發(fā)電機定冷水處理的要點與新技術的概述

孟 龍，李俊菀，王峻峰，黃萬啟，孫本達

（1.西安熱工研究院有限公司，西安710032；2.神華國華寧東發(fā)電有限責任公司，靈武750408）

隨著煤電行業(yè)“上大壓小”政策的不斷推進，大容量機組不斷取代小容量機組，單機容量提高，發(fā)電機定子繞組的線負荷增加，定子繞組線圈的溫度隨之提高。由于水具有導熱系數(shù)大，安全性高等優(yōu)點，水冷逐漸成為發(fā)電機定子繞組冷卻的主要方式。我國絕大多數(shù)超臨界、超超臨界機組發(fā)電機都采用“水-氫-氫”冷卻方式，定子繞組采用水冷，轉子及鐵芯采用氫冷［1］。值得注意的是，隨著機組容量的提高，發(fā)電機通水槽的高度反而逐漸降低，如300 MW定子空心銅線圈的通流截面尺寸為7.10 mm×2.09 mm，600 MW 的為3.15 mm×1.85 mm，1 000 MW的為3.15 mm×1.60 mm。隨之帶來的問題如下：1）水流量減小，溫升增加，腐蝕產物沉積加??；2）通流面積減少，腐蝕產物堵塞問題突出；3）發(fā)電機初始電壓升高，磁場增強，腐蝕產物更易于沉積［2-3］。因此，國家及電力行業(yè)相關標準對定冷水指標的要求愈加嚴格，詳見表1。本工作整理并分析了定冷水水質控制的要點，介紹了目前定冷水處理的主要方法并提出智能配水的方法，通過理論與實際相結合，分析了各種定冷水處理方法存在的問題，提出較為合適的方案以期指導現(xiàn)場運行。

1 發(fā)電機定子銅線圈腐蝕的主要影響因素

1.1 p H、溶解氧對銅線圈腐蝕的影響

平衡計算中將溶液中銅離子濃度分別取10－5.5～10－7mol／L，繪制如圖1所示Cu-H2O體系的電位-p H平衡圖。由圖1可見：當p H為8.0～9.0時，無論溶液中氧含量如何變化，金屬銅都處于鈍化狀態(tài)，銅表面的氧化物能夠穩(wěn)定存在，對銅基體起到保護作用，這與標準的相關規(guī)定吻合。當以10－7mol／L銅作為腐蝕發(fā)生與否的界限作圖時，銅穩(wěn)定存在的p H為7.44～9.31，p H超出此區(qū)間，當有極少量的氧導致溶液電位升高時，銅就會進入腐蝕區(qū)。因此，標準規(guī)定p H低于8.0的定冷水，必需控制其氧含量低于30μg／L，由于定冷水需控制其電導率小于2.0μS／cm，因此定冷水的p H 通常不會大于9.0［4-5］。圖2為銅的腐蝕速率與p H及溶解氧含量的關系圖。由圖2可見：當p H為8.3時，溶解氧含量的變化對銅腐蝕的作用已不明顯，此時可以不考慮溶解氧含量的影響［2］。

表1 相關標準對定冷水水質的要求Tab.1 The requirements for stator cooling water quality in relevant standards

圖1 Cu-H2 O體系的電位-p H平衡圖Fig.1 Potential-p H equilibrium diagram of Cu-H2 O system

圖2 銅的腐蝕速率與p H及溶解氧含量的關系Fig.2 The relationship of copper corrosion rate with p H and dissolved oxygen content

相關研究表明，提高定冷水p H至8.5～9.0，能有效抑制銅的釋放，但是，如果p H控制不穩(wěn)定會導致銅表面氧化膜的形態(tài)發(fā)生變化，使氧化膜遷移，且堿性條件下形成的氧化膜又比中性條件下的厚，隨著銅氧化膜的遷移更易發(fā)生沉積等問題。在高氧條件下形成的氧化膜主要為CuO，在較低氧條件形成的Cu2O膜更為致密穩(wěn)定。但是，無論高氧運行還是低氧運行，一定要維持氧含量的穩(wěn)定，氧含量的變化會導致兩種氧化物之間晶型的轉變，這種變化會使氧化膜變得疏松，銅氧化物的溶出增大，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，運行中應注意：保持定冷水p H的長期合格穩(wěn)定，盡量減少p H發(fā)生較大的波動；無論低溶解氧運行還是高溶解氧運行，不要隨意改變運行方式，維持氧含量的穩(wěn)定［6-8］。

1.2 二氧化碳對電導率及銅線圈腐蝕的影響

當定冷水系統(tǒng)在堿性條件下運行時，控制定冷水的p H為8.0～9.0能有效抑制銅的腐蝕，保證銅含量符合標準規(guī)定。在該工況下，僅需要注意控制定冷水的電導率在標準規(guī)定范圍內。在維持定冷水p H不變的條件下，二氧化碳的漏入會明顯增加溶液的電導率。除鹽水加NH3調節(jié)p H時不同總碳濃度下電導率與p H的關系如圖3所示，由圖3可見：以2.0μS／cm作為定冷水電導率的上限，當溶液中的總碳濃度達到1.5×10－5mol／L，p H為8時，定冷水電導率為2.01μS／cm；當總碳濃度大于1.5×10－5mol／L，且無法保證p H大于8.0時，電導率小于2.0μS／cm。因此，維持定冷水中低二氧化碳含量對保證定冷水水質的合格有很重要的意義［6］。

圖3 不同總碳濃度條件下除鹽水＋氨溶液電導率-p H對應關系Fig.3 The conductivity-p H correspondence of demineralized water＋ammonia solution under the condition of different total carbon concentrations

不同二氧化碳濃度條件下，除鹽水加氨調節(jié)p H，電導率與p H的對應關系可按如下方式推導。

式中：wC為水中總碳含量。設25℃時H2CO3的一級、二級電離平衡常數(shù)為K1、K2，是只與溫度相關的常數(shù)，

由式（1）及式（2）可得，

不同二氧化碳濃度條件下，除鹽水加氨調節(jié)p H時溶液中銨離子濃度如下

將式（4）～式（6）代入其中可得

由于溶液中的離子只有H＋、NH＋4、OH－、HCO－3及CO2－3，因此

由此可得

已知，25℃時H2CO3的一級、二級電離平衡常數(shù)為K1＝4.45×10－7、K2＝4.69×10－11，水的離子積KW＝1×10－14，極限摩爾電導率 ΛmH＋＝＝72.0 S·cm2／mol。將式（4）、（5）、（6）、（8）、（9）代入（11）即可得不同二氧化碳濃度條件下，除鹽水加氨調節(jié)p H時，電導率與p H的對應關系，選取不同總碳含量繪圖如圖3所示［9］。

2 當前電廠定冷水的幾種主要處理方法

2.1 加堿化劑處理法

向定冷水中加入一定量的堿性藥劑，維持定冷水的p H為8～9，該種工況下銅的腐蝕速率較小，并且可以忽略氧含量的影響。但是，堿化劑的加入量通常較難精確控制，加量過小無法維持定冷水的p H合格，加量過大又會導致定冷水電導率嚴重超標，有時甚至達到幾十μS／cm，嚴重影響發(fā)電機的絕緣，威脅機組的安全運行。這種方法通常還會保留H／OH型樹脂小混床繼續(xù)投運，旁路處理量也很難控制合適，p H波動較大且需要經常更換樹脂，增加運行、檢修人員的工作量［10-12］。

2.2 H／OH型樹脂小混床旁路處理法

小混床中裝有H型陽樹脂和OH型陰樹脂，處理的流量一般為內冷水流量的5%～10%，混床出水的p H一般低于7.0，銅腐蝕極為嚴重。這種方法能夠去除水中的雜質，但是，混床出水偏酸性，且通常沒有維持定冷水系統(tǒng)的密閉性，空氣中的氧和二氧化碳進入定冷水中，定冷水水質明顯不合格［10-13］。

2.3 鈉型小混床旁路處理法

這種方法是將H／OH型小混床中的氫型樹脂改為鈉型樹脂，鈉型樹脂與定冷水中的銅離子等交換后，釋放出鈉離子，氫氧型樹脂與定冷水中其他的陰離子交換，釋放出氫氧根離子，相當于向水中投入了氫氧化鈉。這種方法對p H的提升作用與定冷水中陽離子含量密切相關，出水電導率一般不穩(wěn)定且通常對定冷水p H的提升作用不明顯，一般p H不超過7.8，樹脂運行周期短，如果定冷水系統(tǒng)密封性不好則運行周期更短，通常運行較短的時間p H就會降至7.0左右，運行中需頻繁更換樹脂，運行、檢修人員工作量大，影響機組安全穩(wěn)定運行［10-13］。

2.4 加緩蝕劑法

向定冷水中加緩蝕劑以降低銅的腐蝕，銅緩蝕劑可在銅線圈內形成保護膜，防止定冷水中的介質對銅線圈造成腐蝕，常用的銅緩蝕劑有MBT和BTA等，這些物質的水溶性很差，藥劑會堵塞尺寸不大的銅線槽，導致超溫，因此，新的標準不推薦向定冷水加緩蝕劑調節(jié)水質［10-12，14］。

3 定冷水智能配水法

3.1 智能配水法的說明

由于以上各種定冷水處理方法均有較為明顯的不足，西安熱工院提出了智能配水的處理方式，定冷水智能配水法是通過設備自動調節(jié)凝結水精處理出口加氨點前、后兩路來水的配比，保證經過裝置混合后的補水電導率及p H在標準規(guī)定的最佳防腐蝕范圍（為防止熱力系統(tǒng)管道的腐蝕，凝結水經過精處理加氨后的p H通常在9.0以上，因此調節(jié)加氨前、后水的配比，可穩(wěn)定控制定冷水p H在8.5左右）。來水均為經過精處理后的凝結水，水質優(yōu)良，保證不引入定冷水系統(tǒng)內其他雜質離子。同時對定冷水系統(tǒng)進行改造，在定冷水箱與凝汽器間建立循環(huán)（凝汽器熱井-凝結水精處理設備-定冷水箱-凝汽器熱井），通過連續(xù)補充少量混合好的p H為8.5的水及將多出的水回收至凝汽器，可以在不考慮定冷水系統(tǒng)密閉的情況下，保證定冷水水質穩(wěn)定在標準規(guī)定的合格范圍，同時對補水進行循環(huán)回用可以不浪費水。該方法不使用小混床，不進行加藥處理，不需要進行排污處理，節(jié)省了運行及檢修成本［14-15］。

3.2 智能配水法在電廠的應用效果

基于智能配水法，西安熱工研究院研究了專利產品（定冷水智能凈化裝置），裝置需對定冷水系統(tǒng)進行改造，在凝結水精處理后和加氨前后引兩路水通過人工智能設備自動配比兩路水的流量，使得補水電導率維持在1.0μS／cm左右，p H維持在8.5左右，定冷水系統(tǒng)的排水通過定冷水箱高位溢流至水封筒進行回收。

華潤某電廠1號機組于2015年9月14日11：00投運定冷水智能凈化設備，電廠之前采用H／OH型樹脂小混床旁路處理法，補水方式為單一的除鹽水補水，定冷水p H約為6.0，系統(tǒng)腐蝕嚴重，定冷水中銅含量較高。智能凈化設備投運后，定冷水的電導率逐漸穩(wěn)定在1.0μS／cm左右，p H穩(wěn)定在最佳防腐蝕范圍（p H約為8.5），p H和電導率間的關系基本符合25℃下，高純水加氨調節(jié)p H時的對應關系式，p H＝8.566＋lgSC。定冷水中的銅含量由最初的461.8μg／L降低至3μg／L以下。設備投運3 d內對定冷水水質進行連續(xù)監(jiān)測，結果見表2。

表2 智能凈化設備投運后的定冷水水質（1號機組）Tab.2 The quality of cooling water after the intelligent purification equipment put into operation（Unit 1）

華能某電廠2號機組于2015年12月投運定冷水智能凈化設備，電廠之前采用加堿化劑（NaOH）并通過小混床旁路處理的方法，由于堿化劑的加入量及旁路處理流量很難準確控制并維持平衡，電廠運行人員反映定冷水p H不穩(wěn)定且經常出現(xiàn)加藥過量、電導率超標等情況，電導率曾達到20μS／cm，嚴重威脅機組安全運行，此外，檢修人員還反映樹脂失效較快，樹脂更換頻繁，工作量較大。定冷水智能凈化設備投運后，電廠停止向定冷水中加堿化劑，停止小混床的運行，投運后定冷水的電導率及p H長期合格穩(wěn)定，電導率穩(wěn)定在1.0μS／cm左右，p H穩(wěn)定在最佳防腐蝕范圍，定冷水中銅含量一直小于3μg／L，大大減少了運行及檢修人員的工作量。設備投運1 a后對定冷水水質進行跟蹤統(tǒng)計，結果見表3。

表3 智能凈化設備投運后的定冷水水質（2號機組）Tab.3 The quality of cooling water after the intelligent purification equipment put into operation（Unit 2）

4 結束語

（1）隨著機組容量的不斷提高，發(fā)電機銅線圈腐蝕所帶來的問題越來越顯著，電廠運行應嚴格遵守相關標準規(guī)定的定冷水指標，把危險降到最低。

（2）機組運行期間應維持定冷水p H的長期合格及氧含量的長期穩(wěn)定，減少因數(shù)據(jù)波動給運行帶來的危害。

（3）應維持定冷水中的二氧化碳處于低濃度狀態(tài)，二氧化碳濃度應小于1.5×10－5mol／L，保證定冷水的p H及電導率同時符合標準要求。

（4）選擇定冷水的處理方法時應充分了解各種方法的優(yōu)、缺點，避免給機組運行帶來風險。

（5）定冷水智能配水法具有自動補水，自動循環(huán)，定冷水水質好，銅腐蝕量小等優(yōu)點。設備投運后效果明顯，長期運行指標穩(wěn)定可靠，滿足GB／T 12145－2016《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設備水汽質量》及DL／T 801－2010《大型發(fā)電機內冷卻水質及系統(tǒng)技術要求》標準中關于定冷水水質的要求。