深度解析發(fā)電機內冷水處理技術(shù)
【www.hokkaido-dancers.com南京純水設備】發(fā)電機的各種損耗會(huì )導致電機發(fā)熱，為防止發(fā)電機溫度過(guò)高引起的絕緣老化等問(wèn)題，需采取合理的冷卻方式，目前常用的冷卻方式包括氫冷、空冷、導線(xiàn)內部冷卻，我國大型發(fā)電機普遍采用水內冷的冷卻方式。由于發(fā)電機內冷水是高壓電場(chǎng)中的冷卻介質(zhì)，這一特殊環(huán)境要求其必須具備絕緣性，對銅導線(xiàn)無(wú)腐蝕性，同時(shí)不能有顆粒物沉積，否則將造成銅導線(xiàn)堵塞燒毀事故。為了達到這個(gè)要求，國家相關(guān)標準對內冷水水質(zhì)做出了嚴格規定。
為確保發(fā)電機組安全運行，國內外發(fā)電機制造廠(chǎng)商及相關(guān)研究機構提出過(guò)多種內冷水處理方法。從機理上分析了空心銅導線(xiàn)腐蝕堵塞的原因，對現有的內冷水處理方法進(jìn)行了評述，并針對目前國內處理技術(shù)仍存在的問(wèn)題提出了建議。
一、空心銅導線(xiàn)腐蝕堵塞機理
1、 空心銅導線(xiàn)堵塞機理
銅在純水中是可以穩定存在的，不會(huì )發(fā)生腐蝕，當水中含有O2時(shí)，金屬銅表面會(huì )被氧化。事實(shí)上，銅表面的氧化層很薄(只有幾μm)，并不會(huì )造成堵塞。但是當這些氧化物開(kāi)始移動(dòng)，南京純水設備并且在特定部位再沉積，積累到一定程度時(shí)就足以阻礙水流甚至堵塞導線(xiàn)。空心銅導線(xiàn)堵塞的機理包括4個(gè)過(guò)程：(1)銅的氧化;(2)銅氧化物(離子或顆粒)的釋放;(3)銅氧化物的遷移;(4)銅氧化物的再沉積。通過(guò)抑制這4個(gè)過(guò)程可以從根源上防止銅導線(xiàn)的堵塞。
2、 銅導線(xiàn)腐蝕堵塞的影響因素
2.1 水中溶解氧的影響
水中的溶解氧既影響銅的氧化，又影響氧化物的釋放。在貧氧條件下，銅氧化物主要是Cu2O，呈花面條狀堆積在表面;在富氧條件下，則以CuO為主導，形成致密多面層，這種結構具有更好的黏附性。1974年，安聯(lián)技術(shù)中心發(fā)現在貧氧和富氧條件下，銅的釋放速度很低，當溶解氧為100~500 μg/L時(shí)，銅氧化物釋放達到最大。EPRI的一項調查認為釋放速度的變化與Cu2O和CuO之間的相變有關(guān)，這種相變產(chǎn)生的壓力會(huì )使氧化層疏松。當溶解氧從貧氧(<20 μg/L)或富氧區(>2 mg/L)向中氧區(100~500 μg/L)改變時(shí)，這種相變就會(huì )發(fā)生。因此，在貧氧或富氧工況下運行，有利于減緩銅導線(xiàn)的腐蝕和堵塞，工況一定時(shí)不要進(jìn)行貧氧富氧間的改變。
2.3 CO2的影響
CO2是空心銅導線(xiàn)腐蝕的重要影響因素之一，CO2溶入內冷水系統后將對銅導線(xiàn)的腐蝕和水的電導率產(chǎn)生顯著(zhù)影響。內冷水系統大多是以凝結水和除鹽水作為補充水，當除鹽水中CO2含量達到飽和時(shí)，pH和電導率分別是5.6和0.86 μS/cm，在這種酸性含氧溶液中銅表面的氧化膜會(huì )溶解，金屬銅的腐蝕會(huì )加劇。停機檢修期間，若停運放空后線(xiàn)棒未充分吹干，潮濕的表面與O2和CO2充分接觸，將對線(xiàn)棒造成嚴重的停備期間腐蝕。當系統以堿性工況運行時(shí)，CO2的漏入會(huì )大大增加水的電導率。
隨著(zhù)水中總碳含量的增加，同一pH下水的電導率也在不斷上升，當總碳濃度達到2×10-5mol/L時(shí)，已很難保證電導率小于2.0 μS/cm的同時(shí)將pH調至7.0以上。因此，去除內冷水系統中的CO2對防止銅導線(xiàn)的腐蝕、改善內冷水水質(zhì)具有重要意義。
2.3 pH的影響
當水的pH處于6.94~10.31時(shí)，金屬銅處于鈍化狀態(tài)，此時(shí)銅表面的氧化物能夠穩定存在，可以對銅基體起到保護作用，防止進(jìn)一步腐蝕。同樣地，pH也會(huì )影響銅的釋放。
當pH在8.0以上時(shí)，溶解氧對銅腐蝕速率的影響已經(jīng)很小，因此，在不控制溶解氧含量時(shí)，應該將pH提高到8.0以上。值得注意的是，pH提高的同時(shí)內冷水的電導率也會(huì )升高，南京實(shí)驗室純水設備定子內冷水電導率小于2.0 μS/cm，通過(guò)計算可知在此電導率下純水加氨和加NaOH可達到的最高pH分別為8.85和8.89，因此內冷水pH的上限為9.0。
2.4 其他因素的影響
溫度會(huì )對銅的溶解度產(chǎn)生影響，但影響要小于pH。電導率也會(huì )影響銅的溶解，水的電導率由1μS/cm下降到0.5 μS/cm時(shí)，銅腐蝕速度上升1.8倍，因此從抑制銅腐蝕來(lái)看，冷卻水的電導率過(guò)低是不利的。
以上分析可以看出，為了防止銅導線(xiàn)的腐蝕堵塞并保持內冷水的絕緣性，內冷水處理應關(guān)注以下幾點(diǎn)：(1)控制溶解氧含量;(2)電導率不超標的情況下，盡量提高pH;(3)除去水中雜質(zhì)離子，以減小電導率并防止腐蝕產(chǎn)物沉積。
二、發(fā)電機內冷水處理技術(shù)
從原理上，內冷水處理技術(shù)可以分為5類(lèi)：緩蝕劑法、換水法、普通小混床法、堿性處理法和氧含量控制法。
1、 緩蝕劑法
銅緩蝕劑可以與水中的銅離子發(fā)生絡(luò )合反應，生成保護膜覆蓋在銅表面，從而減緩銅的腐蝕，常用的緩蝕劑有2-疏基苯并噻唑(MBT)、苯并三氮唑(BTA)、甲基苯并三唑(TTA)及其他復合緩蝕劑。內冷水加入緩蝕劑存在濃度檢測困難、電導率和Cu2+易超標、銅導線(xiàn)堵塞等風(fēng)險，南京純水設備1998年某廠(chǎng)1臺使用BTA處理的發(fā)電機曾發(fā)生銅導線(xiàn)堵塞燒毀的事故，現在大型機組已很少使用此方法。最新電力標準DL/T 801—2010《大型發(fā)電機內冷卻水質(zhì)及系統技術(shù)要求》中明確指出不推薦對內冷卻水添加緩蝕劑以調控水質(zhì)。
2 、換水法
向發(fā)電機內冷水箱連續補入大量凝結水或除鹽水同時(shí)排掉溢流水，使內冷水的電導率和離子含量合格。當補水為除鹽水時(shí)，弱酸性并含有溶解氧的除鹽水會(huì )加速銅導線(xiàn)的腐蝕。當補水為凝結水時(shí)，凝結水中含有氨，可以升高內冷水pH，抑制銅導線(xiàn)腐蝕，但凝汽器發(fā)生泄漏或水質(zhì)變化將引起內冷水水質(zhì)惡化，因此不利于發(fā)電機的安全。除此之外，連續排水的水量損耗很大，不夠經(jīng)濟。
3、 普通小混床法
將部分內冷水通過(guò)裝有氫型樹(shù)脂(RH)和氫氧型樹(shù)脂(ROH)的混床，以除去雜質(zhì)離子，降低電導率和Cu2+含量。由于混床出水緩沖性能差，空氣中CO2漏入后出水呈酸性，會(huì )加速銅導線(xiàn)的腐蝕。某電廠(chǎng)采用H-OH型旁路小混床，冷卻水pH大多在5.3~6.3范圍內，銅導線(xiàn)腐蝕嚴重，水中Cu2+有時(shí)高達1 000 μg/L。可以看出這種處理方法無(wú)法滿(mǎn)足內冷水水質(zhì)要求。
4 、簡(jiǎn)化處理法
堿化處理是通過(guò)向內冷水中添加堿化劑提高pH來(lái)達到減緩銅腐蝕的目的。根據堿化劑加入方式的不同，可以分為直接加堿法和離子交換微堿化法，前者是將配好的NaOH或氨水通過(guò)加藥泵加入系統，后者是通過(guò)離子交換樹(shù)脂將NaOH緩慢釋放。內冷水中添加的堿化劑包括NaOH和氨，由于Na+對電導率的貢獻小于NH4+，因此在同一pH下，NaOH溶液比氨溶液電導率低[9]，在敞開(kāi)系統中，高溫下氨的溢出會(huì )造成pH的波動(dòng)，從這兩方面看用NaOH比氨更合適。
4.1 直接加堿法
(1)小混床加堿堿化法。混床可以除去水中的雜質(zhì)和離子，加堿可以提高內冷水的pH，因此讓內冷水通過(guò)裝有氫型樹(shù)脂(RH)和氫氧型樹(shù)脂(ROH)的混床，再向出水中加入NaOH或氨溶液調節pH可以保證電導率和pH合格。某廠(chǎng)1 000 MW機組內冷水水質(zhì)長(cháng)期不合格，改造后使用該方法，系統出水pH為8.0~9.0，電導率為1.0~2.0 μS/cm，Cu2+在10 μg/L以下。這種方法需要嚴格控制運行指標，并且對設備的可靠性要求很高，否則將可能造成pH和電導率的突然增高，威脅機組的安全。
(2)凝結水調配法。這種方法是將凝結水精處理出口加氨和未加氨的水進(jìn)行調配，通過(guò)電腦智能配比控制其pH在8.5左右，然后對內冷水箱進(jìn)行補水，溢流水排入凝汽器與凝結水一起進(jìn)入凝結水精處理系統進(jìn)行處理。國內多臺機組使用該方法后，內冷水pH、電導率和含銅量均能達到國家標準。由于該方法使用凝結水作為補水，因此存在凝結水泄漏使內冷水水質(zhì)惡化的隱患，將溢出水回收至凝結水精處理系統，銅腐蝕產(chǎn)物可能會(huì )污染鍋爐給水系統。
(3)EDI加堿堿化法。由于雙水內冷機組的密閉性不好，漏入的空氣量非常大，內冷水甚至是空氣的過(guò)飽和溶液，通過(guò)小混床加堿堿化法處理，小混床的運行周期很短，樹(shù)脂將很快失效，為此裴峰等提出了一種電除鹽技術(shù)(EDI)加堿的內冷水處理方法。南京實(shí)驗室純水設備運行時(shí)，加入0.2% NaOH溶液維持內冷水的pH在7.60~7.80，當系統電導率升高到設定值后，啟動(dòng)EDI，運行一定時(shí)間待電導率降到某一值后，停運EDI，當電導率再次升高到上限值時(shí)，重新啟動(dòng)EDI，如此循環(huán)。與混床相比，EDI的運行周期幾乎是無(wú)限的，其只消耗電能，不需要酸或堿對樹(shù)脂進(jìn)行再生，所以無(wú)酸堿廢水排放，更加環(huán)保。EDI還具有調節能力強的特點(diǎn)，可以通過(guò)調節投運時(shí)間來(lái)控制水質(zhì)。
4.2 例子交換微堿化法
這種方法的特點(diǎn)是在混床中加入Na型樹(shù)脂，利用水中陽(yáng)離子與Na型樹(shù)脂的反應將NaOH緩慢釋放出來(lái)，降低了直接加堿存在的pH、電導率易超標的風(fēng)險。
(1)雙臺小混床法。此系統包括1臺RH/ROH型混床和1臺RNa/ROH型混床，前者作為凈化單元，后者作為pH調節單元。運行時(shí)通過(guò)調節兩臺混床的出水比例，即可升高pH，降低電導率。某廠(chǎng)200 MW機組使用這種方法改進(jìn)系統后，內冷水的pH保持在7.4~8.0，電導率為0.3~0.8 μS/cm，銅5~10 μg/L，系統腐蝕得到緩解[32]。此種方法具有調節靈活、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在系統復雜、占地多、操作繁瑣等缺點(diǎn)。
(2)Na型小混床法。Na型小混床中填充有一定比例混合的氫型樹(shù)脂(RH)、鈉型樹(shù)脂(RNa)和氫氧型樹(shù)脂(ROH)，運行時(shí)將1%~5%的內冷水進(jìn)行循環(huán)處理，水經(jīng)過(guò)混床時(shí)部分陽(yáng)離子與RNa反應，使NaOH從樹(shù)脂中緩慢釋放，提高內冷水pH并降低電導率。普通的Na型小混床和超凈化處理都屬于這種方法。這種方法可以提高內冷水的pH，同時(shí)保證電導率合格，在多個(gè)機組上使用均取得了較好的效果。對于密閉性差的系統，該方法存在pH升幅不夠、樹(shù)脂的運行周期短的問(wèn)題。
(3)電膜微堿化法。這種系統包括除離子器和堿化器，除離子器是一個(gè)H—OH型混床，陰陽(yáng)離子在這里被除去。在堿化器中，水與鈉型樹(shù)脂在電場(chǎng)作用下反應生成微量的堿性物質(zhì)，通過(guò)調節電場(chǎng)強度實(shí)現內冷水的pH調節。
該方法已經(jīng)在600 MW和1 000 MW機組中使用，內冷水水質(zhì)良好，南京純水設備未出現較大波動(dòng)。這種方法具有自動(dòng)化程度高、調節性強的優(yōu)點(diǎn)，但設備啟動(dòng)和停止檢查及操作步驟較為繁瑣。
5、 氧含量控制法
國外機組的內冷水處理會(huì )控制含氧量在貧氧區(<50 μg/或<20 μg/L)或富氧區(>2 mg/L)，貧氧工況和富氧工況都包括堿性和中性?xún)煞N。
在系統密閉性足夠好的情況下，貧氧中性工況很簡(jiǎn)單，只需要通過(guò)旁路混床維持電導率合格即可，然而保持系統的密閉性卻并不簡(jiǎn)單，需要做到以下幾點(diǎn)：
(1) 對補水進(jìn)行除氧，否則嚴格限制補水量;
(2) 監測所有的空氣潛在入口;
(3) 冷卻水和補水水箱以超壓N2或H2密封，以除去水中的氣體，防止空氣的進(jìn)入;
(4) 停機期間防止接頭處接觸空氣。
貧氧堿性工況下除了要注意密閉性外，為了得到持續低溶氧量，還要保持pH穩定。富氧中性工況需要時(shí)刻保持高含氧量，除此之外，由于CO2的溶入，大的混床流量(>10%)也是必要的，當混床水流量很大時(shí)，系統中CO2的含量可忽略。富氧堿性工況需要滿(mǎn)足上述高氧工況和堿性工況的要求。
值得注意的是，在貧氧工況下，使用還原劑或抗氧化劑會(huì )存在電導率易超標的問(wèn)題，還可能使沉積物壓縮從而增加去除難度，因此不推薦使用。一些使用載有除氧劑的樹(shù)脂或鈀樹(shù)脂加氫除氧的方法也存在清洗周期的問(wèn)題，當設備清洗時(shí)水中的O2會(huì )被Cu迅速消耗，因此需要額外的監督和維護。
國內的電廠(chǎng)很少監測和控制氧含量，近年來(lái)也開(kāi)始進(jìn)行這方面的嘗試。國內某電廠(chǎng)300 MW機組采用富氧堿性工況，內冷水溶解氧為3 000~4 500 μg/L，電導率小于2 μS/cm，pH能夠長(cháng)期維持在8.0~9.0，內冷水含銅平均值約為5 μg/L，運行狀況良好。
目前國內機組的內冷水系統普遍采用堿性處理法，這些方法有效地緩解了銅導線(xiàn)的腐蝕情況，在實(shí)際應用中取得了不錯的效果。南京實(shí)驗室純水設備但對于密閉性不好的系統，由空氣漏入引起的小混床周期短、pH偏低、O2含量難以控制等問(wèn)題仍需要進(jìn)一步解決。在以后的內冷水處理中，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改善：
(1) 對氧含量進(jìn)行監測和控制，改善系統的密閉性，比如水箱液面上方用氮氣或氫氣密封以除去氧氣，防止系統在中氧(100~500 μg/L)工況下運行；
(2) 在系統中增加CO2吸收和脫除設備，比如內冷水箱加裝CO2吸收器，減少CO2的影響；
(3) 機組停機檢修時(shí)應盡量使內冷水系統正常運行或對導線(xiàn)進(jìn)行充氮保護，降低導線(xiàn)內部與潮濕空氣接觸的時(shí)間，以免造成停備腐蝕。
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