設備冷卻水系統水質異常解決方案優化

朱亞超，梁 魁，蘭萬里，余 濤，溫振洲，陳 宜

（中國核動力研究設計院，四川成都 610213）

0 引言

反應堆作為一個復雜高效的能量發生系統，在能源、軍工、科研等方面承擔著重要角色，應用前景廣闊。反應堆一回路冷卻劑系統作為導出反應堆堆芯熱能的關鍵，在反應堆長期運行中發揮著不可替代的作用，必須引起足夠的重視。設備冷卻水系統作為反應堆一回路的輔助系統之一，主要用來冷卻一回路中的設備，發揮著舉足輕重的作用。該系統主要由設備冷卻水泵、波動箱、熱交換器以及其他閥門、管道、儀表等器件組成，在正常運行工況下向接觸一回路帶放射性介質的設備提供除鹽冷卻水，與相應設備發生熱交換，將熱量傳送至最終熱阱。另外，本系統屬于閉式循環回路，介于被冷卻設備和環境原生冷源之間，是防止放射性物質向環境泄漏的重要屏障。設備冷卻水系統長時間循環冷卻后，會出現水質污染、離子過飽和，進而形成大量晶核吸附于換熱器表面，時間一長就會出現結垢，影響設冷水與設備之間的熱交換效率，甚至會產生設備管道腐蝕、漏水等現象，不利于反應堆的長時間穩定運行。因此，監測設備冷卻水系統水質，確保設備冷卻水水質合格就顯得尤為重要。

2015 年，蔣大東[1]針對田灣核電站設備冷卻水系統水質異常現象，分析了造成水質異常的具體原因，并詳細地介紹了技術改造和優化的過程，為我國核電廠在控制核島設備冷卻水水質方面提供了一定經驗。2019 年，金益強[2]等人對核電廠設備冷水結垢、造成腐蝕等水質問題進行了一一分析，并分享了其公司在pH 值控制、氯離子控制、微生物控制等方面的方法。2013 年，楊廷[3]等人分析了重要廠用水系統（SEC）水力學設計和RRI/SEC換熱計算的邊界條件和設計輸入，計算了熱負荷區的邊界值為低溫場址條件下，RRI/SEC 傳熱運行方式提供了重要的設計參考。2020 年，歸東偉[4]針對秦山核電站設備冷卻水系統在冬季運行中遇到的問題做了充分的分析與探討，并最終給出了合理的運行方案。截至目前，關于核電等商用反應堆設備冷卻水系統的研究已有很多，但是針對研究堆的設備冷卻水系統，卻鮮有報告。因此，總結研究堆水質問題，優化水質問題解決方案，就顯得尤為必要。

1 設備冷卻水再充水問題

根據研究堆水質監督運行規程，每月都會有取樣人員在現場對本系統水質進行檢測。而現場人員測得的設備冷卻水水質檢測分析單表明，設備冷卻水系統水質經常出現電導率偏高等情況，見表1。

表1 設備冷卻水水質檢測分析單

1.1 設備冷取水異常原因排查

電導率的大小主要取決于溶質鹽在水中的離解度及離子的遷移速度，而離解度及遷移速度會受溫度的影響，電解質溶液不變的情況下，溫度越高，電導率越大。

針對此種情況，現場運行人員多次進行排查分析驗證，主要包括：①設備冷卻水溫度干擾；②與一次屏蔽水系統的連接閥門內漏導致設備冷卻水被污染；③逆變電源應急冷卻水的銅質管路腐蝕等。

針對設備冷卻水的溫度影響因素，現場工作人員分別測量了不同負荷狀態下設備冷卻水的電導率情況，通過查閱記錄發現，不同負荷狀態下設備冷卻水溫度變化不大，并且檢測結果表明溫度對設備冷卻水電導率的影響并不明顯。

針對一次屏蔽水系統閥門內漏的可能性，考慮到一次性屏蔽水中添加了鉻酸鉀作為系統水的緩蝕劑，如果閥門內漏，那么設備冷卻水中的CrO42-必將大幅超標，現場工作人員通過檢測設備冷卻水中鉻酸根離子，發現其含量微乎其微，這表明鉻酸根離子并不是影響電導率的主要原因，見表2。

表2 設備冷卻水水質檢測結果

設備冷卻水系統銅質管路腐蝕因素對電導率的影響，根據水質分析結果，銅離子含量與設備冷卻水電導率關系無明顯對應關系，見表3。

表3 設備冷卻水水質檢測結果

1.2 現有設備冷卻水系統換水方案的弊端

若無法判斷是何原因引起的設備冷卻水電導率超標，就要對整個冷卻水系統進行換水：根據該系統設計指示，此時應該先打開去反應堆放射性廢水箱閥門，將系統水排放至此；然后，通過引入二回路備用水艙的備用水源，為系統重新充滿水。根據現場實際操作情況，這種操作存在以下缺點。

（1）換水耗時過長。設備冷卻水排放過程中，為保證系統管路不合格的冷卻水完全排空，不僅要打開放射性廢水貯存箱手動閥門，還要打開各個被冷卻設備的低點放水閥。在確保不合格冷卻水放空后，逐一關閉低點放水閥，再打開各被冷卻設備的高點放氣閥，才能將二回路備用水艙的水引入系統進行補水。當各被冷卻設備的高點放氣閥有連續水流出時再將其對應放氣閥關閉，直至最高處控制棒驅動機構的高點放氣閥有水流連續溢出，關閉其對應高點放氣閥，此時系統管路已充滿水，關閉系統充水閥。然后需要將兩臺設備冷卻泵輪流啟動，使系統內冷卻水沿管道循環流動，并間隔打開系統各高點放氣閥排放管路殘余氣體，然后再次充水至高點放氣閥出水為止。之后還需對設備冷卻水波動箱充氣建壓，以便維持系統運行壓力，調節設備冷卻水體積波動，整個操作下來耗費大量時間。

（2）耗費項目資金。此系統管道內不合格的冷卻水排放至反應堆放射性廢水箱，并將按照放射性廢水進行處理，而放射性廢水處理成本相比普通廢水要高很多?？紤]到管道內充水量大，并且放射性并沒有超標，因此，這將耗費大量放射性廢水處置資金。

（3）存在放射性危害。整個再充水過程，操作人員需要在反應堆放射性區域和非放射性區域內觀察各個被冷卻設備的排氣情況，考慮到放射性區域系統布局復雜，操作人員在里面來回走動，會受到放射性照射。

2 水質處理優化方案的提出

針對以上設備冷卻水系統的再充水方案，運行組相關人員結合本系統及相關聯系統的設備和管道的實際布局情況，提出了利用補水系統串洗設備冷卻水系統的解決方案。

2.1 水質處理優化方案

設備冷卻水系統如圖1 所示，若從S1 閥門引入補水系統，將會有5 個放水位置，分別為閥門S2、S4、S7、S10、S12 處，考慮到應盡可能使補水系統進水流經設備冷卻水管道替換原有不合格水質，且不向放射性廢水貯存箱排放沒必要的廢水，所以最終提出關閉S11 閥門，從S7 閥門處排放不合格水質，這樣補水系統來水先后經S1、設備冷卻水泵、設備冷卻水熱交換器、被冷卻設備，最后從S7 排到非放射性廢水箱，整個換水過程除了設備冷卻水波動箱，幾乎全部不合格水質都將被排換。所以為更加全面地排換不合格水質，最終排換水方案確定為：首先排換設備冷卻水波動箱內不合格水質，即先打開S10 閥門，排放波動箱內不合格水質到非放射性廢水箱，一邊排放一邊觀察波動箱內壓力下降情況，待波動箱內壓力達到0.1 MPa，關閉S10，打開S1 并啟動補水駁運系對系統進行補水，待波動箱內壓力上漲到0.2 MPa，關閉S1 并停止補水駁運泵，繼續打開S10 進行波動箱排換水。如此重復2 到3 次，確保波動箱內水合格，然后開后S7 閥門，將S6 和S8 管道間的存水放干凈，關閉S11 打開S6 閥門，同時打開S1 閥門引入補水系統水流，并啟動補水系統的補水駁運泵，開始對循環管路進行排換水作業，換水過程同樣注意將波動箱內氣壓控制在0.1～0.2 MPa即可。

圖1 設備冷卻水系統

考慮在此過程中，S7 閥門排水速率慢于S1 閥門補水速率，因此，當波動箱壓力達到0.2 MPa 時，應該關閉補水駁運泵和S1 閥門，波動箱壓力會在排換水過程不斷下降，而當波動箱壓力快要到達0.1 MPa 時，打開閥門S1 并啟動補水駁運泵送水至波動箱壓力再達到0.2 MPa。如此反復4～5 次，即可將設備冷卻水排換完成。換水過程需要注意，設備冷卻水泵和設備冷卻水熱交換器都為一備一用設備，因此，換水過程中在某一路水質合格后，要切換至另外一路設備。

優化后方案的設冷水電導率隨換水時間變化關系如圖2 所示，換水25 min 后，設冷水電導率下降明顯且已合格，之后電導率上升，是因為此時將管路切換至備用設備冷卻水泵和設冷水熱交換器。而后設冷水電導率快速下降至合格。

圖2 優化后方案的設冷水電導率隨換水時間變化關系

2.2 優化方案的優點

與之前排放水方案相比較，該方案具有以下優點：①節約時間，原來方案換水可能需要14 h 才能完成，該優化方案整個換水過程只需要2 h，每次可以省去不少處置時間，為項目工程節約了一定時間；②減少向放射性廢水貯存箱的排水量，節省放射性廢液處置資金；③該方案操作簡單，節約人工成本，可操作性更強；④操作人員不用進放射性區域進行操作，不用穿防護服，減少了職工受放射性輻射劑量，保護職工人身安全。

3 結語

通過對設備冷卻水異常水質前后解決方案對比，可以看到，相比之前解決方案，優化后的方案明顯減少了處理時間，避免了繁瑣的操作步驟，減少了不必要的放射性廢水產生量，節省了大量放射性廢水處置資金，運行人員也不用進入反應堆放射性區域操作，避免了不必要的放射性照射。因此，有理由相信優化后方案是值得肯定與執行的。