AP1000核電機組二回路系統加藥量計算

馬現奇，許梧君，潘榮輝

(國核工程有限公司，上海 200233)

AP1000核電機組二回路系統加藥量計算

馬現奇，許梧君，潘榮輝

(國核工程有限公司，上海 200233)

以AP1000核電機組為例，在凝結水精處理系統(CPS)投運和未投運兩種運行模式下進行二回路系統加藥量的計算，得出機組運行時氨與聯氨的理論添加量，為AP1000核電機組二回路加藥系統的設計及配置提供依據和參考。

AP1000核電機組；氨；聯氨；凝結水精處理系統

圖1 二回路系統簡化數學模型

0 引言

三代核電AP1000機組對二回路水質的控制比常規核電機組更加嚴格。AP1000核電機組二回路系統一般通過控制pH值和溶解氧含量來減少系統以及設備的腐蝕。AP1000核電機組二回路系統采用分別添加氨(NH3)和聯氨(N2H4)的全揮發處理(AVT)方法來控制系統的pH值和溶解氧含量，以保持二回路系統水化學參數在適當的范圍內，使蒸汽發生器(SG)在正常運行和停運保養過程中的腐蝕和固體物質的沉積減至最少[1]。

凝結水精處理系統(CPS)在機組啟動、停運或凝汽器泄漏期間投入運行，機組運行正常水質穩定后CPS退出運行。AP1000核電機組在CPS投運時控制二回路系統的pH值≥9.3，CPS退出運行時控制二回路系統的pH值≥9.6[2]。本文針對CPS投運與未投運2種運行工況，對二回路系統NH3與N2H4的加藥量進行計算，為AP1000核電機組二回路加藥系統的設計與配置提供依據。

1 二回路系統基礎參數

二回路系統熱平衡圖是進行二回路系統NH3與N2H4的加藥量計算的基礎，圖1為某1 000 MW機組二回路系統簡化熱平衡圖[3]，圖中：qmVAC為抽氣(VAC)流量；qmFW為主給水(FW)流量；qmSGBD為SG排污流量；qmCON為凝結水流量；qmLP為低壓缸(LP)乏汽流量；qmHP為高壓缸(HP)乏汽流量；qmMSR為汽水分離再熱器(MSR)再熱蒸汽流量；qmMSRE為MSR抽氣流量；qmLPE為LP抽氣流量；qmHPE為HP抽氣流量；KNH3為NH3氣液分配系數；KN2H4為N2H4氣液分配系數。

2 NH3和N2H4的化學特性

2.1 氣液分配系數的計算

根據美國電力研究協會(EPRI)的研究報告，不同溫度下NH3與N2H4的氣-液分配系數見表1[4]。

根據線性插入法，計算不同溫度下SG，MSR和凝汽器(CON)的氣液分配系數，計算結果見表2。

2.2 NH4+質量濃度與pH值的關系

NH3對pH值的影響遠遠大于N2H4，計算時可忽略N2H4對pH值的影響[5]。NH4+質量濃度與pH值的關系見表3。

表1 不同溫度下NH3與N2H4的氣液分配系數

表3 NH4+質量濃度與pH值的關系

表2 特定溫度下NH3與N2H4在不同設備中的氣液分配系數計算結果

3 二回路加藥量的計算

3.1 CPS未投運時加藥量的計算

當CPS未投運時，NH3與N2H4的消耗主要包括SG排污(SGBD)、SG中反應(SG-R)、CON內抽氣損耗，下面以CPS未投運時二回路系統pH值控制在9.7為例進行計算。

3.1.1 SG中化學反應損耗

Δρ(NH3)SG-R=ρ(N2H4)FW×(0～0.5)×170/256 ，

(1)

Δρ(N2H4)SG-R=ρ(N2H4)FW×(0～0.5) ，

(2)

式中：170為NH3的增加量，g；256為N2H4的減少量，g；ρ(N2H4)FW為主給水中N2H4的質量濃度；Δρ(NH3)SG-R為NH3在SG中反應損耗量；Δρ(N2H4)SG-R為N2H4在SG中反應損耗量。

根據表3，二回路系統pH值控制在9.7時，ρ(NH3)FW=3.05 mg/L，ρ(N2H4)FW≈0.10 mg/L。根據式(1)，(2)可得：ρ(NH3)SG=3.050～3.083 mg/L，ρ(N2H4)SG=0.050～0.100 mg/L，Δρ(NH3)SG-R=0.000～0.033 mg/L，Δρ(N2H4)SG-R=0.000～-0.050 mg/L。

3.1.2 SG排污損耗

SG排污中NH3和N2H4的質量濃度與SG中NH3和N2H4的質量濃度存在以下關系

ρ(NH3)SGBD=ρ(NH3)SG/K(NH3)SG，

(3)

ρ(N2H4)SGBD=ρ(N2H4)SG/K(N2H4)SG，

(4)

式中：ρ(N2H4)SG為SG中N2H4的質量濃度；ρ(N2H4)SGBD為SG排污中N2H4的質量濃度；ρ(NH3)SG為SG中NH3的質量濃度；ρ(NH3)SGBD為SG排污中NH3的質量濃度；K(NH3)SG為NH3在SG中的氣液分配系數，4.30；K(N2H4)SG為N2H4在SG中的氣液分配系數，0.22。

根據式(3)，(4)可得：ρ(NH3)SGBD=0.709～0.717 mg/L，ρ(N2H4)SGBD=0.227～ 0.455 mg/L。

3.1.3 CON抽氣損耗

NH3和N2H4在CON和MSR中的質量濃度存在如下關系

qmMSR·ρMSR=qmHP·ρHP-qmMSRE·ρMSRE，

(5)

ρHP=ρSG，ρLP=ρMSR，ρMSRE=ρMSR/KMSR，

(6)

ρ(NH3)VAC=ρ(NH3)LP·KCON=ρ(NH3)MSR·KCON，

(7)

ρ(N2H4)VAC=ρ(N2H4)LP·KCON=ρ(N2H4)MSR·KCON，

(8)

式中：ρMSR為MSR中的質量濃度；ρHP為HP中的質量濃度；ρSG為SG中的質量濃度；ρLP為LP中的質量濃度；ρMSRE為MSR抽氣中的質量濃度；KMSR為MSR中的氣液分配系數；KCON為CON中的氣液分配系數；ρ(NH3)VAC為CON抽氣系統中NH3的質量濃度；ρ(N2H4)VAC為CON抽氣系統中N2H4的質量濃度。

根據式(5)～(8)可得：ρ(NH3)MSR=ρ(NH3)LP=3.430～3.467 mg/L，ρ(N2H4)MSR=ρ(N2H4)LP=0.022～0.044 mg/L；ρ(NH3)VAC=61.459～62.122 mg/L，ρ(N2H4)VAC=0.000 42～0.000 84 mg/L。

3.1.4 平衡計算

在CPS未投運時，二回路加藥系統中NH3所需的總添加量qVNH3(w(NH3)=2%)由3部分組成：NH3在SG化學反應中的增加量、蒸汽發生器排污與凝汽器抽氣所消耗的量。N2H4所需的總添加量qVN2H4(w(N2H4)=2%)也由3部分組成：N2H4在SG中因發生化學反應所消耗的量、蒸汽發生器排污與凝汽器抽氣所消耗的量。

qVNH3= -Δρ(NH3)SG-R·qmFW+ρ(NH3)SGBD·qmSGBD+

ρ(NH3)VAC·qmVAC=-9.640～1.644 (L/h) ，

qVN2H4= Δρ(N2H4)SG-R·qmFW+ρ(N2H4)SGBD·

qmSGBD+ρ(N2H4)VAC·qmVAC=0.478～

18.083 (L/h)。

3.2 CPS投運時加藥量的計算

當CPS投運時，NH3與N2H4的消耗主要包括SG排污、SG中反應、凝汽器內抽氣損耗及CPS消耗，下面以CPS投運時二回路系統pH值控制在9.4為例進行計算。

3.2.1 SG中化學反應損耗

根據表3，二回路系統pH值控制在9.4時，ρ(NH3)FW=1.05 mg/L，ρ(N2H4)FW≈0.10 mg/L。根據式(1)，(2)可得：ρ(N2H4)SG=0.050～0.100 mg/L，ρ(NH3)SG=1.050～1.083 mg/L；Δρ(NH3)SG-R=0.000～0.033 mg/L，Δρ(N2H4)SG-R=0.000～-0.050 mg/L。

3.2.2 SG中排污損耗

根據式(3)，(4)可得：ρ(NH3)SGBD=0.244～0.252 mg/L，ρ(N2H4)SGBD=0.227～0.455 mg/L。

3.2.3 凝汽器抽氣損耗

根據式(5)～(8)可得：ρ(NH3)MSR=ρ(NH3)LP=1.181～1.218 mg/L，ρ(N2H4)MSR=ρ(N2H4)LP=0.022～0.044 mg/L；ρ(NH3)VAC=21.161～21.824 mg/L，ρ(N2H4)VAC=0.000 42～ 0.000 84 mg/L。

3.2.4 CPS消耗

NH3和N2H4在凝結水、抽氣系統、凝汽器中的質量濃度存在如下關系

ρ(NH3)CON= (ρ(NH3)LP·qmLP-ρ(NH3)VAC·qmVAC)/

qmCON，

(9)

ρ(N2H4)CON= (ρ(N2H4)LP·qmLP-ρ(N2H4)VAC·qmVAC)/

qmCON，

(10)

式中：ρ(NH3)CON為凝結水中NH3的質量濃度；ρ(NH3)LP為低壓缸乏汽中NH3的質量濃度；ρ(NH3)VAC為凝汽器抽氣中NH3的質量濃度；ρ(N2H4)CON為凝結水中N2H4的質量濃度；ρ(N2H4)LP為低壓缸乏汽中N2H4的質量濃度；ρ(N2H4)VAC為凝汽器抽氣中N2H4的質量濃度。

根據式(9)，(10)可得：ρ(NH3)CON=1.166～1.203 mg/L，ρ(N2H4)CON=0.022～0.043 mg/L。

3.2.5 平衡計算

在CPS投運時，二回路加藥系統中NH3所需的添加量qVNH3由4部分組成：NH3在SG化學反應中的增加量，蒸汽發生器排污、凝汽器抽氣與CPS所消耗的量。N2H4所需的添加量qVN2H4也由4部分組成：N2H4在SG中因發生化學反應所消耗的量，蒸汽發生器排污、凝汽器抽氣與CPS所消耗的量

qVNH3=-Δρ(NH3)SG-R·qmFW+ρ(NH3)CON·qmCON+ρ(NH3)SGBD·qmSGBD+ρ(NH3)VAC·qmVAC=235.897～239.596 (L/h) ，

qVN2H4=Δρ(N2H4)SG-R·qmFW+ρ(N2H4)CON·qmCON+ρ(N2H4)SGBD·qmSGBD+ρ(N2H4)VAC·qmVAC=5.024～26.471 (L/h)。

根據以上計算結果，在CPS投運與未投運的2種運行模式情況下，二回路加藥量的計算結果見表4。從表4可以看出：在CPS未投運時，僅添加N2H4或添加少量NH3即可維持二回路系統中較高的pH值；而在CPS投運時需添加較大量的NH3才能維持二回路系統較高的pH值，這與實際運行情況符合。

表4 CPS投運與未投運模式下加藥量計算結果 L/h

4 結束語

在AP1000核電機組二回路CPS投運與未投運2種運行模式下，通過計算NH3與N2H4的理論添加量，為AP1000核電機組二回路加藥系統的設計及配置提供了依據，也可為其他核電機組二回路加藥系統的設計提供參考。

[1]劉濤，周麗霞，高立新，等.核電站二回路系統水化學控制[C]//中國石油和化工勘察設計協會熱工專委會.全國化工熱工設計技術中心站2012年年會論文集，2012.

[2]慕曉煒，鄭敏聰，李建華.凝結水精處理混床運行控制指標分析與確定[J].熱力發電,2013，42(10)：134-136.

[3]鄧德兵，趙清森，陳偉，等.核電站汽輪機運行性能監測與診斷[J].動力工程學報,2011，31(8)：585-589.

[4]EPRI.Pressurized water reactor secondary water chemistry guidelines[R].Palo Alto：EPRI，2004.

[5]胡蓉.三門核電一期工程二回路pH控制方案研究[J].中國高新技術企業，2015(13)：15-17.

(本文責編：劉芳)

2017-05-19；

2017-07-18

TM 623.99

A

1674-1951(2017)08-0021-03

馬現奇(1986—)，男，山東濰坊人，工程師，工學碩士，從事核電水化學系統的調試工作。

許梧君(1993—)，女，福建漳州人，工程師，從事核電水化學系統的調試工作(E-mail:xuwujun@snpec.com.cn)。

潘榮輝(1976—)，男，山西運城人，工程師，從事核電站水處理化學系統的調試工作。