孟 龍，李俊菀，王峻峰，黃萬(wàn)啟，孫本達(dá)

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

隨著煤電行業(yè)“上大壓小”政策的不斷推進(jìn)，大容量機(jī)組不斷取代小容量機(jī)組，單機(jī)容量提高，發(fā)電機(jī)定子繞組的線(xiàn)負(fù)荷增加，定子繞組線(xiàn)圈的溫度隨之提高。由于水具有導(dǎo)熱系數(shù)大，安全性高等優(yōu)點(diǎn)，水冷逐漸成為發(fā)電機(jī)定子繞組冷卻的主要方式。我國(guó)絕大多數(shù)超臨界、超超臨界機(jī)組發(fā)電機(jī)都采用“水-氫-氫”冷卻方式，定子繞組采用水冷，轉(zhuǎn)子及鐵芯采用氫冷［1］。值得注意的是，隨著機(jī)組容量的提高，發(fā)電機(jī)通水槽的高度反而逐漸降低，如300 MW定子空心銅線(xiàn)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(lái)的問(wèn)題如下：1）水流量減小，溫升增加，腐蝕產(chǎn)物沉積加劇；2）通流面積減少，腐蝕產(chǎn)物堵塞問(wèn)題突出；3）發(fā)電機(jī)初始電壓升高，磁場(chǎng)增強(qiáng)，腐蝕產(chǎn)物更易于沉積［2-3］。因此，國(guó)家及電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)定冷水指標(biāo)的要求愈加嚴(yán)格，詳見(jiàn)表1。本工作整理并分析了定冷水水質(zhì)控制的要點(diǎn)，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(guò)理論與實(shí)際相結(jié)合，分析了各種定冷水處理方法存在的問(wèn)題，提出較為合適的方案以期指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。

1 發(fā)電機(jī)定子銅線(xiàn)圈腐蝕的主要影響因素

1.1 p H、溶解氧對(duì)銅線(xiàn)圈腐蝕的影響

平衡計(jì)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(jiàn)：當(dāng)p H為8.0～9.0時(shí)，無(wú)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(duì)銅基體起到保護(hù)作用，這與標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定吻合。當(dāng)以10－7mol／L銅作為腐蝕發(fā)生與否的界限作圖時(shí)，銅穩(wěn)定存在的p H為7.44～9.31，p H超出此區(qū)間，當(dāng)有極少量的氧導(dǎo)致溶液電位升高時(shí)，銅就會(huì)進(jìn)入腐蝕區(qū)。因此，標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)率小于2.0μS／cm，因此定冷水的p H 通常不會(huì)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(guān)系圖。由圖2可見(jiàn)：當(dāng)p H為8.3時(shí)，溶解氧含量的變化對(duì)銅腐蝕的作用已不明顯，此時(shí)可以不考慮溶解氧含量的影響［2］。

表1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)定冷水水質(zhì)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(guān)系Fig.2 The relationship of copper corrosion rate with p H and dissolved oxygen content

相關(guān)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(huì)導(dǎo)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(wèn)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(wú)論高氧運(yùn)行還是低氧運(yùn)行，一定要維持氧含量的穩(wěn)定，氧含量的變化會(huì)導(dǎo)致兩種氧化物之間晶型的轉(zhuǎn)變，這種變化會(huì)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(yùn)行中應(yīng)注意：保持定冷水p H的長(zhǎng)期合格穩(wěn)定，盡量減少p H發(fā)生較大的波動(dòng)；無(wú)論低溶解氧運(yùn)行還是高溶解氧運(yùn)行，不要隨意改變運(yùn)行方式，維持氧含量的穩(wěn)定［6-8］。

1.2 二氧化碳對(duì)電導(dǎo)率及銅線(xiàn)圈腐蝕的影響

當(dāng)定冷水系統(tǒng)在堿性條件下運(yùn)行時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在該工況下，僅需要注意控制定冷水的電導(dǎo)率在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。在維持定冷水p H不變的條件下，二氧化碳的漏入會(huì)明顯增加溶液的電導(dǎo)率。除鹽水加NH3調(diào)節(jié)p H時(shí)不同總碳濃度下電導(dǎo)率與p H的關(guān)系如圖3所示，由圖3可見(jiàn)：以2.0μS／cm作為定冷水電導(dǎo)率的上限，當(dāng)溶液中的總碳濃度達(dá)到1.5×10－5mol／L，p H為8時(shí)，定冷水電導(dǎo)率為2.01μS／cm；當(dāng)總碳濃度大于1.5×10－5mol／L，且無(wú)法保證p H大于8.0時(shí)，電導(dǎo)率小于2.0μS／cm。因此，維持定冷水中低二氧化碳含量對(duì)保證定冷水水質(zhì)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(dǎo)率-p H對(duì)應(yīng)關(guān)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(diào)節(jié)p H，電導(dǎo)率與p H的對(duì)應(yīng)關(guān)系可按如下方式推導(dǎo)。

式中：wC為水中總碳含量。設(shè)25℃時(shí)H2CO3的一級(jí)、二級(jí)電離平衡常數(shù)為K1、K2，是只與溫度相關(guān)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(diào)節(jié)p H時(shí)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(shí)H2CO3的一級(jí)、二級(jí)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(dǎo)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(diào)節(jié)p H時(shí)，電導(dǎo)率與p H的對(duì)應(yīng)關(guān)系，選取不同總碳含量繪圖如圖3所示［9］。

2 當(dāng)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(guò)小無(wú)法維持定冷水的p H合格，加量過(guò)大又會(huì)導(dǎo)致定冷水電導(dǎo)率嚴(yán)重超標(biāo)，有時(shí)甚至達(dá)到幾十μS／cm，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的絕緣，威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。這種方法通常還會(huì)保留H／OH型樹(shù)脂小混床繼續(xù)投運(yùn)，旁路處理量也很難控制合適，p H波動(dòng)較大且需要經(jīng)常更換樹(shù)脂，增加運(yùn)行、檢修人員的工作量［10-12］。

2.2 H／OH型樹(shù)脂小混床旁路處理法

小混床中裝有H型陽(yáng)樹(shù)脂和OH型陰樹(shù)脂，處理的流量一般為內(nèi)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(yán)重。這種方法能夠去除水中的雜質(zhì)，但是，混床出水偏酸性，且通常沒(méi)有維持定冷水系統(tǒng)的密閉性，空氣中的氧和二氧化碳進(jìn)入定冷水中，定冷水水質(zhì)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(shù)脂改為鈉型樹(shù)脂，鈉型樹(shù)脂與定冷水中的銅離子等交換后，釋放出鈉離子，氫氧型樹(shù)脂與定冷水中其他的陰離子交換，釋放出氫氧根離子，相當(dāng)于向水中投入了氫氧化鈉。這種方法對(duì)p H的提升作用與定冷水中陽(yáng)離子含量密切相關(guān)，出水電導(dǎo)率一般不穩(wěn)定且通常對(duì)定冷水p H的提升作用不明顯，一般p H不超過(guò)7.8，樹(shù)脂運(yùn)行周期短，如果定冷水系統(tǒng)密封性不好則運(yùn)行周期更短，通常運(yùn)行較短的時(shí)間p H就會(huì)降至7.0左右，運(yùn)行中需頻繁更換樹(shù)脂，運(yùn)行、檢修人員工作量大，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)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(xiàn)圈內(nèi)形成保護(hù)膜，防止定冷水中的介質(zhì)對(duì)銅線(xiàn)圈造成腐蝕，常用的銅緩蝕劑有MBT和BTA等，這些物質(zhì)的水溶性很差，藥劑會(huì)堵塞尺寸不大的銅線(xiàn)槽，導(dǎo)致超溫，因此，新的標(biāo)準(zhǔn)不推薦向定冷水加緩蝕劑調(diào)節(jié)水質(zhì)［10-12，14］。

3 定冷水智能配水法

3.1 智能配水法的說(shuō)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(guò)設(shè)備自動(dòng)調(diào)節(jié)凝結(jié)水精處理出口加氨點(diǎn)前、后兩路來(lái)水的配比，保證經(jīng)過(guò)裝置混合后的補(bǔ)水電導(dǎo)率及p H在標(biāo)準(zhǔn)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(jié)水經(jīng)過(guò)精處理加氨后的p H通常在9.0以上，因此調(diào)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(lái)水均為經(jīng)過(guò)精處理后的凝結(jié)水，水質(zhì)優(yōu)良，保證不引入定冷水系統(tǒng)內(nèi)其他雜質(zhì)離子。同時(shí)對(duì)定冷水系統(tǒng)進(jìn)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(jié)水精處理設(shè)備-定冷水箱-凝汽器熱井），通過(guò)連續(xù)補(bǔ)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(zhì)穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的合格范圍，同時(shí)對(duì)補(bǔ)水進(jìn)行循環(huán)回用可以不浪費(fèi)水。該方法不使用小混床，不進(jìn)行加藥處理，不需要進(jìn)行排污處理，節(jié)省了運(yùn)行及檢修成本［14-15］。

3.2 智能配水法在電廠的應(yīng)用效果

基于智能配水法，西安熱工研究院研究了專(zhuān)利產(chǎn)品（定冷水智能凈化裝置），裝置需對(duì)定冷水系統(tǒng)進(jìn)行改造，在凝結(jié)水精處理后和加氨前后引兩路水通過(guò)人工智能設(shè)備自動(dòng)配比兩路水的流量，使得補(bǔ)水電導(dǎo)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(guò)定冷水箱高位溢流至水封筒進(jìn)行回收。

華潤(rùn)某電廠1號(hào)機(jī)組于2015年9月14日11：00投運(yùn)定冷水智能凈化設(shè)備，電廠之前采用H／OH型樹(shù)脂小混床旁路處理法，補(bǔ)水方式為單一的除鹽水補(bǔ)水，定冷水p H約為6.0，系統(tǒng)腐蝕嚴(yán)重，定冷水中銅含量較高。智能凈化設(shè)備投運(yùn)后，定冷水的電導(dǎo)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(dǎo)率間的關(guān)系基本符合25℃下，高純水加氨調(diào)節(jié)p H時(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)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(shè)備投運(yùn)3 d內(nèi)對(duì)定冷水水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 智能凈化設(shè)備投運(yùn)后的定冷水水質(zhì)（1號(hào)機(jī)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(hào)機(jī)組于2015年12月投運(yùn)定冷水智能凈化設(shè)備，電廠之前采用加堿化劑（NaOH）并通過(guò)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(zhǔn)確控制并維持平衡，電廠運(yùn)行人員反映定冷水p H不穩(wěn)定且經(jīng)常出現(xiàn)加藥過(guò)量、電導(dǎo)率超標(biāo)等情況，電導(dǎo)率曾達(dá)到20μS／cm，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全運(yùn)行，此外，檢修人員還反映樹(shù)脂失效較快，樹(shù)脂更換頻繁，工作量較大。定冷水智能凈化設(shè)備投運(yùn)后，電廠停止向定冷水中加堿化劑，停止小混床的運(yùn)行，投運(yùn)后定冷水的電導(dǎo)率及p H長(zhǎng)期合格穩(wěn)定，電導(dǎo)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(yùn)行及檢修人員的工作量。設(shè)備投運(yùn)1 a后對(duì)定冷水水質(zhì)進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 智能凈化設(shè)備投運(yùn)后的定冷水水質(zhì)（2號(hào)機(jī)組）Tab.3 The quality of cooling water after the intelligent purification equipment put into operation（Unit 2）

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）隨著機(jī)組容量的不斷提高，發(fā)電機(jī)銅線(xiàn)圈腐蝕所帶來(lái)的問(wèn)題越來(lái)越顯著，電廠運(yùn)行應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的定冷水指標(biāo)，把危險(xiǎn)降到最低。

（2）機(jī)組運(yùn)行期間應(yīng)維持定冷水p H的長(zhǎng)期合格及氧含量的長(zhǎng)期穩(wěn)定，減少因數(shù)據(jù)波動(dòng)給運(yùn)行帶來(lái)的危害。

（3）應(yīng)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(yīng)小于1.5×10－5mol／L，保證定冷水的p H及電導(dǎo)率同時(shí)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）選擇定冷水的處理方法時(shí)應(yīng)充分了解各種方法的優(yōu)、缺點(diǎn)，避免給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

（5）定冷水智能配水法具有自動(dòng)補(bǔ)水，自動(dòng)循環(huán)，定冷水水質(zhì)好，銅腐蝕量小等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)備投運(yùn)后效果明顯，長(zhǎng)期運(yùn)行指標(biāo)穩(wěn)定可靠，滿(mǎn)足GB／T 12145－2016《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)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》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于定冷水水質(zhì)的要求。