AP1000发电机定子冷却水系统水质控制探讨

2019-06-28朱方舟

科技创新与应用 2019年15期

朱方舟

摘要：发电机定子冷却水的溶解氧、pH值、电导率等指标与定子线圈的腐蚀情况密切相关。文章分析了定子冷却水水质与铜腐蚀之间的关系，对AP1000以及其它核电厂的发电机定子冷却水的水质控制方式进行探讨。通过AP1000发电机定子冷卻水系统的水质标准与国内标准的对比，指出AP1000发电机定子冷却水系统存在的pH偏低导致定子线圈腐蚀过快的潜在风险，并针对该风险提出了可行的解决方案。

关键词：定子线圈腐蚀;溶解氧;pH值;电导率;钠型树脂

中图分类号：TM31 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）15-0114-03

Abstract： The dissolved oxygen， pH， Conductivity of generator stator coil cooling water are closely related to the generator stator coil corrosion. This article analyzed the relationship between stator coil cooling water quality and copper corrosion， discussed the water treatment of AP1000 and other nuclear power plant Generator stator coil cooling water. According to the comparison between AP1000 Generator stator coil cooling water requirements and domestic standard requirements， the paper indicates that potential risk of stator coil corrosion out of limits due to low pH， and proposes the feasible solutions.

Keywords： stator coil corrosion; dissolved oxygen; pH; conductivity; Na form resin

1 概述

水具有很高的比热和导热系数，而且还具有价廉、无毒、不助燃的优点，是很好的冷却介质。采用水内冷技术可大幅度提高发电机单机容量，因此现代大型发电机的定子线圈广泛采用水内冷。

由于发电机定子冷却水（以下简称定冷水）直接与发电机定子线圈接触，定子线圈的材质为铜。如果定冷水的水质不合格会导致定子线圈腐蚀过快，影响线圈散热，甚至可能造成线圈烧毁的严重后果。此外，定冷水质不合格还会导致发电机泄漏电流增加，影响发电机出力，降低发电机的运行可靠性和经济性。

因此国内外电厂都对定冷水的水质有着严格的标准。以下通过分析定冷水对定子线圈的腐蚀机理，探讨AP1000三门核电的发电机定子冷却水系统水质控制方式，并和其它电厂的水质控制方式对比，并对可能存在的问题提出解决方案。

2 发电机定子冷却水对定子线圈的腐蚀机理

发电机定子冷却水中影响定子线圈腐蚀的因素主要有溶解氧、pH值、电导率等。

在水中的溶解氧对于铜的腐蚀具有双重性质，在一定条件下是腐蚀介质，助长铜的腐蚀，促进铜的氧化物的生成，在铜表面形成氧化层;但溶解氧含量过高或过低对铜的腐蚀又都有延缓作用[1]。根据文献[2]，在100～600ppb范围内铜的腐蚀速率最快。

当定冷水中呈酸性时，水中的氢离子与铜的氧化膜反应，氧化膜被溶解和破坏，使铜的腐蚀速度急剧增加。当定冷水呈强碱性时，铜表面氧化膜也会与氢氧根离子反应，同样会使氧化膜被溶解。只有pH值在6.95～10之间时，铜的表面氧化膜具有稳定性[3]，能对铜基体起到保护作用。

电导率反映了水中离子的含量多少。水中的离子含量越多，溶液体系的电阻越小，系统中铜在水中溶解氧参与下的电极反应阻力就越小，铜的腐蚀速率就越快。但是电导率也不宜过低，当电导率小于1μs/cm时，铜在电极的反应固然会减小，但是铜在纯水中的溶解度也会大大增加。一般认为定冷水的电导率维持在1～10μs/cm范围内最好[4]。

根据定冷水对定子线圈腐蚀的机理，国内外电厂普遍采用的5种定冷水水质控制方式及其控制目标和参数如表1所示。

3 AP1000发电机定子冷却水系统水质控制

系统配置和水质控制方式：

AP1000发电机定子冷却水系统采用低氧/中性的控制方式。系统补水源为除盐水，水质冲洗合格后全封闭运行。正常运行时，定子冷却水泵出口有200L/min的流量通过旁路管道进入RH-ROH型混床以降低电导率，旁路流量大小可通过阀门调节。为降低水中的溶解氧，AP1000定子冷却水系统中的定子冷却水箱内充有30～50kPa的氢气。系统参数如表2所示：

4 潜在问题及解决措施

4.1 水质控制的风险

虽然根据三菱电机的经验，其生产的所有发电机从未发生过严重的定子线圈堵塞事故。但是在相同溶解氧条件下，铜在中性或者微酸性环境下的腐蚀速率远远高于微碱性环境，如图1所示，在相同的溶解氧条件下，pH=7时铜的腐蚀速率至少是pH=8时的10倍以上。显然微碱性环境更有利于降低铜的腐蚀速率，而AP1000发电机定子冷却水系统的水取自除盐水系统，其pH值最多只能接近但不可能高于7。

AP1000定子冷却水系统的供货厂家为三菱电机，其技术与西屋公司一脉相承。AP1000定子冷却水系统和采用西屋技术的秦山核电二期定子冷却水系统都是低氧/中性的水质控制方式。秦山核电二期1号机组在2011年第8次大修后发现定子线圈存在堵塞问题[5]。经调查发现主要是由于在大修期间定冷水系统进行了较长时间的开口检修工作，导致空气进入定子线圈造成铜表面氧化加剧，并在系统运行后被pH值偏低（约6.9）的定冷水溶解并重新在线棒出水端沉淀导致堵塞。同样的问题也可能在三门核电的定子线圈中发生。

综上所述，AP1000发电机定子冷却水系统水质控制存在pH偏低可能会导致定子线圈腐蚀速率过快的潜在风险。

4.2 解决对策

针对可能存在由于pH偏低导致定子线圈腐蚀速率过快的问题，可采取以下措施：

4.2.1 控制除盐水pH值

AP1000发电机定子冷却水系统自身无法调节pH值，因此影响系统pH值的因素主要是作为水源的除盐水的水质。理想情况下，除盐水处理系统产生的除盐水为中性，但是随着CO2的溶入，pH值会降低至7以下。因此应尽量使用新生产的除盐水，使进入定冷水系统的除盐水pH值尽量提高，将定子线圈的腐蚀速率控制在可接受范围之内。

4.2.2 保证系统严密性

确保系统的整体严密性，可以防止空气中的CO2与系统内的水接触并溶解。水箱充氢时要重复充排多次，最大程度得析出水中的溶解氧，减小定子线圈内表面的氧化速率。

4.2.3 严密监视系统参数

运行过程中严格监视定子冷却水的电导率，并定期测量水中的溶解氧、铜含量、pH值。根据这些参数的变化趋势判断定子线圈的腐蚀情况并采取措施，如更换新树脂，补充/置换水箱中的氢气等。

4.2.4 发电机定子冷却水碱性处理

如果以上常规措施都已经采用，但是长期监测发现pH值始终较低且水中铜含量始终较高，树脂失效频率很高，说明定子线圈的腐蚀情况比较严重，就有必要采取额外的防腐措施，针对定子线圈常见的防腐措施主要有：

（1）添加NaOH、氨等碱化剂

虽然能直接提高pH值，但是需要引入加药系统[6]，难于精确调控，pH值很容易波动，而且会使系统电导率明显升高，树脂失效周期变短，加入氨还会有与铜反应产生络合物堵塞定子线圈的风险，因此不建议采用直接添加碱化剂。

（2）使用钠型树脂

利用钠型树脂产生的NaOH维持微碱性环境，这是当前国内外较广泛采用的一种方法。

目前三门核电的混床采用的是RH-ROH型树脂，仅仅是除去了水中的离子，并不能很好得抑制定子线圈的腐蚀，甚至因为不断除去水中阳离子促进定子线圈铜氧化物的持续溶解，从而加剧定子线圈的腐蚀[7]。

钠型混床内装填的是RNa-ROH型树脂，可以去除定冷水的阴阳离子的同时生成NaOH，使定冷水变成微碱性，降低铜的溶解度，有效抑制定子线圈的腐蚀。但是由于生成的NaOH为强电解质，会使电导率大幅升高。

钠型树脂在国内外的应用已经非常广泛。南非电力公司曾经由于定子线圈的堵塞问题使用钠型树脂将旗下的66台水冷发电机的定冷水系统全部从中性处理改为碱性处理，近20年来就从未发生过定子线圈堵塞事故[2]。国内的铁岭电厂[8]、华能北京热电厂[9]、妈湾电厂[10]等电厂也都由于pH过低导致定子线圈腐蚀过高采用了钠型树脂以提高定冷水的pH值，并且都取得了很好的效果。田湾核电厂的定子冷却水系统也使用了钠型树脂以提高定冷水的pH值。

三门核电的定冷水系统设置有一用一备两台混床并各配置有独立的进出口阀门，因此可以在两台离子交换器中分别装填RH-ROH型树脂和RNa-ROH型树脂，RH-ROH型混床用于控制电导率，RNa-ROH型混床用于控制系统为微碱性。通过阀门切换，在定冷水pH值过低时投用RNa-ROH型混床提升pH值，在定水电导率过高时投用RH-ROH型混床降低电导率，将定冷水的水质控制在电导率为1～5μs/cm，pH值为7～9的目标范围内，最大程度的降低定子线圈的腐蚀。

5 结论

（1）定冷水中的溶解氧、pH值、电导率参数与定子线圈的腐蚀速率密切相关。

（2）针对定子线圈在定冷水中的腐蚀过程，有5种常见的水质控制方式，AP1000发电机定子冷却水系统采用低氧/中性的水质控制方式。

（3）AP1000发电机定子冷却水系统存在pH偏低导致定子线圈腐蚀速率过快的潜在风险。

（4）如果在采取常规的提高除盐水pH值、加强系统严密性、更换树脂等常规措施后发现定子线圈腐蚀速率仍然过快，可以采用鈉型树脂以提高系统pH值从而降低定子线圈的腐蚀速率。

（5）由于AP1000发电机定子冷却水系统原本就设置有一用一备的两台混床，采用钠型树脂不需要增加或修改任何设备和布置，仅在需要提高pH值或减低电导率的时候通过阀门切换投用不同的混床，改造成本几乎为零，具有很高的可行性。

参考文献：

[1]周志辉.纯水中铜的腐蚀规律的研究及其缓蚀剂的应用[J].华北电力技术，2004（4）：22-25.

[2]Fran？觭ois Duffeau， GUIDE ON STATOR WATER CHEMISTRY MANAGEMENT， CIGRE， 2010： A1， WG A1.15.

[3]高海瑞.提高发电机内冷水pH值方法之比较与分析[J].内蒙古科技与经济，2013（9）：99-102.

[4]陈社生.发电机铜导线受内冷水腐蚀的机理及防护[J].广东电力，2002，15（2）：16-26.

[5]张剑.秦山第二核电厂发电机定子冷却水流量降低问题研究[J].建筑电气，2013，32（6）：58-60.