三門核電廠蒸汽發生器隱藏鹽返回評估

苗 麗,胡苧尹,鐘 鐵,聶雪超

(1.三門核電有限公司,浙江 臺州317112;2.中核武漢核電運行技術股份有限公司,湖北 武漢430223)

三門核電廠一號機組是全球首個采用先進非能動AP1000壓水堆技術的核電機組,換料周期為18個月,每機組設計有兩臺蒸汽發生器(SG),SG傳熱管材料為Inconel 690合金。

核電廠二回路化學控制目的之一為最小化局部腐蝕和均勻腐蝕,減少腐蝕產物向SG的遷移,確保SG傳熱管的完整性[1]。然而,機組實際運行過程中,在SG傳熱管二次側,由于水的沸騰蒸發導致化學物質“隱藏”濃縮,另外在流動性較差的區域,由于熱量累積出現局部過熱,使這些區域的雜質進一步濃縮,導致局部區域(特別是狹縫內)含有大量侵蝕性離子,形成惡劣的局部化學環境,從而引起傳熱管腐蝕并影響SG的安全運行[2]。SG二次側隱藏物主要來自機組啟動及正常運行期間隨給水進入的各種雜質離子,進入SG后,其會在SG二次側管板、支撐板等狹縫區域濃縮或在傳熱管表面結垢沉積。在機組降功率、降溫過程中,由于溫度、壓力、水力條件以及水化學條件變化等,會導致沉積在SG二次側管板、支撐板等狹縫或垢下區域的部分或全部雜質重新返回到爐水中,這種現象稱為隱藏返回。

目前尚無有效技術可以監測SG縫隙內化學環境,通常在機組大修期間通過熱浸泡和冷浸泡方法獲得隱藏鹽返回數據,以了解SG縫隙內的化學環境。美國電力研究院(EPRI)開發的壓水堆二回路水化學導則中,已將隱藏返回分析評估技術列入其9項水化學控制策略評估技術中[3]。三門核電廠在首循環101大修期間,對2#SG進行熱浸泡,并開展了隱藏鹽返回試驗(以下簡稱隱藏返回試驗)。根據試驗結果,計算了SG狹縫區域雜質隱藏返回總量和高溫p HT,在此基礎上評價SG水化學控制工況。

1 試驗方法

通常,隱藏返回試驗評估流程主要包括雜質隱藏返回總量計算和縫隙化學計算。因此,針對三門核電廠101大修2#SG雜質隱藏返回評估內容主要包括:利用EPRI Chem-Works軟件HR Project模塊計算101大修各個階段SG雜質隱藏返回量以及合計總量;利用EPRI Chem Works軟件MULTEQ模塊計算不同濃縮因子狀況下SG傳熱管垢層底部及狹縫區域的高溫p HT。

1.1 試驗方案確定

隱藏返回主要研究的是隱藏的可溶性雜質離子,即易/微溶解性離子和低揮發性離子。通常情況下,溶解性雜質的隱藏返回可以分為傳熱管結垢層下雜質的快速返回和狹縫區里受擴散控制雜質的慢速返回兩個階段。第一階段通常發生在降功率期間,隨著一二次側熱流密度降低,SG傳熱管結垢層下方因為溶液蒸發而濃縮的各種可溶性雜質將快速返回到SG大空間水環境中。第二階段通常發生在停堆降溫期間,SG狹縫(包括管板上方泥渣堆下、傳熱管與支撐板狹縫和傳熱管與管板狹縫)濃縮的雜質將通過擴散的方式緩慢地返回到SG大空間[4]。

因此,大修前結合大修計劃及在各個功率平臺停留時間,化學人員制定了SG隱藏返回試驗實施方案,其中試驗準備階段重點關注取樣瓶準備、確認實驗室隱藏返回試驗需用到的分析儀器在檢定有效期內且可用、停堆前一周對二回路取樣系統在線化學儀表進行校驗等。具體隱藏返回試驗取樣安排除表1中明確的降功率階段、熱態零功率平臺、降溫階段取樣要求外,在疏水階段SG液位降至20%對SG排污取樣。各個取樣點分析參數如表2所示。

表1 SG隱藏返回試驗取樣安排Table 1 The sampling of the SG hideout return experiment

續表

表2 SG隱藏返回分析參數Table 2 The species tested for the SG hideout return experiment

SG隱藏雜質返回實驗共歷時91.75 h。在隱藏返回取樣過程中,分別記錄一、二回路的溫度、壓力、SG水位、給水流量、排污水流量等參數,結合取樣分析結果,這為雜質隱藏返回計算提供了原始數據。

1.2 SG雜質隱藏返回總量的計算

SG進出的雜質輸送控制關系可以根據SG中的物料平衡來建立,如圖1所示。物料平衡關系如公式(1)所示。

圖1 立式SG雜質物料平衡關系Fig.1 The mass balance of impurities in vertical SG

機組在穩定功率正常運行時,任何時間間隔Δt內的雜質隱藏以增量公式(2)來計算[4,5]:

在大修停堆期間,在時間間隔Δt內雜質隱藏返回量計算方法如公式(3)所示。

其中,在各個階段根據機組不同狀態特點進行簡化處理計算;例如在降功率期間由于排污水中的隱藏返回十分顯著,蒸汽和給水中濃度的準確測量值無法得到,因此,可以將公式(3)簡化為公式(4)。

公式(1)～公式(4)中:

C——雜質濃度(μg/kg);

W——質量流量(kg/h);

H——功率運行時雜質隱藏量(g);

A——隱藏區域雜質濃縮量(g);

t——時間(h);

M——SG水裝量(kg);

S——蒸汽;

R——大修期間隱藏返回量(g);下角標:

FW——給水;

BD——排污水;帶橫線的變量為Δt時間段內的平均值。

EPRI Chem Works軟件HR Project模塊依據SG雜質物料平衡關系,根據公式(4)計算各雜質隱藏返回總量。

1.3 縫隙化學p H的計算

一般來說,核電廠SG在運行過程中,其二次側大空間水環境一直保持堿性,但在流動性較差的狹縫內,局部過熱會使這些區域的雜質發生濃縮,致使局部區域含有大量侵蝕性離子,形成惡劣的局部化學環境,甚至可能會導致狹縫內形成酸性環境,因此需要根據雜質隱藏量計算縫隙化學高溫p HT[5]。

EPRIChem Works軟件MULTEQ模塊是一個標準、獨立程序,用于計算150～350℃,不同濃縮倍數水溶液p H。因此,輸入本文1.2部分計算出的降功率期間、降溫停堆期間隱藏返回總量,結合對應水裝量,分別計算降功率期間和降溫停堆期間雜質隱藏返回對應的雜質濃度后,通過MULTEQ模塊模擬計算縫隙化學高溫p HT。

2 結果與討論

2.1 隱藏返回試驗期間SG水質分析

三門核電廠二回路采用聯氨-氨水化學控制模式,在機組調試及正常運行期間,嚴格執行電站水質控制規范及設備保養規程,二回路水質控制良好。2018年9月21日,1號機組具備商運條件,10月8日,1號機組WANO化學有效性指標(WANO-CPI指標)首次達到1.0,達到世界先進水平,創造了國內電廠WANO-CPI指標達到世界先進水平的最快紀錄。1號機組首循環期間WANO-CPI指標一直保持在1.0。

正常運行及101大修隱藏返出試驗期間,2號SG排污Na+、Cl-、SO42-含量隨機組功率、溫度變化趨勢如圖2所示。

圖2 SG排污水質隨機組功率/溫度變化趨勢圖Fig.2 The variation trend of hideout return of impurities vs.time

從圖2可以看出,即使正常功率運行期間二回路水質控制良好,在機組降功率、降溫期間隱藏返回現象也很明顯,因此,有必要持續進行隱藏返回評估,建立SG健康評估的基準。

2.2 各雜質隱藏返回總量計算結果與分析

結合不同取樣點的對應熱工參數,及SG排污/給水取樣分析結果,輸入Chem Works軟件HR Project模塊進行隱藏返回量計算。本次SG隱藏返回試驗化學人員采用ICP儀器分析給水、排污水中陽離子,受制于該儀器檢測限影響,給水和排污水中某些離子的檢測結果因為低于檢測限而不能給出確定值,為保守起見采用參數檢測限值的一半作為計算數據,因此會增大雜質隱藏返回量及狹縫區域p HT值計算誤差,建議后續采用檢測限更低的分析儀器,進一步確保隱藏返回試驗計算及評估的準確性。表3為計算得到的SG雜質隱藏返回量。

表3 大修各個階段SG雜質隱藏返回量Table 3 The hideout return of impurities in the SG at different stages

表3 中可以看出,SG雜質隱藏返回量總體較少,總體上小于某核電站2008年、2009年及2010年3次隱藏返回試驗結果,遠小于法國核電廠80次隱藏返回試驗得到的典型值[6];整個試驗期間,熱態零功率至冷停堆期間大部分雜質離子的隱藏返回量明顯大于100%功率至熱停堆期間的雜質隱藏返回量,因此有理由認為隱藏雜質的返回主要出現在熱態至冷態期間,特別是Ca2+離子、Mg2+離子、SO42-離子。

根據SG雜質隱藏返回的機理和特點,一般情況下,從100%功率到熱停堆階段,隱藏返回的雜質主要來自傳熱管垢層底部;從熱停堆到冷停堆階段,隱藏返回的雜質主要來自SG狹縫(包括管板上方泥渣堆處、傳熱管與支撐板狹縫和傳熱管與管板狹縫),這說明雜質隱藏主要出現在SG狹縫中。對于Ca2+、Mg2+隱藏返回量及對應濃度隨SG隱藏返回研究時間而增加的原因進行分析,可以認為隨著熱停堆至冷停堆過程,Ca2+、Mg2+是微溶性離子且溶解度隨溫度的降低而增加,以至于形成的結垢物質溶解從SG狹縫中返回。

SG隱藏返回試驗時間對雜質隱藏返回總量的影響如圖3所示,大修期間某些化學物質的隱藏返回量表現為減少趨勢,通常是由于質量平衡不完全和取樣不具有代表性造成的,而不完全的質量平衡是因為傳熱管表面的結垢導致雜質離子向大空間水體返回不夠充分[5]。根據圖3可以清晰地看出,陰離子中F-的隱藏返回量最小,Cl-次之,SO42-較大,SiO2最大;陽離子中Cu和Pb的隱藏返回量最小,Na+次之,而Ca2+最大。其中Ca2+和SO42-等離子在疏水階段的隱藏返回量增加趨勢仍然明顯,因此,大修期間延長機組降溫的時間可以使雜質離子完全返回進入大空間溶液并通過排污水系統排出。

圖3 離子隱藏返回曲線Fig. 3 The hideout return of impurities vs.time

2.3 SG傳熱管結垢垢層底部、狹縫內部高溫p HT計算結果與分析

結合對應水裝量,計算SG雜質隱藏返回降功率階段和熱態零功率階段對應的雜質濃度,作為模擬計算高溫p HT的輸入值。圖4為利用軟件模擬計算SG傳熱管結垢垢層底部和狹縫內部在不同濃縮因子(CF)條件下的高溫p HT。

根據EPRI研究成果,正常運行狀況下,SG傳熱管結垢垢層底部的最大濃縮因子(CF)為103,而SG狹縫雜質的最大濃縮因子(CF)為106,即雜質質量濃度可以從大空間的10-6級最大濃縮到%級。當狹縫里出現大量的泥渣堆積,且泥渣堆積厚度高,空隙率小時,表現為最嚴重的雜質濃縮,此時達到最大的濃縮因子,伴隨的是局部狹縫將會出現局部蒸干現象,即SG二次側局部溫度與一次側溫度相同。因此在計算高溫縫隙化學p HT時降功率期間對應的傳熱管結垢垢層底部雜質的濃縮因子取值范圍設為10～103,熱零功率階段對應的狹縫內部的濃縮因子設為104～106。

根據圖4模擬結果,SG傳熱管結垢垢層底部在CF=10～103時高溫p HT值為5.99～7.13(對應中性p HT為5.60～5.58),結垢層底部呈弱堿性環境。SG狹縫內部在CF=104～106時高溫p HT為6.01～5.25(對應中性p HT為5.56～5.31),表明SG狹縫內部呈現弱堿至中性環境。另外,沉淀移除與否對SG傳熱管垢層底部的p HT基本無影響,而對于SG狹縫內部移除沉淀p HT較高。

圖4 SG傳熱管結垢垢層底部以及狹縫內部高溫p H T值Fig.4 The p H T modeling results of deposit on thetube surface and crevice in the SG

根據相關研究結果,p HT在3.5～10.5范圍內690合金發生腐蝕的可能性小[4]。

綜上所述,SG傳熱管垢層底部和SG狹縫內部高溫p HT在推薦的安全范圍之內,水質狀態較好,發生腐蝕的概率很低。

3 結論與建議

根據SG大修雜質隱藏返回試驗監測數據,對SG雜質隱藏返回量進行了計算并對其傳熱管局部區域狹縫化學環境進行了模擬預測,結果表明:

(1)SG正常工況運行期間二次側存在較少量的雜質隱藏,隱藏物主要為SiO2、Fe,其隱藏返回量分別為9.19 g、4.52 g、8.33 g、2.18 g和2.02 g;

(2)在不同的濃縮環境下傳熱管結垢垢層底部高溫p HT為5.99～7.13,呈弱堿性環境;SG狹縫區域內高溫p HT為6.01～5.25,呈弱堿至中性環境,均在推薦的安全范圍內,說明水質狀態較好,SG腐蝕風險較低;

(3) 試驗結果也表明,通過降低功率和采取零功率熱浸泡的方法,可減少縫隙內雜質離子的累積,降低傳熱管的腐蝕風險。建議在后續大修期間持續對SG開展隱藏返回評估,密切跟蹤各種雜質離子的隱藏狀態及變化趨勢,保障良好水化學工況控制。