VVER機組一回路加氨量化控制方法的研究

胡 海，王 磊，王宇宙

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

VVER機組一回路加氨量化控制方法的研究

胡 海，王 磊，王宇宙

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

通過對一回路凈化和除氣流程的深入研究，針對一回路中各主要物質及產物的相互關系，經過物料衡算，總結出不同工況下一回路連續(xù)加氨的量化控制方法，降低了功率運行時因加氨量不平衡導致的溶氫、總堿金屬（鉀、鈉、鋰的物質的量的總和）等一回路水化學控制指標偏離的風險，優(yōu)化了一回路水化學工況，為今后的工作提供了理論指導。

氨；氫；總堿金屬；物料衡算；量化控制

田灣核電站1、2號機組采用的是俄羅斯VVER-1000機型，一回路中的氫氣是通過氨輻照分解產生的，同時，以KOH作為pH控制劑。這種運行方式需在機組啟動初期對一回路凈化系統(tǒng)進行氨鉀飽和，使樹脂床中的陽樹脂轉換為NH4+-K+型。在功率運行時通過向上充水中加入氨水，維持一回路的氫濃度，并控制樹脂床對堿金屬的排代和吸收，使總堿金屬保持在圖1中A區(qū)，與一回路冷卻劑最佳pH范圍相吻合[1]。

圖1 一回路硼酸-總堿協(xié)調曲線圖Fig.1 Total molar concentration of alkaline metal ions (potassium, sodium and lithium) in the primary coolant depending on current concentration of boric acid

之前在對一回路加氨時，是根據(jù)俄羅斯機組經驗，采取非連續(xù)加氨的方式。這就造成了一回路冷卻劑中氨濃度變化較大，總堿金屬也隨之波動，當機組運行至中后期，隨著硼酸—總堿區(qū)間越來越窄，特別當遇到功率或工況變化時，容易出現(xiàn)偏離。若偏離時間累積過長，可致使機組狀態(tài)回退，直至停機。因此，加氨量的控制對一回路水化學工況極其重要。

根據(jù)1、2號機組的運行經驗，從第四輪燃料循環(huán)開始采用連續(xù)加氨的方式，并對加氨量進行量化控制。

1 一回路凈化和除氣流程簡介[2]

在機組功率運行期間，要對一回路進行凈化和除氣（見圖2），使水質滿足運行要求。

圖2 一回路凈化和除氣流程圖Fig.2 Flow chart of purification and deaeration in the primary coolant

1.1 一回路凈化系統(tǒng)（KBE）

一回路凈化系統(tǒng)由兩個凈化系列KBE10和KBE50并聯(lián)組成。其中，KBE10是由一個陽床（KBE10AT001）和一個陰床（KBE10AT002)串聯(lián)，KBE50是一個混床（KBE50AT001）。主要功能是去除一回路中以陰、陽離子形式存在的溶解物（氯、碘、鉬、釕、鍶、銫等），以及以懸浮狀態(tài)存在的放射性腐蝕產物。一回路冷卻劑經KBE凈化后，大部分與KBA上充水匯合直接返回一回路，小部分去往除氣器除氣。

之前對KBE的運行模式進行了優(yōu)化：KBE10氨鉀飽和后正常投運凈化一回路冷卻劑，KBE50硼酸飽和后不再進行氨鉀飽和，停運備用，在一回路冷卻劑中總堿金屬偏高時，可以啟動KBE50去除冷卻劑中的總堿金屬。

1.2 除氣器（KBA10BB001）

除氣器主要用于去除一回路下泄（①和②）中的放射性裂變氣體、氮氣、氧氣等氣體，副作用則是去除了其中的氫氣。為了補充被去除的氫氣，除氣后需加注氨水，隨上充（④）返回一回路。

1.3 冷卻劑儲存系統(tǒng)中的陽離子交換器（KBB10AT001）

冷卻劑儲存系統(tǒng)中設計有陽離子交換器（KBB10AT001）。當一回路中堿金屬濃度偏高時，可投運KBB10AT001，進入除堿（總堿金屬）工況，除堿后的冷卻劑返回KBA10BB001。

2 一回路中的主要物質及反應

一回路中主要添加物有硼酸、氨、聯(lián)氨、氫氧化鉀（同時帶入微量鈉），這些物質在一回路中發(fā)生反應生成鋰、氫氣、氮氣等。此外，堿金屬離子與銨根離子在樹脂床中動態(tài)交換影響冷卻劑中的氨濃度。這些反應的反應式如下：

根據(jù)以上反應式，整理出一回路物質關系如圖3所示。

圖3 一回路物質關系圖Fig.3 The connection of substances in the primary coolant

從圖3可以看出，氨是一回路中各物質相互聯(lián)系的關鍵，若要控制好一回路的水質，必須對一回路連續(xù)加氨有精確的量化控制。

3 物料衡算

在一回路正常運行條件下，期望一回路各項水化學指標保持平穩(wěn)即各項數(shù)據(jù)不變，物料衡算方程可簡化為：

一回路正常運行時，輸入的物質是氨和少量的聯(lián)氨，消耗的物質主要是除氣器去除的氫氣以及在投運KBB10AT001和KBE50AT001時除去的氨和堿金屬。

4 一回路加氨量的計算

4.1 一回路正常運行工況的加氨量控制

在機組運行前期，無需投床除堿，故只需考慮一回路下泄對物料平衡的影響，即主泵軸封水和KBE10排往KBA10BB001中的下泄，流量分別為0.8 kg/s和x kg/s。通過數(shù)據(jù)可知在不同的燃氫開度下，氫氣均可被完全去除，但對氨基本沒有去除能力。結果見表1和表2。

表1 除氣器在燃氫系統(tǒng)開度5.4%的除氣效果Table 1 The effect of deaeration when the opening degree of hydrogen burner in the deaerator is 5.4%

表2 除氣器在燃氫系統(tǒng)開度7.4%的除氣效果Table 2 The effect of deaeration when the opening degree of hydrogen burner in the deaerator is 7.4%

即加氨量只需考慮被除氣器去除的氫氣量就可維持一回路水質穩(wěn)定。根據(jù)式（2）及式（6），每小時向一回路加入的氨量為：

根據(jù)物料衡算方程：

4.2 一回路除堿工況的加氨量控制

隨著機組運行，KBE10AT001中的鉀離子因連續(xù)加氨不斷被置換出來，以及硼酸被輻照分解持續(xù)生成鋰，總堿金屬逐漸向“硼酸-總堿曲線”A區(qū)上限偏移，如果不控制將出現(xiàn)偏離。若以減少加氨量的方式減少KBE10AT001中鉀離子的釋放，又會導致一回路溶氫不斷下降，也有偏離的風險。因此，需要投運KBB10AT001或KBE50AT001除堿金屬。投運KBB10AT001和KBE50AT001除堿各有利弊：

KBB10AT001除堿的優(yōu)點是陽樹脂裝載量大（2.4 m3），樹脂失效可以隨時更換;缺點是除堿效率受限于進入KBA10BB001中的下瀉流量，效率較低（工作流程見圖2）。

KBE50AT001除堿的優(yōu)點是不受流量限制，可以快速降低一回路總堿金屬;缺點是樹脂裝填量較少（0.9 m3），樹脂失效無法立即更換，只能停機后才能更換新樹脂。

根據(jù)兩床的優(yōu)缺點，選擇在機組運行的中后期投運KBB10AT001除堿，在機組運行末期投運KBE50AT001除堿。

4.3 一回路注水工況的加氨量

根據(jù)運行規(guī)程，在向一回路注水時必須聯(lián)動加聯(lián)胺去除給水中的溶氧，添加量為水中飽和溶氧值（10 mg/L）的2～3倍。實際給水已經進行了除氧處理，溶氧含量較低（約0.1 mg/L），注水時加入的聯(lián)氨絕大多數(shù)在進入一回路后發(fā)生式（3）反應，向一回路貢獻了氨和氫氣。在機組運行前期，注水量少，聯(lián)氨貢獻的氨和氫氣可忽略不計。但是到后期，注水量不斷增大，聯(lián)動加入的聯(lián)胺也同時增大，此階段向一回路加氨時必須考慮聯(lián)胺的貢獻。

一回路冷卻劑總體積為300 m3，為維持機組功率每天硼濃度下降0.022 g/L。根據(jù)無限稀釋公式以及式（2）、式（3），平均每小時由于注水向一回路中引入的聯(lián)胺轉換為氨的當量為：

式中：MNH3——每小時向一回路加入的氨當量，g/h；

CH2——一回路氫濃度，mg/L；

CNH3——一回路氨濃度，mg/L；

C硼——一回路硼酸濃度，g/L。

圖4 加氨量化控制前后一回路氨濃度對比Fig.4 Concentration of ammonia in the primary coolant before and after quantitative control

圖5 加氨量化控制前后一回路氫濃度對比Fig.5 Concentration of hydrogen in the primary coolant before and after quantitative control

5 效果與總結

通過對以上3種工況的深入分析，得到加氨量化控制的理論依據(jù)，在實際工作中將它們組合運用，取得了良好的一回路水質控制效果。

從圖4、圖5可以看出，相比加氨量化控制前的第二輪燃料循環(huán)，實行量化控制后，第六輪燃料循環(huán)的一回路氨和溶氫控制得更加平穩(wěn)，波動幅度更小。同時，實行量化控制后，一回路氨和溶氫濃度相對更高，在功率或工況變化時，操作裕量更大（一回路氨診斷指標：≥3 mg/L，一回路溶氫控制指標：2.2～4.5 mg/L） 。

從圖6、圖7和表3可以看出，相比加氨量化控制前的第二輪燃料循環(huán)，實行量化控制后，第六輪燃料循環(huán)的一回路硼酸-總堿運行曲線更加平穩(wěn)地沿A區(qū)最佳曲線下降，未出現(xiàn)水質偏離的情況。

圖6 加氨量化控制前一回路硼酸—總堿運行曲線Fig.6 Total molar concentration of alkaline metal ions (potassium, sodium and lithium) in the primary coolant to corresponding concentration of boric acid before quantitative control

圖7 加氨量化控制后一回路硼酸—總堿運行曲線Fig.7 Total molar concentration of alkaline metal ions (potassium, sodium and lithium) in the primary coolant to corresponding concentration of boric acid after quantitative control

表3 加氨量化控制前后總堿金屬偏離（A區(qū)）狀況對比Table 3 The deviation of total molar concentration of alkaline metal ions (potassium, sodium and lithium) from zone A in the primary coolant before and after quantitative control

通過對一回路加氨量化控制方法的研究和運用，提高了機組運行時水化學工況的穩(wěn)定性和安全性，對一回路設備腐蝕速率和輻射場的控制產生了積極的作用，為延長機組服役年限創(chuàng)造了良好的條件。同時，這些成果也進一步推動了我們對一回路水化學工況的持續(xù)深入了解，為今后的研究奠定了堅實的基礎。

[1] 王宇宙. 江蘇核電有限公司化學監(jiān)督大綱[R]. 江蘇核電有限公司，2012.(WANG Yu-zhou. Chemistry Surveillance Program of Jiangsu Nuclear Power Co.，Ltd.[R]. Jiangsu Nuclear Power Co.，Ltd，2012.)

[2] 駱純珊. 田灣核電站VVER系統(tǒng)與運行（第三冊）[R].江蘇核電有限公司，2006.(LUO Chun-shan. The Systems and Operation of VVER unit for Tianwan Nuclear Plant (Volume III）[R]. Jiangsu Nuclear Power Co.，Ltd.，2006.)

[3] 王宇宙. 一回路冷卻劑凈化系統(tǒng)的優(yōu)化運行[J]. 中國核電，2009，2（2）:116-125.(WANG Yuzhou. Opyimized Operation of the Primary Loop Coolant Purification System[J]. China Nuclear Power，2009，2(2)：116-125. )

Study on Quantitative Control of Feeding Ammonia Solution to the Primary Coolant of VVER Unit

HU Hai，WANG Lei，WANG Yu-zhou
（Jiangsu Nuclear Power Co.，Ltd.，Lianyungang of Jiangsu Prov. 222042，China）

Through study on the process of purification and deaeration in the primary loop, the quantitative control methods of feeding ammonia solution continuously to the primary coolant were summarized in different operating modes by material balance calculation of the main adding substances and products in the primary coolant. The methods reduced the risks of control parameters for the primary coolant deviating from zone A, such as dissolved hydrogen and total molar concentration of alkaline metal ions (potassium, sodium and lithium), caused by feeding ammonia solution inaccurately during unit operating. They also improved quality of the primary coolant and provided a theoretical guidance for future work.

ammonia; dissolved hydrogen; total alkaline metal; material balance; quantitative control

TM623Article character：A

1674-1617(2014)04-0326-05

TM623

：A

：1674-1617(2014)04-0326-05

2014-04-21

胡 海（1983—），男，江蘇連云港人，工程師，學士，從事核電廠化學工程工作。