大型發電機內冷卻水水質指標的驗證研究

摘 要：基于發電機或調相機內冷卻水的控制工藝，在實驗室搭建了動態模擬系統，對內冷卻水系統的運行參數指標進行了測試，分貧氧環境和不控制氧含量兩個水環境，結合電位-pH圖討論了水質指標對采信標準的具體要求。結果表明，動態除鹽水系統中，溶氧量是引起銅試片腐蝕的重要因素，必須作為首要因素進行控制；空氣中CO2的溶入會導致水質酸化，大幅增加空芯銅導線的腐蝕風險，標準中應對pH調節加藥處理裝置進行要求。另外，pH值的無限制提高一方面會帶來Cu的堿性腐蝕，另一方面也會威脅發電機運行安全，因此標準中pH值必須設定上限值。

關鍵詞：大型發電機，內冷卻水，驗證試驗，腐蝕

0 引 言

發電機或調相機內冷卻水是運行在高壓電場中的冷卻介質[1]，因此對其品質要求是：傳熱快、不腐蝕、不結垢、絕緣性好[2-5]。為了促使內冷卻水水質達到相應的要求，國際上IEC 60034《旋轉電機》系列國際標準中，通常從電機絕緣角度規范電導率等水質指標，并嚴格區分了貧氧工況和富氧工況下的具體要求；而國內標準，諸如GB/T12145-2016《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》、DL/T 1039-2016《發電機內冷卻水處理導則》、DL/T 801-2010《大型發電機內冷卻水質及系統技術要求》則大都站在化學專業角度，從避免系統腐蝕和結垢的方面對內冷卻水水質參數進行了規定，其具體參數范圍往往比電機專業規定的更為寬泛[4]。顯然，對于運維人員而言，同一類設備運行面臨著兩套不同的參數范圍，這必然會造成內冷卻水系統運行隨意性強、規范性差，難以支持發電機組乃至調相機組的安全穩定運行[1]。

本研究基于現場真實內冷卻水工藝，在實驗室搭建模擬系統，利用試驗對發電機銅線棒在不同純水環境下的理論腐蝕行為進行了驗證，核實純水體系中影響銅腐蝕的具體參數，結合現場電位-pH圖來分析確保各項參數的合理性，同時明確各類影響因素的重要性，以便指導運維人員合理采標，確保內冷卻水系統安全運行。

1 驗證試驗工藝及步驟

1.1 試驗工藝

針對空心銅導線在高純水中的腐蝕行為，有研究方法采用靜態測試，即在實驗室搭建靜態測試平臺，通過觀察銅試片自身變化情況，輔以取樣監測水中銅離子含量來確定銅的腐蝕傾向[6]。然而，內冷卻水系統運行是個動態過程，水流沖刷、水中氧氣和二氧化碳變化均會給水系統腐蝕傾向帶來重大影響，特別是當發電機或調相機出力發生變化時，反映到內冷卻水溫度、壓力、流量也會產生不同程度改變，這進一步影響了金屬的腐蝕過程[1]。

鑒于此，搭建動態腐蝕環境開展相關試驗，相關裝置包括儲水系統、離子交換器、加堿控制裝置、恒溫循環裝置、腐蝕試驗裝置等。通過水泵提供動力，加堿裝置加入NaOH稀溶液來進行堿化處理，動態維持一定的pH水環境。在水泵出口分流部分內冷卻水，經離子交換樹脂和過濾膜處理后，再輸送至水箱，參與下一循環。系統圖如圖1所示。

與此同時，在主循環回路上串聯腐蝕試片監測裝置，安裝標準銅腐蝕試片，經過8h后，觀察銅試片表面狀態，測試主回路水中銅元素的含量。

1.2 試驗步驟

基于上述流程，分貧氧和不控制氧兩種工況開展試驗。為確保腐蝕指示試驗的標準合規范性，所采用的標準腐蝕指示試片銅純度大于99.9%，規格：長75mm×寬12.5mm×厚2.0mm，符合GB/T5096-2017《石油產品銅片腐蝕試驗法》要求。

貧氧環境下銅試片腐蝕行為具體試驗步驟如下。

（1）向儲水箱中注入除鹽水，設置恒溫裝置目標溫度為40℃后，啟動循環泵建立主循環。

（2）打開氮氣瓶，調整循環系統為微正壓，采用HD-RY100便攜式微量溶解氧儀接入監測裝置取樣口，測試循環管路中溶解氧含量，當小于20μg/L后，將腐蝕試片放入腐蝕監測裝置，關閉旁路閥，開始進行銅腐蝕試驗。

（3）試驗過程中采用AMU Powercon-Swan型在線電導率分析儀測試水中電導率，采用MIKPH8.0型在線pH表測試循環管路pH值，利用加堿裝置調整pH值，每隔0.2～0.5調節一次（整體范圍為6.5～9.0），依靠旁路處理系統，對水中多余離子進行清除，并確保此時的電導率≤2.0μS/cm。待穩定后取水樣，采用ContrAA-700 型原子吸收儀測試Cu 元素含量。

（4）測試完所有數據后，利用Origin軟件進行數據分析，并根據趨勢繪制模擬曲線。

完成貧氧環境下的腐蝕測試后，進一步開展不控制氧環境下的腐蝕測試，步驟如下。

（1）對儲水箱全面換水，注入新鮮除鹽水，設置恒溫裝置目標溫度為40℃后，重新啟動循環泵建立主循環。

（2）關閉氮氣注入口，打開水箱蓋子，使系統與大氣環境充分接觸。將新腐蝕試片放入腐蝕監測裝置，關閉旁路閥，開始進行銅腐蝕試驗。

（3）試驗過程中采用AMU Powercon-Swan型在線電導率分析儀測試水中電導率，采用MIKPH8.0型在線pH表測試循環管路pH值，利用加堿裝置調整pH值，每隔0.2～0.5調節一次（整體范圍為6.5～9.0），并確保此時的電導率＜5.0μS/cm。待穩定后取水樣，采用ContrAA-700 型原子吸收儀測試Cu 元素含量。

（4）測試完所有數據后，利用Origin軟件進行數據分析，并根據趨勢繪制模擬曲線。

2 驗證試驗結果及分析

2.1 貧氧環境下銅試片腐蝕行為試驗結果及分析

在貧氧環境下，當內冷卻水的pH值＜9.0時，水系統電導率基本可低于2.0μS/cm。此時水中銅含量與純水pH值的關系圖如圖2所示。

在此環境下，當中性純水體系的氧含量不高時，銅的腐蝕較輕微，pH值只要大于6.5，水中銅含量可以控制在14μg/L以下，并且隨著pH的提升，水中銅含量亦出現了快速下降。當pH提升到8以上后，水中銅含量基本可以維持在很低范圍。

這表明，氧是空芯銅導線在除鹽水中腐蝕的重要引起因素[7]，控制除鹽水中氧在一定含量以下，即可明顯減輕空芯銅導線的腐蝕程度。因此，對于密閉的內冷卻水系統來說，在對具體運行參數進行采標時，應首先將溶氧量作為重要因素進行考慮，同時考察擬采納標準中是否對系統密閉性進行了說明，特別應關注防止系統滲漏、隔絕空氣等手段[8]，將密閉系統中的溶解氧含量降至安全范圍，以期維持系統中銅含量在較低的范圍內。

2.2 不控制溶解氧環境下銅試片腐蝕行為試驗結果及分析

在不控制溶解氧含量的條件下，水中銅含量與純水pH值的關系圖如圖3所示。當pH值在6.5左右時，隨著腐蝕時間的延長，銅試樣表面顏色逐漸加深，4h后試片表面覆蓋著一層紫黑色的氧化膜，并且水中銅含量也較高。這說明，對于非密封結構，內冷卻水運行過程受空氣中CO2溶入的影響，水質易于酸化，pH值會顯著降低，增加空芯銅導線的腐蝕風險[9，10]。

逐步提升pH，當超過8.0，并且通過離子交換罐處理使得水質穩定后，水中銅元素含量有了較大變化，基本降低至貧氧環境下的含量，表明此時銅試片腐蝕受到了一定程度的抑制。

在Cu-H2O體系的平衡計算中，目前將水中Cu離子濃度取10-6.2mol /L作為劃分腐蝕發生與否的界限[7]。根據Cu-H2O體系電位-pH平衡圖（圖4），當電位在0.1～0.38V，水中pH值在6.94以下時，水質呈弱酸性，水中的H+將與Cu的氧化膜反應，因而Cu處于腐蝕區（圖中a區），表面很難形成穩定的保護膜[6]；當電位低于0.1V或pH值高于6.94時，Cu進入了中性或弱堿性環境，CuO的溶解度會降低，Cu表面的初始CuO和Cu2O膜可穩定存在，不會被溶解，即可保護Cu基體不被腐蝕，此為Cu的穩定區。顯然，這也與本實驗結果基本一致。

而當水中pH值達到10.3以上時，電位-pH平衡圖中出現了CuO2-和CuO22-等可溶性化合物，說明體系的pH再提高，Cu又會被腐蝕。但是，對于發電機或調相機內冷卻水系統，當pH值接近于9.0時，水系統電導率將接近或超過發電機限值要求，即介質的絕緣性能將降低至發電機的耐受極限，因此pH值的控制上限不應大于9.0，本次試驗亦未考慮pH值超過9.0的情況。

3 結 論

本研究通過構建內冷卻水模擬試驗系統，對發生在純水體系中的銅元素腐蝕開展了研究，分析了內冷卻水運維過程中應遵循的技術指標，最終得到了如下結論。

（1）動態除鹽水系統中，溶氧量是引起銅試片腐蝕的重要因素，無論在標準制定還是采信過程中，運維人員均應該將溶氧量作為首要因素進行控制；

（2）CO2的溶入會導致水質酸化，增加空芯銅導線的腐蝕風險。所以，當現場不具備溶氧量控制手段時，純水體系的pH值變化會顯著影響水中銅試片的腐蝕，所采信的標準中必須明確設置pH調節加藥處理裝置；

（3）pH值的無限制提高一方面會帶來Cu的堿性腐蝕，另一方面也會威脅發電機運行安全，因此標準中pH值上限亦可定為9.0。

參考文獻

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