神头二电厂内冷水处理系统问题分析及应对措施

韩建伟

（神华国能集团神头第二电厂发电部，山西 朔州 036011）

1 发电机内冷水系统概述

发电厂大型发电机组的冷却方式有“水-氢-氢”“水-水-氢”和“水-水-空”3种。我国汽轮发电机组广泛应用“水-氢-氢”的冷却方式，即发电机定子绕组采用水内冷，转子采用氢内冷，定子铁芯及线圈端部采用氢冷。

定子冷却水一般简称内冷水，它主要用于大型发电机导线内部的冷却，为保证电厂发电机的安全稳定运行，要求定子冷却水有良好的绝缘性能，发电机导线内部水的流通截面很小，因此要求水中无机械杂质，不允许出现堵塞现象，整个系统不应有腐蚀现象，也不应有产生沉淀物的杂质离子。鉴于对内冷水水质的质量要求，在发电站内涉及电机和化学两个专业，电机专业从内冷水系统的冷却效果、绝缘性能及系统流通等情况提出对内冷水水质的指标要求，而电厂化学专业要控制内冷水水质既能满足电机专业要求又要防止系统结垢和腐蚀，以满足发电机的有关要求，保证机组的长期安全稳定运行。

用于发电机内冷水的水源选择及水质处理装置，国内机组配置不尽相同，大机组一般采用除盐水或凝结水作为水源，并配置一套离子交换系统对内冷水进行水质处理。从实际运行情况看，内冷水进行离子交换虽然可以满足发电机绝缘性能要求，但整个内冷水系统的腐蚀问题却没有得到有效控制和解决，含铜量超标，pH值偏低，不符合标准要求。

2 内冷水腐蚀原理

在Cu-H2O体系中发生的氧化还原反应：

由反应式（1）可以看出，影响铜在水中腐蚀的主要原因是水中的溶氧含量大小和pH值高低，降低定冷水中的溶氧含量或者提高定冷水的pH值都可以使化学反应（1）的平衡向左移动，也就是说，pH值升高或氧量减少都能够有效抑制发电机铜线棒在定冷水中的腐蚀。经过试验证明，当溶解氧浓度小于100 μg/L时，铜腐蚀速度与溶解氧浓度几乎成线性关系，溶解氧浓度越高，铜腐蚀速度越大。结合实际生产条件，新的标准《大型发电机定冷水质及系统技术要求》（DL/T801—2002）规定内冷水的溶解氧浓度小于30 μg/L，以降低铜线棒的腐蚀速度。

当pH＞6.8时，铜处于钝化区。所以在定冷水系统中，应控制定冷水的pH＞7.0，则可有效控制发电机铜线棒在定冷水中的腐蚀。基于上述反应机理，发电机内冷水处理装置最好是使用真空除氧和离子交换方法调节pH值，控制内冷水中的溶解氧的含量，使定冷水的溶解氧浓度＜30 μg/L，pH＞7.0，以抑制发电机铜线棒腐蚀。当pH值在8.0～8.5之间时，钝化效果最好，可降低定冷水中的铜离子含量，减少腐蚀，控制定冷水电导率，使发电机定冷水水质全部达到《大型发电机定冷水质及系统技术要求》规定的标准，保证发电机组安全可靠运行。

3 内冷水处理系统调控方法

3.1 内冷水pH调整

在内冷水系统中单独加入NaOH，单纯地提高pH值，可以将内冷水由微酸性调整成微碱性，也能起到控制铜导线腐蚀的作用。此工艺直接将NaOH配制成0.1%稀溶液，利用微型电磁计量泵注入内冷水系统，控制指标内冷水导电度≤1.5 μs/cm，pH＞7.0.这种调控方式可将内冷水铜含量控制在40 μg/L以下。由于系统严密性差，需经常补充药液，实际运行中存在调控手段落后，电导率一直偏高，同时运行人员调整工作量大，水质稳定性差，对发电机的安全运行十分不利。

3.2 氧量调节

内冷水中溶解氧是铜导线发生腐蚀的原因之一，水中溶解氧对铜导线的腐蚀有两方面作用。一般情况下，由于溶解氧的存在，会导致铜导线发生氧化反应造成腐蚀。但是在一定条件下，溶解氧与铜发生反应生成的氧化物可以在铜表面形成一层保护膜，能阻止铜的进一步腐蚀。因此，除去内冷水中的溶解氧和在一定条件下控制溶解氧含量都能防止铜的腐蚀。

4 采取的控制腐蚀措施

由于内冷水水质腐蚀问题造成的发电机损坏的事件在国内屡次出现，首先水质出现问题造成铜导线腐蚀，腐蚀之后会进一步造成水质不合格，两个问题同时存在，但归结起来主要还是水质问题。铜导线因水质调整不好产生腐蚀产物，使内冷水导电度增大，腐蚀产物又会造成发电机线圈堵塞系统等问题，危及发电机安全。国内有关行业标准对内冷水的pH值、电导率和铜离子浓度作出规定，其中，pH值和铜离子浓度指标控制系统铜导线的腐蚀速率，电导率指标控制发电机的绝缘，三个指标相互关联、相互制约。目前，国内内冷水水质标准为：导电度≤2.0 μs/cm，pH=7.0～9.0，硬度≤2 μmol/L，铜含量≤40 μg/L，调节防腐处理方法主要有以下几种，其主要是降低内冷水中铜等杂质的含量，提高内冷水的pH值，防止内冷水铜导线腐蚀，以确保发电机安全稳定运行。

5 内冷水处理方法简介

神头二电厂#1、#2机组1992年投产，当时国内大机组较少，行业内冷水水质指标较低，人们没有充分认识到内冷水水质的重要性，因此只设计用溢流排水法，保证导电度合格即可，腐蚀问题考虑的较少。二期#3、#4机组2005年7月全部投产，投产时没有安装内冷水处理装置，内冷水系统同样是以化学除盐水作为内冷水，同时向系统内补充一部分加氨以后的凝结水的方式来提高pH值。但是#3、#4机组预留接口准备加装内冷水处理装置，并于2008年12月加装了#4机内冷水处理装置，运行正常后，#3机组于2009年8月也加装了一套内冷水处理装置，目前运行正常。

目前，神头二电厂4台机组内冷水处理方法分别是#1机组溢流排水法、#2机组氢型钠型床处理法、#3、#4机小混床+NaOH处理法。

6 内冷水处理系统运行状况及问题分析

6.1 #1机组溢流排水法

神头二电厂#1机组内冷水系统最初没有进行任何处理，随着认识的提高，逐步采取防止铜导线腐蚀的方法，于是就采取提高内冷水pH值的方法来有效防止铜导线的腐蚀。于是我们就汲取国内较多电厂广泛采用的将pH值较高、溶解氧较低及含NH3的凝结水作内冷水调节水源，也就是内冷水采用连续补入除盐水，用凝结水来调节，使pH＞7.0，并维持溢流，控制内冷水导电度≤2.0μs/cm。

该方法简单易行，但只控制导电度，pH值没有提高，内冷水铜离子含量经常超标，连续补水造成水资源的严重浪费，用凝结水作补充水是为了调节pH＞7.0.在实际运行中，由于凝结水的pH值一般在8.8～9.3之间，电导率在5～10 μs/cm之间，且目前本厂#1机组凝汽器服役时间已经很长，经常出现凝汽器泄漏现象。凝汽器泄漏会污染内冷水水质，使凝结水导电度增大，有时还有硬度，同时凝结水中的NH3与铜将发生化学反应，会极大地威胁内冷水系统的安全性。

作为内冷水系统水质调控和铜导线防腐措施，此方法不符合安全性评价要求，安全专家已经提出整改意见。

6.2 #2机组氢型钠型床处理法

#2机组定子冷却水处理系统是一个NaOH型床作为阳离子交换器，出水再进入氢氧型阴离子交换器。#2机定子冷却水装置内部树脂可以使用普通的国产离子交换树脂，再生液使用HCl、NaCl、NaOH。氢型床和钠型床配合使用可合理调节内冷水的pH值，降低系统铜腐蚀，将两个阳床树脂合理配比，根据现场水质需要适时增加钠型树脂用量，对内冷水进行微碱性处理以提高内冷水的pH值。

目前，本厂#2机组定子冷却水应用此装置，但是本厂定冷水箱没有设计在线液位计，所以必须采用溢流方式控制液位。内冷水装置钠床交换出来的钠离子和阴床交换出的氢氧根离子，理论上提高了系统pH值，但#2机组定子冷却水箱是靠溢流来保证液位，也就是说，为了保证安全定子冷却水箱一直处于溢流状态，这样交换出来的阴阳离子被补充的纯净除盐水稀释，因此系统的pH值无法保证。之后本厂在交换器后面增设了加氢氧化钠系统来调节pH值，但是由于现场没有设计表计，原来交换器设计容量也没有考虑加碱系统，也没有设计冲洗系统，导致系统投运时pH值、电导率严重超标，威胁发电机安全运行，因此此系统一直处于停运状态，目前仍然采取传统加凝结水来调节pH值，防止铜导线腐蚀。

6.3 #3、#4机小混床+NaOH处理法

山西神头二电厂#3、#4台机组均为捷克生产的水氢氢型汽轮发电机。定子冷却水系统冷却水最大流量为63 t/h，水容积7.5～8.0 m3。内冷水系统设计有小旁路混床处理系统，将2～3 t/h的内冷水通过装有阴阳树脂的混合离子交换器，以除去内冷水中各种阴阳离子，达到净化内冷水水质的目的。#3、#4机内冷水处理装置采用华北电科院设计的NLS-01型处理装置，它是由混合离子交换器（直径为500 mm）和通过变频泵加氢氧化钠调节pH值组成，同时为了保证调节系统正常工作，就地控制柜上安装了在线电导表和pH表，用来测量交换器入口、出口电导表和pH表，通过电导率的变化来自动调节泵的输出功率。NLS-01型处理装置和管道连接均采用不锈钢；为了防止小混床内部树脂进入发电机冷却水系统，造成发电机冷却水系统污堵，所以在小混床上部出口处安装树脂捕捉器（材质为不锈钢绕丝筒）；小混床内部装填进口并经过特殊处理的混合好的离子交换树脂，一台树脂装填量约0.25 m3，小混床最大处理水量为9 t/h左右，运行流量为2 t/h，占系统总流量的4%左右，交换树脂是混合好的交换树脂。NLS-01发电机内冷水处理优化装置控制系统采用西门子simatic S7－200型CPU224可编程控制器，EM235型输入/输出模块，触摸屏为富士公司UG221H-SR4型，加碱泵为Prominent Gamma/L电磁计量泵。投运初期先采用手动间断加碱方式，以摸索加碱后的主、支路水质变化规律，然后根据此结果调整控制程序，再试投自动加碱功能直至系统能安全、稳定地运行。

控制目标：控制主路内冷水电导率在1.4 μs/cm以下，pH=7.5～9.0，支路内冷水电导率在1.4 μs/cm以下。

投入自动前应做如下检查：①控制参数（在触摸屏的设置页进行）设定值：1.0 μs/cm；比例值：1.0；采样时间：4 min；积分值：4 min；微分值：0 min；②电磁计量泵的状态。

电磁计量泵经常出现不出力的问题，首先是由于经常由入口管道进气，或者碱液出现抽空造成的；其次，导电度指示出现问题一直大流量加药，造成系统pH超标，因此需要运行人员巡检要及时，发现问题及时处理。目前，本厂通过加强运行管理，电导率在线投入率较高，暂时能够满足系统需求。

7 结论与建议

#3、#4机组采用的NLS-01型内冷水处理装置，能够将内冷水内部的大部分阴阳离子去除，把内冷水导电度降到≤0.2 μs/cm以下，内冷水中铜离子与交换树脂活性基团进行交换，使得发电机定子冷却水中的含铜量得到有效控制。可是定子冷却水的补水一般都是除盐水，本厂也不例外，而除盐水的pH都偏低，虽然我们利用小混床进行了离子交换，可是pH值依然偏低，因此在对定子内冷水进行小混床处理的同时，再加入优级纯的稀氢氧化钠溶液（一般我们将氢氧化钠稀释100倍），目的是提高定子冷却水的pH值，从而达到控制内冷水水质指标的目的。稀NaOH用加药泵注入内冷水系统，这种处理方式从提高内冷水pH值、抑制内冷水铜系统腐蚀方面讲是合适的，但加入稀NaOH溶液后，又出现了内冷水的导电度升高的新问题。我们经过反复试验，平衡将电导率控制在1.4 μs/cm以下，pH=7.5～9.0，从调试运行至今运行很平稳，铜含量一直控制在3～5 μg/L范围内，比#1、#2机内冷水系统运行得好。因此建议#1、#2机内冷水系统仿照#3、#4机内冷水系统进行改造。

发电机定冷水的pH值、电导率两个控制指标的执行是相互制约的。在pH≤9.0的条件下，适当往大调节pH值，有利于抑制发电机定子铜线棒的腐蚀，降低定冷水中的铜离子浓度。但是当pH≥7.0时，随着定冷水pH值的提高，其电导率也相应提高，发电机对地绝缘性能变差。因此，这两个指标的控制原则是在保证发电机铜线棒较低腐蚀率的前提下，控制适当的pH值，维持较低的定冷水电导率值，以保证发电机的安全运行。鉴于定冷水pH值控制在7.0～9.0时，Cu2+浓度可控制在5～10 μg/L，已达到非常良好的发电机铜线棒防腐蚀效果。而进一步提高定冷水pH值时，则电导率也随着增大。综合考虑各种因素，建议控制定冷水pH期望值在8.0～8.5之间，电导率＜1.0 μs/cm。

#3、#4机内冷水处理装置连续运行期间，虽然本厂采用在内冷水箱溢流管出口有水封装置，但是内冷水溶解氧基本保持在500 μg/L以上，主要原因首先是水封不能完全密封溶解氧，溶解氧可以通过水封进入内冷水系统，建议内冷水箱顶部装设气囊连续充入氮气，可降低部分溶解氧。其次，内冷水箱液位计原设计有低位补水联动，当水位至低液位时，除盐水补水阀自动打开，但是内冷水箱没有设计高液位自动关闭除盐水补水阀，除盐补水阀一直处于打开位置，除盐水一直处于补水状态，而除盐水中的溶解氧含量特别高，这样既浪费大量除盐水，也增加了溶氧量，因此建议在内冷水箱液位计上增设高液位保护装置，当达到高液位时自动关闭除盐水补水阀。

#3、#4机内冷水小混床已经运行4年左右，树脂已经接近失效，建议利用大小修机会更换树脂。

#3、#4机内冷水装置pH表电极已经老化，指示偏差大，需要更换。