显不能满足迅速发展的要求，国家电力行业对大型发电机定子内冷水水质已作出严格要求，并发布了《DLT_801-2010大型发电机内冷却水质及系统技术要求》，厂内发电机定子冷却水系统对水质控制的设计已明显不能满足最新国标的要求，而且定子冷却水水质控制不规范会导致系统铜腐蚀，严重时影响发电机组安全稳定运行。

（2）水质控制思路。通过对铜腐蚀的影响因素和定冷水水质情况的分析，提高pH是最急需解决的问题。根据国标（表1）的要求，内冷水pH控制值在8～9之间时，将不考虑水中的氧含量，铜线棒腐蚀速率将大大降低，可很好的抑制铜腐蚀的发生。据此，重新制定定子冷却水水质规范（表2），并按此要求对系统进行改进和优化。

图4 定子冷却水Cu含量

表1 发电机定子冷却水控制标准

表2 海南核电发电机定子冷却水控制规范

4 发电机内冷水优化改进

4.1 提高定子冷却水pH值的方法

（1）采用凝结水作为补充水。海南核电凝结水采用添加氨的方式进行水质pH值控制，控制凝结水pH值9.4～10，电导率10～18 us/cm。虽然采用凝结水作为GST补充水不需额外增加加药装置，但是凝结水电导率太高，若补充水流量调节不当，造成定子冷却水电导率＞5 us/cm，引起报警，不利于发电机安全运行。当电导率高时，调节净化床流量，而净化除掉NH4+后电导率降低，但是pH值也同样降低，GST水质控制不稳定。并且引入的NH4+可能会与铜离子进行络合反应，加快铜的腐蚀，故此方法不合适。

（2）采用Na型混床运行方式。发电机定子冷却水设计有混床以净化水质，降低电导率。混床设计采用强酸、强碱混合型树脂，运行时出水为中性，pH值7左右。若采用钠型混床进行处理后，可控制pH值为8～9。但是当补充水质较差或定子冷却水硬度较高时，会造成pH值和电导率快速上升，威胁发电机安全运行，并且在运行期间需要根据电导率、pH值适时调整混床流量。由于存在安全风险，没有采用该方法。

（3）RNa+ROH和RH+ROH的双套小混床处理方式。通过技术改造，在原系统增加1套RNa+ROH混床，与原RH+ROH混床并列存在。当内冷水的pH值偏低时，投运Na/OH型混床，Na＋从RNa型树脂中泄漏出来，产生少量的NaOH，内冷水pH值得以提高。随着Na＋的泄漏，冷却水电导率逐渐升高。当Na＋泄漏量较大，电导率达到一定指标时，关闭或减小Na/OH型混床流量，同时投运H/OH型混床，交换水中的Na＋，此时内冷水的pH值会适当降低，电导率也随之降低。当pH值低到一定值时，再增大Na/ OH型混床流量或减小甚至关闭H/OH型混床，如此反复操作以达到内冷水的水质规范要求。但是此项技改需要额外增加1套混床，不仅改造麻烦，且增加了后续长期树脂更换的费用和人员工作量；另外，该方法需要不断调节2套混床的流量，控制上费时费力。同时存在定子冷却水电导率高的风险，没有采用该方法。

（4）增加碱化装置，注入NaOH溶液。定子冷却水系统添加NaOH溶液以提高pH值的碱化控制方法已在国内得到诸多应用，并被国外制造商作为标准方法。其特点是在流过离子交换混合床的回路中注入NaOH碱液，并通过自有的PLC程序来控制定子冷却水pH值和电导率，该方法运行稳定、可靠、安全性高，可很好的保障发电机的安全、稳定运行。由于在国内有很好的应用，故以此方法作为厂内对定子冷却水系统的改进方案，并顺利通过技术委员会的批准和现场改造实施。

4.2 增加碱化装置方案

碱化装置成套设备由1套混合交换器和自动控制系统及碱液储存添加系统组成，同时配有在线电导率仪、在线pH值表和在线溶解氧表等；碱化装置技术指标控制点：定子冷却水pH值8～9，电导率≤2 us/cm，铜含量＜5 μg/L。

（1）当定子冷却水在线电导率表数值＞1.2 us/cm时（添加NaOH溶液导致电导率高），混床投入使用，直至水质电导率＜1.2 us/cm，混床退出运行。

（2）碱化装置控制水质pH值8.3～8.6。当定子冷却水在线pH表值＜8.3时，加药泵通过PLC程控进行添加1%浓度的NaOH溶液；当定子冷却水在线pH表值＞8.6时，加药泵通过PLC程控停止加药，如此反复控制。

（3）当定子冷却水在线电导率表数值＞1.3 us/cm时，不论水质pH值多少，强制停止加药泵运行，避免加药失控导致定子冷却水电导率持续增加，影响发电机组安全运行。

（4）当混床出水电导率＞0.5 us/cm时，更换树脂。

4.3 增加碱化装置后定子冷却水水质情况

增加碱化装置后，系统运行稳定。在定子冷却水系统优化改进后的3个月内，定期跟踪水质情况，定子冷却水pH值保持在8.3～8.6，铜含量在2～4 μg/L范围内波动，投运初期30 d的分析数据见图5、图6。从水质情况可以判断，定子冷却水系统铜腐蚀得到很好的控制。

5改进效果

通过采用注入NaOH溶液、增加碱化装置的方式进行优化改进后，稳定提高定子冷却水pH至8.3～8.6，有效抑制系统铜腐蚀的发生，定子冷却水水质满足《DLT_801-2010大型发电机内冷却水质及系统技术要求》和我厂技术规范的要求，解决了定子冷却水铜含量超标的问题，解决了定子冷却水流量降低的问题，保障了汽轮发电机组安全稳定运行。