核電站發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化

田 斌

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

田灣核電站3/4 號機(jī)組發(fā)電機(jī)采用水—?dú)洹獨(dú)淅鋮s方式。定子冷卻水系統(tǒng)通過發(fā)電機(jī)定子繞組空導(dǎo)線通高純水，為發(fā)電機(jī)定子繞組提供冷卻。系統(tǒng)運(yùn)行期間主要存在以下問題。

（1）定子冷卻水泵按一用一備設(shè)計(jì)，冗余設(shè)置不足。

（2）定子冷卻水中銅離子含量偏高且冷卻水呈弱酸性。長期運(yùn)行易造成空心繞組緩慢腐蝕，同時(shí)，定子線棒內(nèi)壁由于氧化物沉積容易導(dǎo)致堵塞。

1 原因分析及解決措施

1.1 定子冷卻水泵備用設(shè)置

發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)共設(shè)置兩臺定子冷卻水泵（MKF11AP001、MKF12AP001），一用一備。系統(tǒng)正常運(yùn)行期間若一臺泵運(yùn)行，另一臺泵故障檢修。此時(shí)如果運(yùn)行泵出現(xiàn)故障停泵，將直接導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子失去冷卻觸發(fā)跳機(jī)。

3 號機(jī)組運(yùn)行期間，兩臺定子冷卻水泵先后出現(xiàn)因機(jī)械密封泄漏，電機(jī)振動超標(biāo)等缺陷導(dǎo)致的設(shè)備不可用。從而由此導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行期間，長期處于無備用泵狀態(tài)。給機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大的不穩(wěn)定因素。

為彌補(bǔ)上述缺陷，另增一臺備用水泵，可極大的提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，降低機(jī)組停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

1.1.1 設(shè)備布置

在常規(guī)島廠房+8.00 m，發(fā)電機(jī)定子冷卻系統(tǒng)平臺旁增設(shè)一冷卻水泵組，出口管路連入MKF11AP001 與MKF12AP001 泵出口母管。

1.1.2 系統(tǒng)控制方案

目前系統(tǒng)采用兩臺冷卻水泵，依靠出口壓力進(jìn)行互鎖。當(dāng)出口母管壓力低于0.3 MPa，備用泵將自動運(yùn)行來維持定子線圈水流量。增加一臺泵用泵后，新方案控制形式如下。

正常運(yùn)行狀態(tài)，3 臺冷卻水泵組一用兩備。當(dāng)11#泵運(yùn)行時(shí)，12#泵作為第一備用，13#泵作為第二備用；當(dāng)12#泵運(yùn)行時(shí)，13#泵作為第一備用，11#泵作為第二備用；13#泵運(yùn)行時(shí)，11#泵為第一備用，12#泵為第二備用。

當(dāng)運(yùn)行水泵故障跳閘或由于其他原因?qū)е鲁隹趬毫Φ陀?.3 MPa 時(shí)，自動啟動備用泵若第一備用泵。若第一備用由于故障維修啟動失敗或啟動后出口壓力仍低于0.3 MPa，則延時(shí)自動啟動第二備用泵，控制邏輯如圖1 所示。

圖1 控制邏輯示意

1.2 定子冷卻水系統(tǒng)銅腐蝕

1.2.1 影響定子冷卻水系統(tǒng)銅腐蝕的因素

（1）溶解氧。水中溶解氧具有雙重性質(zhì)：①溶解氧作為陰極去極化劑引發(fā)空心銅導(dǎo)線的腐蝕，促進(jìn)不穩(wěn)定氧化物的產(chǎn)生；②在一定條件下氧與銅反應(yīng)，會在銅導(dǎo)線表面形成一層保護(hù)膜，阻止銅導(dǎo)線進(jìn)一步腐蝕。根據(jù)DL/T 801—2010 規(guī)定，發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水的溶解氧含量應(yīng)≤30 μg/L。

（2）CO2。二氧化碳對內(nèi)冷水的腐蝕主要表現(xiàn)在降低水中的pH 值，破壞表面保護(hù)膜，使銅進(jìn)入腐蝕區(qū)；在有氧的情況下，直接參與化學(xué)反應(yīng)，使保護(hù)膜中的Cu2O 轉(zhuǎn)化為堿式碳酸銅Cu－CO3·Cu（OH）2，該物質(zhì)比較脆弱，在水中溶解度大，在水流沖擊下極易剝落導(dǎo)致空心導(dǎo)線堵塞，同時(shí)造成水中含銅量上升。

（3）pH 值。由銅—水體系電位—pH 值平衡圖可知，當(dāng)電位＞0.1 V，pH＜6.94 時(shí)，水偏酸性，氧化銅和氧化亞銅作為堿性氧化物被溶解，銅導(dǎo)線表面難以形成氧化膜；6.94＜pH＜12.8 時(shí)，水呈堿性，氧化銅和氧化亞銅的溶解度很小，銅導(dǎo)線表面形成保護(hù)膜會比較穩(wěn)定。

1.2.2 系統(tǒng)運(yùn)行情況分析

3 號機(jī)組調(diào)試期間，發(fā)電機(jī)定子冷卻水取樣化驗(yàn)情況，見表1。其中，系統(tǒng)水質(zhì)pH 值小于6.94，多次出現(xiàn)銅含量超標(biāo)（根據(jù)DL/T 801—2010 規(guī)定，系統(tǒng)水質(zhì)含銅量≤40 μg/L，推薦值≤20 μg/L；pH 值：7.0～9.0）。根據(jù)運(yùn)行規(guī)程要求，水中銅含量并不作為監(jiān)測指標(biāo)，而取決于電導(dǎo)率。根據(jù)調(diào)試期間取樣情況，電導(dǎo)率與系統(tǒng)中銅含量并沒有對應(yīng)關(guān)系。另如電導(dǎo)率過低，水的介電常數(shù)減小，銅的溶解度增加，反而會加劇銅導(dǎo)線的腐蝕。

系統(tǒng)運(yùn)行期間，定子冷卻水的pH 值處于6.5～6.9，其值主要取決于補(bǔ)水（除鹽水）的水質(zhì)情況，定子冷卻水系統(tǒng)本身并沒有控制措施。根據(jù)銅離子溶解度與水溫、pH 值關(guān)系圖可知，冷卻水溫度在（45～50）℃時(shí)，銅離子的溶解度約為10 μg/L。即：如濃度大于此數(shù)值則會在系統(tǒng)管路以及定子空心繞組內(nèi)產(chǎn)生銅氧化物沉積。

表1 定子冷卻水取樣統(tǒng)計(jì)

1.2.3 優(yōu)化方式

3、4 號機(jī)組MKF 系統(tǒng)采用冷卻水箱充氫密封形式，降低冷卻水中的氧和二氧化碳含量。由于在線監(jiān)測冷卻水的電導(dǎo)率和pH 值需要連續(xù)取樣，每天需對系統(tǒng)進(jìn)行定量補(bǔ)水，補(bǔ)水出自高速混床，如密封性不好少量二氧化碳導(dǎo)致pH 值降低，將引起銅導(dǎo)線腐蝕。

基于銅表面保護(hù)膜在微堿性條件下比較穩(wěn)定，對定子冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行堿化處理是最直接有效的方法。主要有以下4 種形式。

（1）鈉型混床。將系統(tǒng)現(xiàn)有離子交換器改為鈉型混床，控制系統(tǒng)pH 值在7～9。可同步實(shí)現(xiàn)pH 值、電導(dǎo)率和銅含量等3 項(xiàng)指標(biāo)的協(xié)調(diào)控制。在內(nèi)冷水封閉性好的情況下，鈉型混床的處理具有水質(zhì)穩(wěn)定、換水周期長、運(yùn)行工作量少等有點(diǎn)。

（2）直接加堿處理。在內(nèi)冷水水箱頂部或旁路混床設(shè)置加藥點(diǎn)，直接加氫氧化鈉。通過PLC 程序控制pH 值和電導(dǎo)率。該方法運(yùn)行較為安全可靠，在同行電廠也有過成功實(shí)施的案例。

在補(bǔ)水管線中加氨也可以實(shí)現(xiàn)pH 值的調(diào)節(jié)，但由于發(fā)電機(jī)進(jìn)出口水溫不同，氨的分配系數(shù)受溫度影響較大，因此氨的加入量較難控制，且需頻繁操作。

（3）補(bǔ)換堿性水。3、4 號機(jī)組MKF 系統(tǒng)設(shè)有凝結(jié)水和除鹽水兩條補(bǔ)水管路，由于凝結(jié)水中含有一定量的氨，且含氧量小，所以采取凝結(jié)水和除鹽水采用一定比例混合作為內(nèi)冷水的補(bǔ)充水。既可以調(diào)節(jié)pH 值，又可以防止氨蝕?？刹扇∵B續(xù)補(bǔ)充凝結(jié)水并連續(xù)排水回收的形式。此法不需要增加系統(tǒng)，可在現(xiàn)有系統(tǒng)上控制操作即可。缺點(diǎn)是，凝結(jié)水系統(tǒng)與除鹽水系統(tǒng)供水壓力不同，兩者配比不易調(diào)節(jié)。可通過增設(shè)中間水箱，調(diào)節(jié)補(bǔ)水pH 后供入系統(tǒng)。

（4）在系統(tǒng)運(yùn)行過程中往系統(tǒng)中添加緩蝕劑（如MBT、BTA或其他復(fù)合緩蝕劑），促進(jìn)銅導(dǎo)線表面保護(hù)膜的產(chǎn)生，也可以阻止銅導(dǎo)線的腐蝕。但由于各種緩蝕劑性質(zhì)的不同，給系統(tǒng)運(yùn)行會帶來不同程度的困難，不易操作和控制。

2 結(jié)論

通過整理3 號機(jī)組發(fā)電機(jī)定子冷卻水（MKF）系統(tǒng)投運(yùn)以來出現(xiàn)的缺陷及運(yùn)行情況，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對系統(tǒng)運(yùn)行存在的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析梳理，提出了優(yōu)化方案，并就方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較說明。為后續(xù)設(shè)備缺陷的處理及系統(tǒng)改造提供參考，并為同行電站的系統(tǒng)優(yōu)化提供借鑒。