探討發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水銅離子超標(biāo)原因及改進(jìn)措施

丁猛

（中國石化儀征化纖熱電部，江蘇儀征 211900）

1 概述

某熱電廠共有4 臺汽輪機(jī)組，發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)冷卻方式均為雙水內(nèi)冷。原內(nèi)冷水補(bǔ)水管共三路，一路是加氨除鹽水，另一路是凝結(jié)水（含氨），后期新增一路未加氨除鹽水。隨著GB/T 12145—2016《火發(fā)電機(jī)組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》及DL/T 801—2010《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求》對內(nèi)冷水水質(zhì)要求越來越高，停用加氨除鹽水，機(jī)組內(nèi)冷水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 機(jī)組內(nèi)冷水水質(zhì)指標(biāo)

內(nèi)冷水補(bǔ)水自從改為未加氨除鹽水以來，只有內(nèi)冷水的電導(dǎo)率滿足要求，而pH值小于7.0，銅離子穩(wěn)定在350 μg/L左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家及電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。由于內(nèi)冷水水質(zhì)不合格導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)銅導(dǎo)線腐蝕嚴(yán)重，已多次發(fā)生因內(nèi)冷水泄漏而被迫停機(jī)，具體情況見表2。

2 銅腐蝕原因分析

因大氣中CO2和O2的溶入，使得內(nèi)冷水中的pH值降低，溶解氧含量升高，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)銅管線長期處在含O2的微酸性水浸泡狀態(tài)下，極易被腐蝕。通過資料查詢[1-3]，銅的腐蝕率取決于水的含氧量和pH值。模擬運(yùn)行和生成覆蓋層的情況下，了解銅在不同pH值及溶解氧的腐蝕情況，經(jīng)過約1萬小時的長時間試驗，結(jié)果見圖1。

表2 因銅腐蝕導(dǎo)致停機(jī)匯總

由圖1 可知，含氧量在200μg/L 和300μg/L 的純水中，銅的腐蝕率最大，隨著含氧量和pH 值的升高，腐蝕率降低，當(dāng)pH值達(dá)到8.3時，銅的腐蝕率降得非常低，可以說腐蝕被抑制了。通過現(xiàn)場測量4 臺機(jī)組內(nèi)冷水補(bǔ)水及運(yùn)行中內(nèi)冷水溶解氧，發(fā)現(xiàn)內(nèi)冷水溶解氧遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于DL/T 801—2010《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求》及DL/T 1039—2016《發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水處理導(dǎo)則》中標(biāo)準(zhǔn)值，具體分析數(shù)據(jù)見表3。

圖1 銅腐蝕速率與水的pH值及溶解氧關(guān)系曲線

表3 內(nèi)冷水溶解氧分析數(shù)據(jù)

由表3 可知，運(yùn)行中內(nèi)冷水溶解氧小于內(nèi)冷水補(bǔ)水溶解氧，主要原因是運(yùn)行中內(nèi)冷水水溫上升，使部分溶解氧析出。由圖1 可知，當(dāng)溶解氧大于4 000μg/L 時，內(nèi)冷水處于富氧狀態(tài)，銅的腐蝕速率較低，但溶解氧會導(dǎo)致內(nèi)冷水中的氧化銅溶解度下降并作為沉積物沉淀下來。當(dāng)內(nèi)冷水pH 值在8.0 ～9.0 之間時，貧氧和富氧的銅腐蝕率相當(dāng)，對含氧量可以不作要求，此時pH值起到?jīng)Q定性作用。

3 前期試驗

3.1 凝結(jié)水與除鹽水協(xié)調(diào)補(bǔ)水法

結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備情況進(jìn)行綜合分析，采用除氧法控制內(nèi)冷水水質(zhì)難以實現(xiàn)，最終選擇通過提高內(nèi)冷水pH 值降低銅腐蝕。考慮到內(nèi)冷水補(bǔ)水有二級除鹽水和備用的凝結(jié)水，而且兩路水源pH 值一高一低，決定采用凝結(jié)水與除鹽水協(xié)調(diào)補(bǔ)水法調(diào)節(jié)內(nèi)冷水水質(zhì)。

由于凝結(jié)水pH 值高，當(dāng)內(nèi)冷水pH 值偏低時，可通過水箱排污和補(bǔ)加凝結(jié)水方式提高內(nèi)冷水pH值。而二級除鹽水pH 值低，當(dāng)內(nèi)冷水電導(dǎo)率偏高時，通過水箱排污和補(bǔ)加二級除鹽水方式降低內(nèi)冷水電導(dǎo)率。

實際運(yùn)行中，現(xiàn)場無在線pH 儀及電導(dǎo)率儀，根據(jù)人工分析數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，由于人工分析滯后、分析誤差及換水量的不確定性，導(dǎo)致內(nèi)冷水pH 值及電導(dǎo)率忽高忽低，未能達(dá)到動態(tài)平衡。同時凝結(jié)水作為內(nèi)冷水補(bǔ)水，增加了內(nèi)冷水中的氨含量，銨離子可與銅離子形成銅銨絡(luò)離子，又促進(jìn)了銅的腐蝕，而且內(nèi)冷水pH值越高，氨含量越高。

3.2 堿化劑、銅緩蝕劑配合投加法

由于協(xié)調(diào)補(bǔ)水法難以實現(xiàn)水質(zhì)合格，同時避免氨對銅的腐蝕，通過查詢相關(guān)資料[3-6]及標(biāo)準(zhǔn)，決定采用加堿化劑（分析純氫氧化鈉）提高內(nèi)冷水pH值，同時配合銅緩釋劑（分析純2－巰基苯并噻唑）降低銅的腐蝕。

根據(jù)內(nèi)冷水系統(tǒng)有效容積，初步計算堿化劑的加入量。由于內(nèi)冷水系統(tǒng)無攪拌設(shè)施防止一次性將藥劑加入內(nèi)冷水箱中，使局部內(nèi)冷水電導(dǎo)率突然超標(biāo)，影響發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行，借鑒醫(yī)院靜脈注射的方式持續(xù)加藥。銅緩蝕劑采用一次性投加方式，加藥過程中以1次/h的頻率測定內(nèi)冷水的pH值及電導(dǎo)率，同時測定內(nèi)冷水銅含量（1次/d）。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)如下問題并進(jìn)行改進(jìn)。

1）內(nèi)冷水pH值、電導(dǎo)率忽高忽低。經(jīng)過現(xiàn)場查看及運(yùn)行咨詢發(fā)現(xiàn)，內(nèi)冷水泵軸封漏水，由于使用時間長，水泵密封變差，漏水嚴(yán)重，運(yùn)行一段時間后，必須補(bǔ)充新的內(nèi)冷水。內(nèi)冷水系統(tǒng)運(yùn)行控制存在問題，由于內(nèi)冷水箱容積約為3m3，泵的出力為50 m3/h，為防止內(nèi)冷水系統(tǒng)缺水，汽機(jī)運(yùn)行人員經(jīng)常在巡檢時對內(nèi)冷水箱進(jìn)行補(bǔ)水。以上兩種情況均導(dǎo)致低pH 值的二級除鹽水間斷進(jìn)入水箱，使內(nèi)冷水pH值、電導(dǎo)率忽高忽低。

為防止上述情況再次發(fā)生，對內(nèi)冷水泵的軸封進(jìn)行更新改造，避免漏水?，F(xiàn)場安裝內(nèi)冷水箱液位計，將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到汽機(jī)DCS 系統(tǒng)并設(shè)置低位報警，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)督避免內(nèi)冷水間斷性補(bǔ)水。

2）隨著堿化劑的加入，內(nèi)冷水電導(dǎo)率逐漸增加，但內(nèi)冷水pH值達(dá)到7.5以后基本不再上升，有時會下降。通過現(xiàn)場查看可知，內(nèi)冷水箱密封性差，例如上人孔門密封差，溢流管直接連接大氣，頂部留有呼吸管，但未安裝防污呼吸器（DL/T 1039—2016《發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水處理導(dǎo)則》建議內(nèi)冷水箱呼吸管宜設(shè)置吸收二氧化碳的防污呼吸器），以上三處均有氣體持續(xù)進(jìn)入內(nèi)冷水箱，由于內(nèi)冷水中含有堿化劑，促進(jìn)表面二氧化碳溶于內(nèi)冷水，與堿化劑反應(yīng)生成鹽，導(dǎo)致內(nèi)冷水離子量增加，電導(dǎo)率上升，但pH值降低。

為防止氣體進(jìn)入水箱，將溢流管改造成U型水封，密封上人孔小蓋。

為避免人工取樣對分析數(shù)據(jù)的影響，及時反映內(nèi)冷水水質(zhì)，在水冷器出口母管安裝在線pH 計和電導(dǎo)率儀。

通過多次實驗，在線內(nèi)冷水pH值可以上升至7.5，但人工測pH值為7.3，在線電導(dǎo)率上升至3.8μs/cm，與人工分析相差不大，內(nèi)冷水銅含量有所下降，但銅含量依然大于控制標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)定在200 μg/L。當(dāng)提高堿化劑量時，發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率增加很快，但內(nèi)冷水pH值增加甚微，而且銅緩蝕劑又可以與銅生成相應(yīng)的絡(luò)合物，沉積在銅表面，存在潛在的運(yùn)行危險[6]。

4 試驗綜合分析

通過補(bǔ)水調(diào)整以及堿化劑、銅緩蝕劑配合投加提高內(nèi)冷水pH 值，雖然可以降低銅腐蝕，但依然未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。為了徹底解決銅腐蝕問題，通過資料查詢[1，5-6]以及參考其他電廠運(yùn)行情況，對內(nèi)冷水水質(zhì)問題進(jìn)行綜合分析。

1）內(nèi)冷水補(bǔ)水問題

內(nèi)冷水系統(tǒng)均用二級除鹽水作為冷卻水源及冷卻水補(bǔ)充水源。由于二級除鹽水箱未采取大氣隔絕措施，空氣中的二氧化碳容易溶解其中，二級除鹽水pH值穩(wěn)定在6.0～7.0。

2）內(nèi)冷水系統(tǒng)密封問題

在實驗中，一直都在考慮水箱的密封問題，未對整個內(nèi)冷水系統(tǒng)進(jìn)行分析。實際運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)甩水盒與大軸之間才是氣體進(jìn)入的關(guān)鍵部位，由于甩水盒內(nèi)部為負(fù)壓，外界氣體通過縫隙吸入甩水盒，進(jìn)入內(nèi)冷水系統(tǒng)。

1）和2）均是由于氣體進(jìn)入內(nèi)冷水系統(tǒng)導(dǎo)致，通過資料查詢[2，6]，某公司生產(chǎn)的除碳器可以將水中的氣體析出，即內(nèi)冷水經(jīng)過發(fā)電機(jī)定子后水溫上升，回流時經(jīng)過除碳器使水中的氣體從水中析出，析出氣體分為三路，一路直接外排，負(fù)責(zé)將多余的氣體排出內(nèi)冷水系統(tǒng)；一路回至內(nèi)冷水箱，使其呈微正壓，阻止外部氣體進(jìn)入內(nèi)冷水箱；一路回至發(fā)電機(jī)甩水盒，平衡甩水盒內(nèi)的氣壓，阻止外部氣體通過甩水盒與汽輪機(jī)大軸的間隙進(jìn)入內(nèi)冷水系統(tǒng)。

3）無內(nèi)冷水處理裝置

在實驗中，考慮到堿化劑可以提高內(nèi)冷水pH值，但堿化劑使內(nèi)冷水電導(dǎo)率增加更快，當(dāng)電導(dǎo)率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值時，內(nèi)冷水pH值難以達(dá)到8.0以上。未考慮如何降低內(nèi)冷水電導(dǎo)率而不降低內(nèi)冷水pH值，甚至提高內(nèi)冷水pH值。

通過資料查詢[1，3-5，7]，綜合對比可知：①單床離子交換堿化劑法使用簡單，水質(zhì)能達(dá)到7.0以上，但難以達(dá)到8.0 以上，而且該離子交換樹脂一旦失效，一般采用更換樹脂的做法，一則運(yùn)行成本高，二則失效樹脂屬于危廢，難以處理。②離子交換—加堿堿化法，雖然能使水質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，但運(yùn)行成本很高。③氫型混床－鈉型混床處理法，該法可以達(dá)到增加pH值、降低電導(dǎo)率的目的，但氫型混床失效快，再生復(fù)雜，運(yùn)行麻煩。最終，選用由某公司生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水水質(zhì)穩(wěn)定優(yōu)化裝置[2，8]（即SANTS-4 型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水AB 式調(diào)節(jié)裝置）及pH值安全自動調(diào)節(jié)裝置[9]（簡稱加堿裝置）。

5 設(shè)備的改造

5.1 SANTS-4 型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水AB 式調(diào)節(jié)裝置

SANTS-4型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水AB式調(diào)節(jié)裝置見圖2。H床室（1）內(nèi)填裝氫型離子交換樹脂，OH床室A（2）內(nèi)填裝氫氧型離子交換樹脂，Na 床室（3）內(nèi)填裝鈉型離子交換樹脂，OH床室B（4）內(nèi)填裝氫氧型離子交換樹脂。H床室（1）與OH床室（A/B）可以控制內(nèi)冷水的電導(dǎo)率，經(jīng)過Na 床室（3）與OH床室（A/B）可以提高內(nèi)冷水pH值。

在調(diào)試（沖洗）時只需將OH床室A（2）沖洗合格，即可投運(yùn)。而OH床室B（4）則在pH值下降而不能達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時，過OH床室B（4）分流閥使OH床室B（4）慢慢投入運(yùn)行提高pH值，待OH床室B（4）分流閥全開后pH 值下降至不能達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時，通過調(diào)節(jié)開大Na床室進(jìn)水閥使pH值升高，待Na床室進(jìn)水閥全開后pH值下降至不能達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時，通過調(diào)節(jié)關(guān)小H 床室進(jìn)水閥使pH 值升高，直至最后將H 床室進(jìn)水閥全關(guān)后pH 值下降至不能達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時，可以通過再生樹脂的手段恢復(fù)樹脂的功能。

圖2 發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水AB式調(diào)節(jié)裝置

5.2 pH 值安全自動調(diào)節(jié)裝置

pH值安全自動調(diào)節(jié)裝置由一臺電導(dǎo)率儀、一臺記錄泵、一臺控制箱、一只溶藥箱，一臺液位檢測器組成。電導(dǎo)率儀可設(shè)置上下限，液位檢測器可檢測溶藥箱中的液位，計量泵根據(jù)電導(dǎo)率儀的上下限及液位檢測信號決定啟動或停止。優(yōu)點在于配合原有發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水處理裝置處理的情況下，可以使內(nèi)冷水水質(zhì)達(dá)標(biāo)或者達(dá)到更高的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而且安全、可靠。pH 值安全自動調(diào)節(jié)裝置每月需消耗一定量的分析純氫氧化鈉，消耗量由實際運(yùn)行情況決定。

5.3 #3 機(jī)改造

由于#1、2 機(jī)組服役時間長面臨關(guān)停，綜合考慮只對#3、4 機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。根據(jù)運(yùn)行方式安排，首先對#3機(jī)進(jìn)行升級改造，設(shè)備、管道改進(jìn)措施具體如下：

1）切除原呼吸管并進(jìn)行密封，避免氣體進(jìn)入內(nèi)冷水箱。

2）對內(nèi)冷水箱人孔進(jìn)行密封，避免氣體進(jìn)入內(nèi)冷水箱。

3）在內(nèi)冷水回流管安裝除碳器，氣體出口分為三路，一路直接外排，一路回至內(nèi)冷水箱，一路回至發(fā)電機(jī)甩水盒。

(一是可以根據(jù)零點存在定理求出零點的大致區(qū)間；二是引導(dǎo)學(xué)生用函數(shù)的單調(diào)性證明函數(shù)f(x)有且僅有一個零點；三是引導(dǎo)學(xué)生將本題轉(zhuǎn)化為求兩個函數(shù)g(x)=lnx，g(x)=6-2x圖象交點的個數(shù)和交點橫坐標(biāo)的取值范圍.)

4）安裝SANTS-4 型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水AB 式調(diào)節(jié)裝置和加堿裝置，從水冷器出口管引一路水至內(nèi)冷水調(diào)節(jié)裝置，經(jīng)過內(nèi)冷水調(diào)節(jié)裝置處理后回至內(nèi)冷水箱，作為旁路處理。

5）調(diào)整人工取樣位置，原取樣點在內(nèi)冷水箱溢流口下15 cm 處，由于表面溢流導(dǎo)致此處取樣不能代表整個內(nèi)冷水箱水質(zhì)，將內(nèi)冷水取樣點移至水冷器出口管處，此處取樣不僅具有代表性，而且與內(nèi)冷水AB式調(diào)節(jié)裝置內(nèi)的在線儀表使用同一路水，對比起來更有說服力，人工取樣避免不了外部干擾，因此，只要誤差在允許范圍內(nèi)，對比后仍以現(xiàn)場表指示為準(zhǔn)。

2017年11月24日完成#3機(jī)改造，改造后內(nèi)冷水系統(tǒng)見圖3。

通過上述改造，在后期調(diào)試過程中，析出的氣體不能正?；刂了λ校灰M(jìn)行回氣操作，甩水盒將有水流出，水流至8 m平臺，影響機(jī)組安全運(yùn)行。

在氣體回至水箱，排氣門開一半的情況下，根據(jù)調(diào)整原則投運(yùn)內(nèi)冷水AB式調(diào)節(jié)裝置及加堿裝置，內(nèi)冷水水質(zhì)數(shù)據(jù)見表4。

從上述數(shù)據(jù)可知，升級改造后，內(nèi)冷水pH 值達(dá)到7.0 以上，但小于8.0，而運(yùn)行中電導(dǎo)率偏高，但穩(wěn)定在4.8μs/cm以下，銅離子呈現(xiàn)先變小，后逐漸上升的趨勢，后期穩(wěn)定在90μg/L 左右，未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5.4 #4 機(jī)改造

通過對#3 機(jī)改造情況進(jìn)行分析，在#4 機(jī)改造的時候進(jìn)行了調(diào)整，2018年7月8日完成#4機(jī)改造，調(diào)整情況如下。

1）重新對內(nèi)冷水箱人孔進(jìn)行加墊密封。

2）將內(nèi)冷水補(bǔ)水管深入箱底，有利于快速置換內(nèi)冷水。原補(bǔ)水管入口在內(nèi)冷水箱上表面，換水時，大量新鮮補(bǔ)給水從內(nèi)冷水箱表面溢流管流出，不僅達(dá)不到換水效果，而且浪費大量除鹽水。

3）將內(nèi)冷水回水管延長至內(nèi)冷水箱液面以下，避免除碳器的出水與內(nèi)冷水箱中的氣體再次進(jìn)行接觸。

4）將內(nèi)冷水AB式調(diào)節(jié)裝置的回水管延長至液面以下20 cm 處，避免水面的氣體與裝置回水再次進(jìn)行接觸。

5）將除碳器至甩水盒的閥門及排氣門移至8 m平臺，有利于現(xiàn)場觀察除碳器回氣情況，提高運(yùn)行安全系數(shù)。

在后期調(diào)試過程中，析出的氣體可以回至甩水盒，除碳器運(yùn)行方式如下：除碳器回氣管至甩水盒的閥門全開，至回水箱的閥門全開，至大氣的排氣門開20%。根據(jù)調(diào)整原則投運(yùn)內(nèi)冷水AB 式調(diào)節(jié)裝置及加堿裝置，內(nèi)冷水水質(zhì)數(shù)據(jù)見表5。

由表5可知，升級改造后，內(nèi)冷水pH值穩(wěn)定在8.0～8.5，電導(dǎo)率穩(wěn)定在4.8μs/cm以下，銅離子穩(wěn)定在10μg/L以下，符合國家、電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 改造后內(nèi)冷水系統(tǒng)流程

表4 #3 機(jī)內(nèi)冷水運(yùn)行數(shù)據(jù)匯總

表5 #4 機(jī)內(nèi)冷水運(yùn)行數(shù)據(jù)匯總

5.5 #3 機(jī)持續(xù)改造

2019 年6 月對#3 機(jī)進(jìn)行通流改造，由原來的CC60 型單缸、沖動、抽汽冷凝式、具有兩級調(diào)整抽汽、單排汽口汽輪機(jī)更新為CC60-8.83/3.1/1.3型單缸、反動、抽汽冷凝式、具有兩級調(diào)整抽汽、單排汽口汽輪機(jī)，轉(zhuǎn)子和甩水盒全部更新，除碳器析出的氣體可以正?；刂了λ校壳?，內(nèi)冷水水質(zhì)合格穩(wěn)定，內(nèi)冷水水質(zhì)數(shù)據(jù)見表6。

表6 #3 機(jī)內(nèi)冷水運(yùn)行數(shù)據(jù)匯總

6 結(jié)論

實踐證明，#3、4機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)升級改造成功，徹底解決了因水質(zhì)不合格引起的銅腐蝕難題，有效控制了發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)腐蝕程度，延長了發(fā)電機(jī)設(shè)備的使用壽命，避免被迫停機(jī)，確保發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行，同時避免發(fā)電機(jī)返廠更換銅導(dǎo)線而造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失。