AP1000電廠中催化除氧技術的應用

周曉杏

【摘 要】AP1000是先進的第三代核電技術，全球首堆已在浙江三門完成熱態試驗，其除鹽給水采用了低壓加氫鈀樹脂催化除氧技術，并且整個催化除氧單元進行模塊化建造施工，這些在國內電廠均為首次使用。本文主要介紹催化除氧技術的工藝、原理、優點及在AP1000機組調試過程中遇到的問題。

【關鍵詞】AP1000；催化除氧；低壓加氫；應用分析

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0054-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.021

【Abstract】the third generation nuclear power technology AP1000 is advanced， the world's first reactor has been done in zhejiang sanmen hot test， which in addition to salt water adopted low pressure hydrogenation technology， palladium catalyzed resin deoxidization unit for modular construction and the entire catalytic deoxidization， these are first used in domestic power plant. This paper mainly introduces the process， principle and advantages of catalytic deoxygenation technology and the problems encountered during the commissioning of the AP1000 unit.

【Key words】AP1000； Catalytic removal of oxygen； Low pressure hydrogenation； Application analysis

1 催化除氧工藝流程

AP1000核電機組中催化除氧單元屬于DWS系統（除鹽水儲存和分配系統）的一部分，DWS的除鹽水儲存箱（DWST）接收除鹽水處理系統輸送來的除鹽水，除鹽水輸送泵從DWST吸水，通過催化除氧單元除去水中的溶解氧后，將符合要求的除氧除鹽水供給全廠用戶。為了在不同的除鹽水流量需求下可以維持流經催化除氧單元的流量恒定，部分除鹽水可經再循環管線返回至DWST。

一臺機組設置有兩套催化除氧單元，一套是除鹽水儲存箱催化除氧單元，用于除鹽水儲存箱的除氧和供水分配，一套是凝結水儲存箱催化除氧單元，用于維持凝結水儲存箱中的氧含量低于100ppb。以除鹽水儲存箱催化除氧單元為例，其主要設備有：除鹽水輸送泵、靜態混合器、鈀樹脂罐、樹脂捕捉器、除氣罐、鼓風機、進出口溶解氧表、出口氫表等[1]。

除鹽水經除鹽水輸送泵加壓，從DWST先送入催化除氧單元的靜態混合器，在靜態混合器中與電廠氣體系統來的低壓氫氣進行充分混合后進入鈀樹脂罐，在樹脂罐內鈀樹脂的催化作用下，除鹽水中的溶解氧與氫氣進行化合反應生成水，催化除氧后的除鹽水進行樹脂捕捉器，過濾掉混在除鹽水中的樹脂碎片。經過樹脂捕捉器的除鹽水分為兩路，一路通過V207為全廠的除鹽水用戶供水；一路通過V025回流至DWST，以維持催化除氧單元的恒定流量，保證除氧效果，同時以循環的方式降低除鹽水儲存箱中的溶解氧含量。除鹽水儲存箱中的氧含量范圍為20ppb-8000ppb（自然狀態下的飽和溶解氧），經過DWS催化除氧單元后溶解氧≤20ppb。

在鈀樹脂罐和樹脂捕捉器頂部安裝有排氣管道，將鈀樹脂罐和樹脂捕捉器內未反應的氫氣排至除氣罐，除氣罐上安裝有鼓風機和排氣管道。鼓風機將新鮮空氣吹入排氣罐，降低除氣罐內氫氣濃度，并通過排氣管道排至室外，避免氫氣在房間內積聚爆炸。

2 催化除氧技術原理

AP1000核電站DWS系統除氧采用的是低壓加氫催化除氧原理，催化劑采用吸附在強堿型陰樹脂上的鈀金屬離子。根據分子軌道理論，氫氣與氧氣在常溫下不能自發地發生反應，原因是二者電子云軌道對稱性不匹配，經金屬催化劑表面吸附后，受金屬最外層d軌道的作用，氫電子云發生變形，從而變得可以與氧氣在低溫下進行反應[2]。反應過程如下：

鈀金屬是常溫下氫與氧反應的最佳催化劑，常以覆蓋在某種載體上的形式出現，常用的載體有離子交換樹脂、活性炭等[3]。上世紀60年代德國拜耳公司研制出Lewatit Oc-1045型除氧樹脂，提出了“催化樹脂加氫除氧方法”，后被美國首先應用在核電站、核動力軍艦的水處理中。催化樹脂又稱為觸媒型除氧樹脂，是以有堅實骨架結構的樹脂為母體，再將催化金屬粒子牢固的吸附在其表面，最后進行催化活性的活化處理[4]。混合有溶解氧和氫氣的水經過催化樹脂時，借助于強堿型陰離子交換樹脂所提供的巨大的表面積，催化劑鈀對氫氣很強的吸附能力（1單位體積海綿狀的鈀能吸附680-850體積的氫氣），同時也能吸附氧氣，所以鈀的催化活性很高，可以達到良好的除氧效果。

作為一種新型的除氧方法，催化除氧技術有很多優點：除氧過程中樹脂只起到催化作用，本身不參加反應，不需要進行樹脂再生；除氧過程為氫和氧反應生成水，無雜質產生，也不需添加其他物質，除氧后不增加鹽分；反應速度快、除氧效果佳，實際運行中出口溶解氧含量低于5ppb；占地面積小、可一鍵自動投運，運行操作方便；設備簡單易維護，常溫反應無熱量消耗，所需費用低，運行費用主要是加氫的費用，而按質量計算氧與氫的當量比為8：1，氫氣消耗量少；從給水源頭上就控制氧含量，有利于后續的除氧和運行期間腐蝕的控制。

3 催化除氧單元問題分析

3.1 缺少模塊化施工管理經驗

模塊化建造技術在AP1000機組建設中得到了廣泛應用，這是一種先進的施工理念，可以大量的引入平行作業，從而縮短建設工期。AP1000催化除氧單元屬于MS08模塊，尺寸4270mm×1680mm×3000mm，位于40340房間內，除了除鹽水輸送泵，其他設備、管道、閥門、儀表和附件都安裝在公共基座上。但由于此次是模塊化建造技術首次應用于國內核電站建設，設計、施工方經驗不足，存在一些問題，制約著DWS系統的調試，也影響全廠除鹽水用戶的工作。

設計方面，模塊廠家負責模塊內部設計，在電源方面只有一路電源供應，不滿足外方的冗余設計要求，造成返廠整改；模塊的接口管道由華東院設計，但華東院遺漏了此部分施工圖，造成現場無法施工；這些都屬于多方設計造成接口問題，需注意協調。施工方面，由于模塊廠家經驗缺乏，且未考慮后續維修需求，造成大量閥門手輪指向模塊內部，不便操作；樹脂捕捉器和電控柜維修空間不足，不滿足運維手冊和國標要求；廠家和建安方責任劃分不清，部分現場工作無人負責；后續應加強設計審核并在合同中規定詳細。

3.2 氫氣流量調節性能不足

由于設計有再循環管線，可以通過V025保證流過催化除氧單元的流量恒定，因此催化除氧單元的除氧效果就取決于除鹽水內溶解氧含量和供氫量的比例。隨著除氧再循環的進行，DWST內的溶解氧含量從飽和溶解氧（8000ppb）會逐漸下降至100ppb以下，所需氫氣量減少了幾十倍，但氫氣流量調節閥V229為手動針形閥，不能自動調節供氫量。氫氣過剩會導致出口氫濃度超過160ppb，產生報警并聯鎖關閉供氫電磁閥V201，隨著供氫電磁閥的關閉，出口氫濃度降低到100ppb以下時，報警復歸并開啟V201，隨后出口氫再次增加，造成重復報警。對此問題，建議變更供氫電磁閥V201的動作定值，將關閉定值由160ppb修改為75ppb，開啟定值由100ppb修改為50ppb，提前動作干預以減少氫氣過量損失，避免頻發報警導致人員分心，同時稍過量的氫氣引入仍可以保證除氧效果。

3.3 出口電動閥V207聯鎖控制問題

當催化除氧單元出口溶解氧含量高于20ppb時，出口電動隔離閥V207將聯鎖自動關閉，此邏輯可以保證供應的除鹽水氧含量達到要求。但V207關閉同時會導致停止向各用戶的補水，其中重要用戶包括向一回路的補水、為啟動給水泵提供縱深防御水源、重要設備冷卻水的補水等。一方面催化除氧單元的功能是在補水階段就限制含氧量，有利于后續的腐蝕控制，但這些用戶中均有加氫或加聯氨的除氧手段，即使除鹽水含氧量超標，也能維持水質要求；另一方面如果氧含量超標就關閉供水閥門，會導致失去除鹽水補水功能，進而失去一回路補水功能和一回路冷卻的縱深防御功能，引發更嚴重的后果，即DWS的補水功能相較于DWS的除氧功能更為重要。對此問題建議取消V207閥門的聯鎖控制，只保留報警提示，當出現報警時，由操縱員根據現場實際情況來判斷是否需要隔離DWS補水。

4 結論

鈀樹脂催化除氧以其除氧效果佳、無雜質產生、操作方便經濟性好的優點，自推出后就得到了廣泛應用，配以模塊化建造技術又可以減小占地面積、縮短建造時間。AP1000電廠的催化除氧技術為國內電廠首次使用，受限于設計、施工經驗不足，在調試階段遇到了一些問題，但目前實際運行過程中除氧效果優秀、系統運行穩定，相信經過總結經驗、優化設計后，催化除氧技術在國內具有很強的推廣意義。

【參考文獻】

[1]顧軍.AP1000核電廠系統與設備[M].北京：原子能出版社，2010.

[2]侯濤，吳元明，馮金玲.AP1000除氧技術分析[J].核科學與工程，2016（2）：141-146.

[3]張瑛潔，楊曉光，周江紅.催化加氫去除水中溶解氧的一種新技術[J].吉林電力，2001（2）：41-43.

[4]解魯生.催化樹脂除氧在鍋爐補給水上的應用[J].區域供熱，2007（3）：33-34.