沈建永——凝結(jié)水精處理系統(tǒng)在核電站中的應(yīng)用

1、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)在核電站中的應(yīng)用沈建永中國(guó)華電工程（集團(tuán)）有限公司摘要：本文介紹了在核電站二回路設(shè)置凝結(jié)水精處理的必要性，并對(duì)設(shè)置提出了一些自己的觀點(diǎn)。關(guān)鍵詞：壓水堆核電站；凝結(jié)水精處理系統(tǒng)；再生系統(tǒng)一、 背景近年來(lái)中國(guó)核電事業(yè)呈現(xiàn)良好發(fā)展態(tài)勢(shì)，截至目前，國(guó)務(wù)院已核準(zhǔn)34臺(tái)核電機(jī)組，裝機(jī)容量3692萬(wàn)千瓦，其中已開(kāi)工在建機(jī)組達(dá)25臺(tái)，2773萬(wàn)千瓦，是全球核電在建規(guī)模最大的國(guó)家。嶺澳核電站二期工程一號(hào)機(jī)組順利投產(chǎn)，秦山二期擴(kuò)建工程三號(hào)機(jī)組一次并網(wǎng)成功，結(jié)束了連續(xù)幾年核電裝機(jī)徘徊不前的局面，標(biāo)志著我國(guó)核電正逐步進(jìn)入收獲季節(jié)。本文結(jié)合凝結(jié)水精處理系統(tǒng)在嶺澳核電站二期工程一號(hào)機(jī)組順利投產(chǎn)中發(fā)揮的作用

2、，闡述凝結(jié)水精處理系統(tǒng)在核電站的設(shè)置及注意問(wèn)題。二、 二回路設(shè)置凝結(jié)水精處理的必要性1. 核電機(jī)組二回路對(duì)水質(zhì)的要求1.1 核電機(jī)組二回路與火電機(jī)組對(duì)水質(zhì)要求的差異n 火電機(jī)組對(duì)給水質(zhì)量的要求主要考慮因素是水汽品質(zhì)對(duì)汽輪機(jī)設(shè)備、鍋爐、管道等的影響。n 核電機(jī)組對(duì)給水質(zhì)量的要求除考慮對(duì)汽輪機(jī)設(shè)備、管道的影響外，更主要考慮的是對(duì)蒸汽發(fā)生器的影響，由于蒸汽發(fā)生器材料的特性殊，相比火電機(jī)組對(duì)給水質(zhì)量的要求更高。我國(guó)某1000MW壓水堆核電站二回路水汽質(zhì)量采用的化學(xué)與放射化學(xué)技術(shù)規(guī)范與火力發(fā)電機(jī)組水汽質(zhì)量采用的火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量（GB/T121451999）的標(biāo)準(zhǔn)相比，壓水堆核電站二回路

3、蒸發(fā)器排污水的質(zhì)量要求是：Na+<3g/kg、Cl-<2g/kg、SO42-<2g/kg，而火力發(fā)電機(jī)組爐水的質(zhì)量要求是：Cl-<500g/kg，對(duì)Na+和SO42-沒(méi)有具體要求；壓水堆核電站二回路凝結(jié)水處理混床出水質(zhì)量要求是：25氫電導(dǎo)率<0.08s/cm、Na+<0.1g/kg、Cl-<0.1g/kg、SO42-<0.2g/kg，火力發(fā)電機(jī)組凝結(jié)水處理混床出水質(zhì)量要求是：25氫電導(dǎo)率0.15s/cm、Na+<5g/kg，對(duì)Cl-和、SO42-沒(méi)有具體要求?？梢?jiàn)，壓水堆核電站二回路水汽質(zhì)量比火力發(fā)電機(jī)組要求高得多，尤其是在火力發(fā)電機(jī)組基本

4、不作要求的Cl-、SO42-等離子，在壓水堆核電站二回路水汽系統(tǒng)中都要求也極為嚴(yán)格。1.2 核電站蒸汽發(fā)生器熱交換管材料的選用早期熱交換管材料選用奧氏體不銹鋼，例如304不銹鋼。由于抗應(yīng)力腐蝕能力較差，歐美國(guó)家開(kāi)發(fā)出鎳基合金鋼作為熱交換管的材料。最早的鎳基材料是Inconel-600，后來(lái)發(fā)現(xiàn)Inconel-600材料抗應(yīng)力腐蝕的能力仍不理想，因此又開(kāi)發(fā)出Inconel-800 和Inconel-690 材料。目前西歐、日本和美國(guó)的核電站都使用鎳基合金作熱交換管材料，一部分老核電站仍然使用Inconel-600，新核電站已使用Inconel-800和Inconel-690。所以，除了強(qiáng)度和韌性

5、考慮外，熱交換管選材有2個(gè)原則：（1）抗應(yīng)力腐蝕；（2）抗材料流失，防止一回路活化產(chǎn)物過(guò)多。而蒸汽發(fā)生器一旦發(fā)生泄漏等故障，由于有放射性問(wèn)題，無(wú)法更換管子，只能堵管，維修的條件非常困難，損壞嚴(yán)重則需更換蒸發(fā)器，耗資巨大。所以，對(duì)蒸汽發(fā)生器排污水的水質(zhì)要求很高，要盡可能的降低雜質(zhì)的濃度。1.3 壓水堆核電站二回路對(duì)水質(zhì)要求的特殊性核電站蒸汽發(fā)生器對(duì)給水質(zhì)量的要求很高，主要是由蒸汽發(fā)生器所決定的。蒸汽發(fā)生器的管材要兼顧核電站一回路冷卻液和二回路除鹽水的使用條件，因此，只能采用價(jià)格昂貴的合金材料，如鎳基合金Inconel-600、Inconel-800或Inconel-690等材料。但是，這種鎳基合

6、金對(duì)除鹽水中的SO42-、Na+ 、Cl等微量離子很敏感，尤其在蒸汽發(fā)生器中濃縮的情況下，會(huì)引起鎳基合金管材的晶間應(yīng)力腐蝕和管端與管板縫隙處的凹陷損壞。1.4 腐蝕產(chǎn)物在蒸汽發(fā)生器的遷移和沉淀分布長(zhǎng)期以來(lái)蒸汽發(fā)生器傳熱管的腐蝕問(wèn)題受到很高的重視，主要原因就是核電站發(fā)生的事故之中大部分是由于蒸汽發(fā)生器傳熱管的原因?qū)е碌摹?.5 水質(zhì)控制主要原則盡量降低與水汽接觸設(shè)備或材料的腐蝕速度，該腐蝕速度必須能夠保證設(shè)備材料在設(shè)計(jì)允許的時(shí)期（40年）正常服役；在條件允許的情況下還可以通過(guò)水質(zhì)控制達(dá)到延長(zhǎng)設(shè)備服役期限（60年）的效果。除采用調(diào)節(jié)一些化學(xué)參數(shù)，如給水和蒸汽系統(tǒng)采用適當(dāng)?shù)腜H調(diào)節(jié)劑；在給水系統(tǒng)中添

7、加聯(lián)氨進(jìn)行除氧，而到達(dá)防止或者抑制腐蝕的目的外，可以連續(xù)排污，必要時(shí)加大排污量，但應(yīng)盡量防止雜質(zhì)進(jìn)入蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)。為了保證核電站蒸汽發(fā)生器的給水質(zhì)量，除了保證補(bǔ)給水水質(zhì)，加強(qiáng)蒸汽發(fā)生器的排污外，還要設(shè)置凝結(jié)水凈化裝置，以去除凝結(jié)水中的懸浮性雜質(zhì)和溶解性的鹽類。目前核電站蒸汽發(fā)生器的排污率一般控制在12%左右，在一些運(yùn)行良好且設(shè)置凝結(jié)水凈化系統(tǒng)的核電站，能控制在0.5%以下。2. 壓水堆核電站二回路凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的主要功能凝結(jié)水精處理系統(tǒng)隸屬于核電站常規(guī)島系統(tǒng)，直接接入核電站二回路，是核電站二回路的重要組成部分，該系統(tǒng)承擔(dān)的功能包括：l 去除凝結(jié)水中的懸浮雜質(zhì)和離子性雜質(zhì)、保證二回路水質(zhì)達(dá)到

8、要求及WANO化學(xué)指標(biāo)要求；l 在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)投入凝結(jié)水精處理系統(tǒng)減少系統(tǒng)沖洗時(shí)間，使機(jī)組盡快投入運(yùn)行，節(jié)約除鹽水用量；l 在凝汽器發(fā)生一定范圍的海水泄漏時(shí)，阻止海水中的雜質(zhì)進(jìn)入常規(guī)島的熱力系統(tǒng)，并給運(yùn)行人員有較充裕的時(shí)間采取相應(yīng)的措施。因此，優(yōu)良的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)對(duì)提高熱力系統(tǒng)水汽品質(zhì)、延長(zhǎng)機(jī)組運(yùn)行壽命和保證熱力設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。 三、 目前國(guó)內(nèi)已建、在建核電站凝結(jié)水精處理設(shè)置及運(yùn)行情況1.各核電站凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的設(shè)置1.1 秦山一期核電站秦山一期核電站二回路凝結(jié)水精處理系統(tǒng)為低壓無(wú)前置過(guò)濾的混床系統(tǒng)，一套體外再生系統(tǒng)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)，體外再生系統(tǒng)由一個(gè)樹(shù)脂分離兼陽(yáng)樹(shù)脂再生塔，

9、一個(gè)陰樹(shù)脂再生塔和一個(gè)樹(shù)脂貯存塔組成。1.2 秦山二期核電站秦山二期核電站二回路凝結(jié)水精處理系統(tǒng)設(shè)置前置陽(yáng)床和混床系統(tǒng)，一套體外再生系統(tǒng)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)，體外再生系統(tǒng)采用無(wú)錫鍋爐廠引進(jìn)的高塔分離再生工藝。1.3 秦山三期核電站秦山三期核電站二回路精處理系統(tǒng)從加拿大公司成套引進(jìn)，設(shè)置前置陽(yáng)床和混床系統(tǒng)，采用中抽法分離再生工藝。1.4 大亞灣核電站1.4.1由于各種原因，兩臺(tái)核電機(jī)組在建設(shè)期均未設(shè)置凝水精處理裝置，給機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)十分嚴(yán)重的影響。a.在機(jī)組安裝結(jié)束，初次啟動(dòng)期間，花了大量的時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)沖洗，如1號(hào)機(jī)在初次啟動(dòng)時(shí)，光沖洗系統(tǒng)至水質(zhì)合格就花了近一個(gè)月時(shí)間，而每臺(tái)機(jī)組每少發(fā)一天電

10、，就少一百萬(wàn)美元的收入。b.由于凝汽器的泄漏，給機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)了很大的威脅。以1號(hào)機(jī)為例，該機(jī)組自1993年8月至1994年4月不到一年的時(shí)間內(nèi)，凝汽器就發(fā)生了5次泄漏，其中3次使機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)，兩次降負(fù)荷運(yùn)行。3次停運(yùn)時(shí)間共達(dá)39天，其中用于系統(tǒng)沖洗時(shí)間為18天，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)人民幣三億多元。c.今后每次機(jī)組大小修后，若沒(méi)有凝結(jié)水精處理裝置，仍將耗費(fèi)大量時(shí)間用于系統(tǒng)沖洗。d.根據(jù)法國(guó)EDF的規(guī)定，為保證蒸汽發(fā)生器的安全運(yùn)行，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)含Na量應(yīng)小于5g/L。根據(jù)法國(guó)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，其水質(zhì)應(yīng)經(jīng)?？刂芅a低于lg/1的水平。眾所周知，核電站二次回路的水質(zhì)較大容量高參數(shù)火電廠更為嚴(yán)格，因此

11、不設(shè)凝水精處理設(shè)備是無(wú)法保證核電站安全運(yùn)行的。因此，大亞灣核電站在后來(lái)補(bǔ)充設(shè)置了凝結(jié)水精處理系統(tǒng)。1.4.2凝結(jié)水精處理系統(tǒng)從英國(guó)Kennicott公司成套引進(jìn)，設(shè)置前置陽(yáng)床和混床系統(tǒng)，一套體外再生系統(tǒng)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)，體外再生系統(tǒng)采用錐體分離再生工藝。1.5 嶺澳一期核電站嶺澳一期核電站為大亞灣核電站的翻版, 二回路凝結(jié)水精處理系統(tǒng)設(shè)置完全一致, 運(yùn)行狀況也一樣。1.6 田灣一期核電站田灣一期核電站二回路凝結(jié)水精處理系統(tǒng)是由俄羅斯公司成套供貨, 采用前置陽(yáng)床加混床的布置方式，再生采用體外再生中抽法工藝。 1.7 嶺澳二期核電站嶺澳二期核電站凝結(jié)水精處理系統(tǒng)為前置陽(yáng)床和混床系統(tǒng)，一套體外再生系

12、統(tǒng)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)，采用先進(jìn)的高塔分離再生工藝，由中國(guó)華電工程（集團(tuán)）有限公司完全自主設(shè)計(jì)和成套供貨。2. 系統(tǒng)運(yùn)行情況在上述核電站凝結(jié)水精處理系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，運(yùn)行情況最好的是嶺澳二期核電站的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)，秦山二期核電站的系統(tǒng)次之，其它核電站的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)在調(diào)試期間就出現(xiàn)了較多問(wèn)題，一些核電站的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)經(jīng)過(guò)較大改進(jìn)后有所改觀，有些核電站的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)離設(shè)計(jì)要求還存在較大差距。2.1秦山一期核電站秦山一期核電站對(duì)二回路系統(tǒng)水化學(xué)進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)，其中就包括凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行的改進(jìn)，運(yùn)行效果才得到較大改觀。2.2大亞灣核電站精處理系統(tǒng)自投運(yùn)以來(lái)，只能采用有選擇的間斷運(yùn)行

13、方式，主要是系統(tǒng)一投入運(yùn)行就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)硫酸根嚴(yán)重超標(biāo)，從而使精處理基本處于待運(yùn)狀態(tài)。主要原因是陽(yáng)床和混床設(shè)備結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重缺陷，雖經(jīng)過(guò)更換樹(shù)脂、改進(jìn)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)等重大改進(jìn)，但效果不明顯，所以系統(tǒng)只是在機(jī)組啟動(dòng)階段投入使用，沒(méi)有發(fā)揮系統(tǒng)應(yīng)有的作用。2.3田灣一期核電站調(diào)試期間, 系統(tǒng)出水電導(dǎo)和SiO2在合格范圍內(nèi), 但在精處理投運(yùn)后, 發(fā)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器排污水中氯離子總超標(biāo)。核電站運(yùn)行人員對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了認(rèn)真分析，并提出具體整改措施, 包括調(diào)整凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的運(yùn)行方式由100%全流量處理改為部分旁路運(yùn)行，使精處理系統(tǒng)能穩(wěn)定有效運(yùn)行。2.4嶺澳二期核電站在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，承包商會(huì)同一些單位對(duì)現(xiàn)有凝結(jié)水

14、精處理系統(tǒng)進(jìn)行了充分的調(diào)研，特別是針對(duì)大亞灣、嶺澳一期系統(tǒng)存在的問(wèn)題，對(duì)嶺澳二期凝結(jié)水精處理系統(tǒng)進(jìn)行了有針對(duì)性的重大技術(shù)改進(jìn)，并且實(shí)現(xiàn)了設(shè)備完全國(guó)產(chǎn)化。2.4.1 混床樹(shù)脂的混和混床設(shè)計(jì)了二次混脂功能，以消除樹(shù)脂二次分離，確保制水品質(zhì)。2.4.2 混床樹(shù)脂的分離混床樹(shù)脂再生采用分離效果更好的“Finesep”高塔分離工藝，提高了樹(shù)脂的分離率。2.4.3 對(duì)陽(yáng)床和混床內(nèi)樹(shù)脂擾動(dòng)的解決前置陽(yáng)床和混床采用DN3200mm的柱狀設(shè)備，設(shè)備上部進(jìn)水裝置的設(shè)計(jì)采用固定整體式平板加水帽的布水方式，保證布水均勻，消除了樹(shù)脂擾動(dòng)。2.4.4 其它改進(jìn)工作為了改善前置陽(yáng)床和混床投運(yùn)導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器硫酸根超標(biāo)問(wèn)題，還

15、對(duì)再生裝置和樹(shù)脂捕捉器進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)一步減少了碎樹(shù)脂進(jìn)入熱力系統(tǒng)的可能性。通過(guò)以上改進(jìn)，提高了混床失效樹(shù)脂的分離率、增加了混床運(yùn)行樹(shù)脂的混和效果、解決了樹(shù)脂的擾動(dòng)、減少了碎樹(shù)脂進(jìn)入熱力系統(tǒng)的可能性，確保了系統(tǒng)出水水質(zhì)，為最終蒸汽發(fā)生器的水質(zhì)指標(biāo)合格提供了強(qiáng)有力的保障。四、 對(duì)凝結(jié)水精處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型的一些思考1. 系統(tǒng)方案的選擇目前國(guó)內(nèi)除秦山一期核電站凝結(jié)水精處理系統(tǒng)采用無(wú)前置過(guò)濾的混床系統(tǒng)外，其它核電站均采用前置陽(yáng)床加混床系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，至于是否有更合適的設(shè)置方式，需要在對(duì)現(xiàn)有設(shè)置方式進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上加以研究。再生方式普遍采用的是體外再生，典型的方式有高塔分離再生工藝、錐體再生工藝、中

16、抽法再生工藝，從實(shí)際運(yùn)行的再生效果來(lái)看高塔分離再生工藝相比其它工藝效果更好，這也是目前在建核電站凝結(jié)水精處理系統(tǒng)基本采用高塔分離再生工藝的主要原因。從核電站新機(jī)組啟動(dòng)或大修后機(jī)組啟動(dòng)情況來(lái)看，啟動(dòng)初期二回路的水質(zhì)普遍較差，而為進(jìn)一步縮短機(jī)組投運(yùn)時(shí)間，往往在水質(zhì)未達(dá)到系統(tǒng)要求水質(zhì)的工況下，直接投運(yùn)凝結(jié)水精處理系統(tǒng)，增加了前置陽(yáng)床樹(shù)脂“中毒”的機(jī)率。在此情況下，可以在系統(tǒng)中增設(shè)過(guò)濾器，在啟動(dòng)初期，來(lái)水首先通過(guò)過(guò)濾器處理，使水質(zhì)盡快達(dá)標(biāo)，以順利投運(yùn)陽(yáng)床；在系統(tǒng)正常運(yùn)行后，可以通過(guò)切換閥門將過(guò)濾器后置，攔截可能的細(xì)小顆粒，如樹(shù)脂粉末。2. 主要設(shè)備、產(chǎn)品的選擇和使用嶺澳二期凝結(jié)水精處理系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果良好，出水指標(biāo)在系統(tǒng)投運(yùn)初期就達(dá)到了化學(xué)與放射化學(xué)技術(shù)規(guī)范期望值的要求，得益于建設(shè)者能針對(duì)以往系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了多項(xiàng)重大改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)的措施進(jìn)行充分的論證和試驗(yàn)，如前置陽(yáng)床和混床設(shè)備采用柱罐而不采用火電機(jī)組通常使用的球罐，以發(fā)揮柱罐水流流動(dòng)性好、樹(shù)脂利用率高、裝填樹(shù)脂高度高、二次混脂高度能得到有效保證等優(yōu)點(diǎn)；對(duì)柱罐上部進(jìn)水裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了數(shù)模試驗(yàn)，在數(shù)?；A(chǔ)上進(jìn)行1:1設(shè)備的中試試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)