濱海核電廠循環水處理系統方案研究

程曉東

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518124)

1 濱海核電廠循環水處理技術現狀

濱海核電廠通常采用海水作為循環水，通過海水直流進行冷卻。為防止循環水系統中海生物的附著和生長，循環水處理通常采用投加殺生劑的方案[1]。

殺生劑按殺生機理分為氧化型和非氧化型兩類。氧化型殺生劑的殺生機理是氧化海生物體內的酶，從而殺死海生物，通常采用液氯、次氯酸鈉和氯胺等；非氧化型殺生劑的殺生機理因藥劑不同而有所不同，有的是破壞菌藻的能量代謝過程，有的是溶解和破壞海生物體表面的脂肪壁或體內酶，從而殺死海生物，通常采用CT1300、季銨鹽和氯酚等[2-3]。

殺生劑通常可采用外購或電解制氯2種方式。外購加液氯法是早期電廠普遍采用的方案，加液氯法的優點是一次性投資較小、設備較簡單、液氯價格低廉；缺點是氯氣有劇毒，高壓貯存、運輸及操作都存在危險性[4]，尤其對于濱海核電廠，氯氣與水反應生成大量氯化氫，混入海水中會造成環境污染。鑒于核電廠對于運行安全性及環境保護的要求，不建議采用投加液氯法。非氧化性殺菌劑CT1300作為一種環境友好的殺生劑目前也在使用，采用外購非氧化型殺生劑CT1300法，在美國、加拿大和澳大利亞等國家已有多年的使用經驗。在我國廣東珠海電廠2×700 MW機組采用了該殺生劑，由于核電廠循環冷卻水量較常規火電廠大很多，若采用該方案，導致CT1300加藥量很大，年運行成本相當高。對濱海核電廠而言，近年來國家海洋及環保部門對廠址海域的環保要求日趨嚴格，另外，濱海核電廠大多為百萬千瓦級機組，循環水量一般為20多萬t/h，如此大流量的循環水，如設計不當，核電廠每年的成本將會很高。而電解海水制氯工藝能夠充分利用海水資源，同時基于其經濟環保、安全高效等特點，在我國濱海核電廠得以廣泛應用。

2 循環水處理系統方案研究

2.1 電解海水制氯工藝的原理

電解海水制氯工藝是通過電極反應使海水中的Cl-轉換成ClO-，生成一定濃度的次氯酸鈉溶液投加至加藥點，利用次氯酸根的氧化性殺死海生物，保證循環水回路不受海生物的污損。

電解海水時產生如下化學反應：

陽極反應：2Cl-→Cl2+2e-

陰極反應：2H2O+2e-→H2+2OH-

電極間的化學反應：

1) Cl2+2OH-=ClO-+Cl-+H2O

2) ClO-+H2O=HClO+OH-

3) HClO=H++ClO-

總反應：

NaCl+H2O→NaClO+H2

平衡反應1)、2)和3)的運動方向主要取決于pH值和環境溫度。通常海水pH值約為8～8.5，且溫度高達15 ℃時，所有的分子態消失，當量的活性氯為由次氯酸鈉(約80%)和次氯酸(約20%)組成的混合物。

除上述反應外，由于海水中存在鈣、鎂離子，這些離子在電解時在陰極上形成沉淀，這些沉淀物會增加電能的消耗；因此，應定期進行酸洗，消除這些沉淀物。

2.2 循環水處理系統工藝流程

來自取水泵房的海水經海水升壓泵到自清洗過濾器，過濾后進入電解槽，在電解單元中逐級電解，發生電化學反應，產生次氯酸鈉。工藝流程如圖1所示。

圖1 循環水處理系統工藝流程圖

循環水處理系統的機械設備主要由海水泵、自清洗過濾器、電解槽、次氯酸鈉儲罐、酸洗設備、整流器、變壓器及其冷卻設備等組成。控制設備主要由控制臺和溫度、流量、液位、壓力、壓差等傳感器和儀表組成，通過集中控制系統PLC，系統可以自動安全運行[5]。

2.3 循環水處理系統設計要點分析

2.3.1 系統出力計算分析

循環水處理系統加藥量應結合核電廠循環水量、加藥方式和加藥濃度等因素綜合確定，以濱海核電廠連續加藥為例，加藥量可按下式計算[6]：

式中，G0是次氯酸鈉加藥量，單位為kg/h；Qr是循環水量，單位為m3；g0是次氯酸鈉加藥濃度，單位為mg/L，連續投加時宜取0.1～0.5 mg/L，以有效氯計。

濱海核電廠不同廠址海域的海生物的種類和數量不同，且其隨季節變化而變化，因此，循環水處理系統出力計算還應結合廠址海域附近海生物的情況綜合確定。

2.3.2 海水水質對系統設計的影響分析

循環水處理系統受海水水質影響較大，在設計過程中需分析氯離子、硬度、懸浮物及含沙量等因素對系統的影響，因此，不同廠址海域的海水水質不同，設計方案或設備選型可能不同。

目前，多數電解海水設備供應商都會設置進入電解槽的最低海水氯離子濃度，當海水中氯離子濃度>10 g/L時，其對電解槽的槽壓基本無影響，在一定范圍內(電流恒定)電解設備的產氯量隨著氯離子濃度的增加而上升；當海水氯離子濃度<10 g/L時，隨著氯離子濃度的下降，電解槽的槽壓將會升高，進而損壞電極。因此，在系統設計時應結合考慮海域附近氯離子濃度、雨季降雨量等因素，當海水中的氯離子濃度低于電解設備的最低濃度要求時，應設置加鹽系統來補充海水的氯離子濃度[7]。

在電解反應過程中，陰極會發生如下電化學反應，并伴有副反應發生。

陰極反應：2H2O+2e-= H2+2OH-

副反應：Ca2++2OH-=Ca(OH)2↓

Mg2++2OH-=Mg(OH)2↓

因此，海水中的鈣離子、鎂離子等會沉積在電極上，使電解槽能耗增加，陽極涂層被損壞，陰極被腐蝕，造成電解效率降低，情況嚴重時，陰、陽極間完全形成沉淀，導致陰陽極間短路，燒毀陽極板，從而大大降低電解槽的運行壽命[8]；因此，應定期對電解槽進行酸洗。循環水處理系統的酸洗系統通常選用濃度10%鹽酸，并配置1臺酸洗罐和2臺酸洗泵進行循環酸洗，酸洗周期一般為30 d，可視情況進行調整。

進入循環水處理系統的海水經取水泵房的粗格柵、細格柵及鼓網后，通過海水升壓泵進入自清洗過濾器。通常情況下，懸浮物或含沙量都能滿足自清洗過濾器的進水水質要求，但在諸如臺風、暴雨期間，取水口的海水中懸浮物或含沙量可能會增加，超過自清洗過濾器的正常工作負荷，導致過濾器的自清洗頻率明顯增加，從而影響設備的穩定運行；因此，當廠址海域附件懸浮物或含沙量超標時，應設置預過濾器或海水懸砂分離器，避免泥砂對設備的沖刷侵蝕[9]。

2.3.3 海水溫度對系統設計的影響分析

海水的溫度會影響電解裝置活性氯的效率，低溫情況下的變化尤為明顯。5 ℃時的電解效率約為常溫情況的60%，繼續降低溫度效率將進一步下降，但隨著海水溫度的升高，電解效率會有逐步提升；當海水溫度升到25 ℃以上時，電解效率變化將會逐步趨于平穩[10]。因此，循環水處理系統用自清洗過濾器出口海水來二次冷卻整流器的冷卻介質，冷卻后的海水熱回流至電解槽進水管，有利于提高冬季低溫海水的電解效率。

2.3.4 電解槽設備選型分析

循環水處理系統的關鍵核心設備為電解槽。目前，電解槽主要有板式電解槽和管式電解槽兩類，其主要的設計性能指標比較見表1。

表1 板式電解槽和管式電解槽設計性能比較

3 結語

通過上述研究，可以得出如下結論。

1)電解海水制氯工藝具有技術成熟、運行穩定及經濟環保的特點，成為濱海核電廠循環水處理系統的主流工藝，并被廣泛應用。

2)循環水處理系統出力設計與循環水量、加藥濃度、加藥方式直接相關，在實際工程項目中應綜合考慮廠址海域附近海生物的種類和數量，確定合理的系統出力。

3)循環水處理系統是與廠址強相關的系統，不同廠址海域氯離子、硬度及懸浮物和含沙量不同。當海水中氯離子濃度低于電解設備最低進水濃度要求時，應設置加鹽系統來補充海水的氯離子濃度。由于海水中鈣離子、鎂離子等會在電極結垢，應對電解槽進行定期酸洗，酸洗周期為30 d，可視情況進行調整。當海水中懸浮物或含沙量超標時，應設置預過濾器或海水懸砂分離器，避免泥砂對設備的沖刷侵蝕。

3)低溫情況下，電解海水制氯設備的電解效率受溫度的影響較大，利用海水來二次冷卻整流器的冷卻介質，并將其熱回流至電解槽進水管，有利于提高冬季低溫海水的電解效率。

4)電解槽的型式各有優缺點，應根據海水水質、工程概算、業主需求、布置方案及維修策略等因素，選擇合適的電解槽形式，以滿足工程項目的需要。