小型核電廠凝結(jié)水精處理系統(tǒng)研究

高雁 王博麒

中國核電工程有限公司河北分公司 石家莊 050000

小型核電廠凝結(jié)水精處理系統(tǒng)研究

高雁 王博麒

中國核電工程有限公司河北分公司 石家莊 050000

本文闡述了小型核電站凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的系統(tǒng)特點(diǎn)，雜質(zhì)來源以及對系統(tǒng)的選擇。

小型核電廠；凝結(jié)水精處理系統(tǒng)； 二回路水質(zhì)

前言

目前在全球保護(hù)環(huán)境能源緊張的大形勢下，多用途的小型核電廠以成本低廉，選址靈活，模塊化建造，操作簡易，應(yīng)用廣泛等一系列優(yōu)點(diǎn)得到關(guān)注。水的化學(xué)作用雖然在二回路系統(tǒng)中表現(xiàn)較緩慢和不明顯，但日積月累很容易發(fā)生流體加速腐蝕（FAC）而造成難以處理的事故甚至危及反應(yīng)堆安全。小型核電廠的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)與大型核電廠，高參數(shù)火力發(fā)電廠既有共同點(diǎn)又存在自己的特點(diǎn)，因此研究凝結(jié)水精處理系統(tǒng)在小型核電廠中的具體應(yīng)用具有十分重要的意義。

1.系統(tǒng)特點(diǎn)

1.1 與高參數(shù)火力發(fā)電廠比較，小型核電廠凝結(jié)水精處理系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

（1）水質(zhì)要求嚴(yán)格、安全系數(shù)高、穩(wěn)定性要求高：

《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》（GB_T_12145-2008）AVT處理方式下鍋爐給水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：

小型核電廠蒸汽發(fā)生器要求水質(zhì)指標(biāo)采用《化學(xué)與放射化學(xué)技術(shù)規(guī)范》：

通過以上水質(zhì)比較可見，小型核電廠二回路水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求比超臨界火力發(fā)電機(jī)組較高，且根據(jù)蒸汽發(fā)生器，鍋爐所選用材質(zhì)不同，水中離子控制側(cè)重點(diǎn)也不同。核電廠蒸汽發(fā)生器蒸發(fā)器與火力發(fā)電廠鍋爐所選材質(zhì)不同，需兼顧一二回路水質(zhì)，目前多采用鐵鎳!合金，鉻鎳鉻合金對,Na-,CL-等微量離子敏感，因此核電廠對這些離子含量控制要求較嚴(yán)格，二回路水化學(xué)管理模式也與火力發(fā)電廠存在較大差異。

（2）凝結(jié)水處理水量大

小型核電廠產(chǎn)生蒸汽為飽和濕蒸汽，高參數(shù)火力發(fā)電廠產(chǎn)生蒸汽為過熱蒸汽，等量的蒸汽條件下，小型核電廠所產(chǎn)生凝結(jié)水量較火力發(fā)電廠所產(chǎn)生凝結(jié)水量大約一倍左右。凝結(jié)水處理量較大。

（3）進(jìn)水PH值高

小型核電廠為了減少腐蝕及嚴(yán)格控制水中離子含量，采用AVT(全揮發(fā)水處理)處理技術(shù)，水中加入氨，聯(lián)氨堿性物質(zhì)，PH值控制在9.3～9.6，凝結(jié)水精處理系統(tǒng)進(jìn)水PH值較高，增加了凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

1.2 與大型核電廠比較，小型核電廠凝結(jié)水精處理系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

（1）大型核電廠無城市供熱等功能，凝結(jié)水精處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度約為60℃。而小型核電廠應(yīng)用較廣泛，當(dāng)機(jī)組提供城市供熱蒸汽時，熱網(wǎng)首站的疏水循環(huán)利用回至凝汽器熱井中產(chǎn)生高溫凝結(jié)水，凝結(jié)水精處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度較高。目前凝結(jié)水精處理系統(tǒng)常用陰樹脂的降解溫度為60℃，陽樹脂的降解溫度為130℃，但超過60℃陰樹脂降解釋放出大量SO4

2-，膠板等嚴(yán)重影響出水水質(zhì)，因此小型核電廠當(dāng)為高溫凝結(jié)水時，系統(tǒng)需采用新型的耐高溫樹脂以滿足系統(tǒng)溫度的要求。

（2）大型核電廠通常建在沿海地區(qū)，冷卻介質(zhì)采用海水冷卻。而小型核電廠選址較靈活，可選擇在沿海，半內(nèi)陸，以及內(nèi)陸等地區(qū)。凝結(jié)水的冷卻方式也不同，當(dāng)冷卻水采用不同介質(zhì)時，對凝汽器泄漏所產(chǎn)生的二回路水質(zhì)影響也不同。因此需根據(jù)不同的廠址條件和冷卻系統(tǒng)選擇出更加適合的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)。

（3）小型核電廠占地較少，結(jié)構(gòu)緊湊，廠房可聯(lián)合布置，考慮凝結(jié)水精處理系統(tǒng)中樹脂量較少，再生時間較短，且一二回路有完善的緊急報(bào)警關(guān)閉系統(tǒng)可避免發(fā)生相互污染，凝結(jié)水精處理再生等輔助系統(tǒng)可考慮共用。而大型核電站每套機(jī)組廠房獨(dú)立，樹脂處理量大，再生時間長，每套凝結(jié)水精處理系統(tǒng)通常采用獨(dú)立的再生等輔助系統(tǒng)。

2.雜質(zhì)來源

凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的雜質(zhì)來源主要來自于自補(bǔ)水汽機(jī)和疏水系統(tǒng)來的腐蝕產(chǎn)物和雜質(zhì)，真空系統(tǒng)泄露帶入氧氣和雜質(zhì)，凝汽器泄露以及檢修引入的雜質(zhì)等。

2.1 凝汽器等設(shè)備泄露入的雜質(zhì)

凝汽器的泄露對二回路水質(zhì)存在非常大的影響，當(dāng)采用海水冷卻時，海水中的泥沙和氯化鈉，氯化鎂等各種鹽分及雜質(zhì)進(jìn)入二回路及蒸發(fā)器中，水質(zhì)惡化急劇，時間短，與正常運(yùn)行期間水質(zhì)存在明顯區(qū)別。當(dāng)采用除鹽水冷卻時，因除鹽水水質(zhì)較好，水質(zhì)影響小，但也會有少量離子及雜質(zhì)泄露進(jìn)入二回路系統(tǒng)。

2.2 真空系統(tǒng)的泄露引入雜質(zhì)

真空系統(tǒng)的泄露，會導(dǎo)致凝結(jié)水溶解氧升高,加快腐蝕設(shè)備及管道。

2.3 二回路加藥系統(tǒng)引入雜質(zhì)

在購買的二回路添加化學(xué)藥品中，常會檢測出氯，鈉，硫酸根等離子，這些含量的雜質(zhì)離子雖然不是二回路水質(zhì)問題的主要原因，但也有貢獻(xiàn)，在采購和運(yùn)輸化學(xué)藥品時，需盡可能降低化學(xué)藥品的雜質(zhì)含量。

2.4 再生劑引入雜質(zhì)

凝結(jié)水精處理系統(tǒng)是二回路的主要凈化系統(tǒng)，是保證給水品質(zhì)的重要屏障。但是由于凝結(jié)水精處理系統(tǒng)樹脂樹脂在再生過程中交叉污染等原因，影響系統(tǒng)的出水品質(zhì)，嚴(yán)重情況下，凝結(jié)水精處理系統(tǒng)不但沒有起到凈化作用，反而成為影響出水水質(zhì)的污染源。

2.5 補(bǔ)水系統(tǒng)引入雜質(zhì)

由于二回路運(yùn)行汽水損失，需要進(jìn)行對二回路系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水。補(bǔ)水一般采用二級除鹽水，水質(zhì)本身較好，對二回路水質(zhì)影響較小，但需要特別注意除鹽水在輸送過程中的污染因素影響除鹽水補(bǔ)水品質(zhì)。

2.6 汽機(jī)疏水系統(tǒng)的腐蝕產(chǎn)物和雜質(zhì)

在機(jī)組啟動階段，來自高壓加熱器，汽水分離再熱器的疏水都進(jìn)入凝汽器本體，在熱井中積累，在運(yùn)行期間逐步轉(zhuǎn)移到精處理系統(tǒng)或蒸汽發(fā)生期內(nèi)，會引起蒸汽發(fā)生器的泥渣量增加。

2.7 檢修引入雜質(zhì)

二回路水汽系統(tǒng)在設(shè)備檢修時，由于更換的備件含有雜質(zhì)，檢修后設(shè)備沒有充分清洗，采用的清洗劑，密封劑等滲入系統(tǒng)等都會引入雜質(zhì)。但這些雜質(zhì)引入表現(xiàn)出的水質(zhì)變化具有短暫性的特點(diǎn)，人為性較強(qiáng)，不是影響水質(zhì)的主要原因。

3.系統(tǒng)選擇

通過以上對小型核電廠凝結(jié)水精處理系統(tǒng)特點(diǎn)以及凝結(jié)水雜質(zhì)來源的分析，以廠址為內(nèi)陸地區(qū)冷卻水采用二級除鹽水，2×100MW規(guī)模，熱電聯(lián)產(chǎn)，凝汽器采用表面式凝汽器的某小型核電廠發(fā)電機(jī)組為例，對凝結(jié)水精處理系統(tǒng)選擇分析如下：

3.1 基本數(shù)據(jù)

(1)夏季工況凝結(jié)水系統(tǒng)進(jìn)水參數(shù)

設(shè)計(jì)流量：410t；設(shè)計(jì)壓力：0.75MPa；設(shè)計(jì)溫度：69.2℃。

(2)冬季最大抽汽工況凝結(jié)水系統(tǒng)進(jìn)水參數(shù)：

設(shè)計(jì)流量：388t；設(shè)計(jì)壓力：0.75MPa；設(shè)計(jì)溫度：68.5℃

3.2 方案選擇

根據(jù)凝結(jié)水溫度較高及二回路水為堿性工況下運(yùn)行的特點(diǎn)，系統(tǒng)擬考慮以下兩種方案：

方案一：凝結(jié)水泵 - 陽床 - 混床- 樹脂捕捉器 - 增壓泵 - 凝結(jié)水系統(tǒng)（樹脂采用耐高溫樹脂）

方案二：凝結(jié)水泵 - 陽床－粉末樹脂覆蓋過濾器 - 樹脂捕捉器 - 增壓泵 - 凝結(jié)水系統(tǒng)

方案一優(yōu)點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)穩(wěn)定，去除離子能力強(qiáng)。首先凝結(jié)水進(jìn)入陽床可去除掉水中大部分陽離子，陽床出水進(jìn)入混床進(jìn)一步去除水中陰陽離子。處理后的離子可去除達(dá)99%以上，滿足蒸汽發(fā)生器進(jìn)水水質(zhì)的高品質(zhì)要求。

（2）在混床前設(shè)置陽床，混床處理的是酸性水，增加了去除陰離子的能力，陰樹脂的工作交換容量及混床運(yùn)行周期大大提高。如果單獨(dú)選擇混床運(yùn)行，則系統(tǒng)混床運(yùn)行時間僅為20小時。如果選擇陽床+混床運(yùn)行，則陽床運(yùn)行時間為95h，混床運(yùn)行時間為920h。

（3）進(jìn)入混床的鐵含量大為減少，80%的鐵被陽床除去，由于陰樹脂比例增加以及鐵污染減小，混床出水的SO4

2-，CL-就比較低，離子去除較徹底。

（4）混床再生次數(shù)少，陰陽樹脂的破損相對減少，減少了價格較貴的樹脂補(bǔ)充量，節(jié)約了運(yùn)行成本。

（5）目前國內(nèi)核電站均采用此系統(tǒng)，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富。秦山二期2×642MW工程，嶺澳2×985MW核電廠工程，田灣2×1060MW工程等運(yùn)行的較成熟的大型核電廠均采用此系統(tǒng)，其中秦山二期2×642MW工程采用的國產(chǎn)化設(shè)備運(yùn)行最為良好，在運(yùn)行維護(hù)方面有充分的經(jīng)驗(yàn)，水質(zhì)能夠得到保障。

方案一缺點(diǎn)：

（1）采用普通樹脂，耐高溫能力差，需采用新型耐高溫陰樹脂，防止陰樹脂降解，影響出水水質(zhì)。因此開發(fā)及使用成本較高

（2）一次性投資成本高，系統(tǒng)較復(fù)雜，占地面積較大。

（3）系統(tǒng)中由于樹脂和再生劑問題容易引起系統(tǒng)SO42-，CL-離子含量超標(biāo)，使精處理系統(tǒng)反而形成污染。

方案二優(yōu)點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)耐高溫，設(shè)計(jì)溫度可達(dá)85度，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

（2）投資成本低，不需要酸堿再生系統(tǒng)，減少酸霧腐蝕，系統(tǒng)簡單，占地面積較小。

（3）粉末樹脂可針對不同階段附上不同樹脂粉末，在機(jī)組啟動初期含鐵量較高，鋪設(shè)纖維粉除鐵，大大縮短機(jī)組啟動時間。在正常運(yùn)行時鋪上樹脂粉除鹽，失效后即拋棄，且均為一次性使用，不需再生，減少樹脂污染。

方案二缺點(diǎn)：

(1)粉末樹脂覆蓋過濾器在國內(nèi)凝結(jié)水溫度較高的火電廠中較常用，設(shè)備實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)僅起到過濾作用，對于去除離子能力較弱，造成混床再生周期頻繁負(fù)擔(dān)增大，運(yùn)行成本提升，運(yùn)行不理想。

(2)國內(nèi)核電廠無此系統(tǒng)的運(yùn)行先例，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)缺乏。

(3)國外核電廠有采用此系統(tǒng)，但當(dāng)溫度超過陰離子的運(yùn)行溫度時，混床不啟用，僅啟用粉末樹脂過濾器過濾凝結(jié)水。因此對設(shè)備制造要求，運(yùn)行要求，進(jìn)水水質(zhì)要求高，目前在國內(nèi)達(dá)不到此要求。

綜合以上兩方案的優(yōu)缺點(diǎn)，通過對凝結(jié)水進(jìn)水溫度，系統(tǒng)出水水質(zhì)，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等一系列問題的比較，認(rèn)為采用方案一符合本工程。

4.結(jié)語

作為我國這樣一個能源緊張，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的能源消耗大國，中小核電發(fā)展勢必成為未來能源發(fā)展的一種趨勢。根據(jù)小型核電廠的特點(diǎn)，優(yōu)化系統(tǒng)，研究出適合小型核電的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)，對小型核電廠安全穩(wěn)定發(fā)展意義深遠(yuǎn)。

[1]王為民.核能發(fā)電與核電廠水電熱聯(lián)產(chǎn)技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社 ，2008

[2]陳志和.電廠化學(xué)設(shè)備及系統(tǒng).北京:中國電力出版社 ，2006

[3]鄒焦.小型核電站發(fā)展研究.武漢工程大學(xué).信息通信，2011.2

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.005

高雁：大學(xué)本科，工程師，研究方向：核電廠，火力發(fā)電廠化學(xué)水處理。

王博麒：大學(xué)本科，助理工程師，研究方向：核電廠，火力發(fā)電廠化學(xué)水處理。