M310機組硼回收系統V0值設置的初步研究

劉超杰 林佳

（中國核電工程有限公司 北京 100048）

M310機組硼回收系統為兩個反應堆共用，具有下列功能：收集化學和容積控制系統（RCV）下泄管線和核島疏水排氣系統（RPE）［1］的反應堆冷卻劑排水槽來的含氫反應堆冷卻劑；處理含氫的反應堆冷卻劑，以得到反應堆級的補給水和重量百分比為4%［2］的硼酸溶液，復用于反應堆冷卻劑系統；對來自化學和容積控制系統（RCV）系統的含硼濃度較低的反應堆冷卻劑進行除硼處理。由上述功能系統可分為3 個部分，即凈化部分、蒸發單元、除硼部分。

1 蒸發單元概述

蒸發單元用于將除氣后的堆冷卻劑分離成硼酸（濃縮液）和反應堆級補給水（蒸餾液）。硼回收系統設有兩套相同的蒸發單元，每個單元包括一臺蒸發器EV、一臺加熱器RE、一臺蒸發器蒸餾液冷凝器CS、一臺強制循環泵PO、一臺蒸發器蒸餾液泵PO 等設備。蒸發單元流程圖如圖1所示。

圖1 TEP蒸發單元流程簡圖

根據《除氣及蒸發單元設備技術規格書》的要求，蒸發單元應具有如下性能參數：蒸發能力3.85t/h、內部去污系數≥5×106、處理流體及不凝氣體出口溫度≤103℃、除氧系數≥1×102、蒸餾液硼含量≤5ppm、濃縮液硼含量7000～7700ppm、SVA 加熱蒸汽消耗量偏差+10%、額定流量下熱交換器（TEP001/002RE）的壓降≤0.012MPa。

蒸發單元的啟動、運行、停運是通過如下9個狀態進行定義的：狀態0 長期停運，蒸汽裝置的長期停運；狀態1 進料，向蒸發器和循環管線中加入料液；狀態2升溫，蒸發器開始由SVA 加熱蒸汽升溫；狀態3 全回流，蒸發器、加熱器和冷凝器運行；狀態4 濃縮液批量排放到濃縮液監測箱；狀態5生產，蒸餾液批量排放到蒸餾液監測箱；狀態6 熱備用，蒸發單元熱態隔離，循環泵運行，蒸餾液全回流；狀態7 強制冷卻，在蒸發器和循環管線內的料液被快速冷卻，當蒸發器在狀態6時，采用這個程序；狀態8 疏排，需要檢修時將蒸發器內的液體輸送到濃縮液監測箱，當蒸發器處于狀態0或狀態7 時，采用這個程序。本文涉及狀態3、狀態4、狀態5、狀態6，其狀態切換圖如圖2所示。

圖2 蒸發單元狀態3、狀態4、狀態5、狀態6切換圖

針對狀態4（濃縮液批量排放）的運行參數，又有如下要求。

TEP001/002RE：堆冷卻劑流量=115t/h；堆冷卻劑入口溫度=101℃；SVA加熱蒸汽進汽：最大流量=4.4t/h、來氣溫度=139℃；TEP003/004EX：至硼濃縮環路的堆冷卻劑 為2.1t/h；TEP003/004RF：蒸 餾 液 流 量=3.5t/h；TEP001/002EV：汽、氣混合物流量=3.85t/h；回流量=3.85t/h；頂部壓力=0.11MPa（絕壓）（相當于102.3℃純水的飽和蒸氣壓）；蒸發器出口二次蒸汽的溫度為102.6℃。

2 VO值的定義

本文涉及的參數做如下定義（取一號蒸發器討論）：TEP002/003/004BA 硼濃度C0、蒸發單元回路取樣濃度Cev、501QD計量值V0（由403MD計量）、503QD計量值V（由403MD計量）、蒸發器回路體積Vt、505QD計量值W（由405MD 計量）、目標平均硼濃度C、硼濃度變化值ΔC、批量排放硼濃度最大值Cmax。

蒸發單元將除氣后的廢液進行硼水分離得到蒸餾水和7000～7700ppm 的濃縮液的過程是通過交替排放蒸餾液和濃縮液實現的。第一次蒸餾液產量VO和隨后分批排放蒸餾液產量V是由計算得出并由累計流量計501QD 和503QD 累計。濃縮液產量W由累計流量計505QD進行累計并設定值250L。

蒸發單元第一次排硼瞬間濃縮液含硼量VtCmax，蒸發器內初始的濃縮液含硼量為VtC0（啟動前蒸發單元為空）或VtCev（啟動前蒸發單元已有硼酸溶液）。在蒸發開始到排硼瞬間，蒸發器內濃縮液含硼增加量V0C0。VtC0或VtCev與V0C0之和也是第一次排硼瞬間濃縮液含硼量，得到V0值計算公式：

而Cmax=C+ΔC/2，ΔC=W（C-C0）/Vt，可見V0值與C0及Cev有關。另外，通過硼酸質量守恒，也可以計算得到分批排放階段的體積蒸餾液產量V=W（C-C0）/C0，V值僅與C0有關。

3 VO值的異常分析

由上述對V0值的定義式可知，在“狀態5—狀態4—狀態5—狀態4”循環過程中，只需要在生產之前根據化學化驗結果C0、Cev人為設定V0、V，蒸發器可以自動完成整個生產過程。狀態5 濃縮階段V0、V分別由KSN 系統內置的計數器501QD、503QD 通過對蒸餾液排放流量計TEP403MD 累計計數，狀態4 批量排放階段W=250L由KSN系統內置的計數器505QD通過對濃縮液排放流量計TEP405MD 累計計數。而MD 能否正常工作［3］對于蒸發單元是否產出合格硼酸至關重要，過低濃度的產出硼酸不滿足復用要求，過高濃度產出硼酸則有很大可能結晶［4］。對蒸發單元V0、V常見的異常情況進行如下分析。

3.1 V0、V 設定值計數器501QD、503QD 還未走完，V0、V實際值計數器TEP403MD突然停止不走

實際生產過程中，由于SVA 通過RE 對蒸發器進行加熱并不能達到100%的熱效率，實現蒸餾液流量3.5m3/h 需要的SVA 蒸汽流量約3.9t/h。SVA 流量值設置得過小，導致蒸餾液流量也變小，并且在SVA流量較低的情況下，熱效率更低，蒸餾液排放流量計TEP403MD 在流量過小的情況下有一定死區，在死區范圍內，即使有蒸餾液流過，實際值計數器并不計數，設定值計數器501QD、503QD也不增加，這種情況會導致蒸發產出的硼酸濃度高于期望值。因此，在注意到這種情況發生時，優先觀察SVA流量值是否過小，蒸發器是否在額定工況下工作。

3.2 V0、V 設定值計數器501QD、503QD 走完了，而V0、V實際值計數器TEP403MD繼續走

如果V0、V實際值計數器接著剛剛開始走（可通過KSN已組態好的趨勢圖看出），可手動將蒸餾液槽進口閥TEP069VD/070VD 手動關死，強制避免蒸餾液的排放。但是實際上這種方法可操作性不大，考慮到走W值（250L）的流量為2.1m3/h（041DI孔板［5］流量值），整個505QD走完約僅需7min。所以多應按下述操作執行。

如果V0、V實際值計數器接著繼續走了很久，估計蒸發器內硼濃度已經超出正常值，那么進行蒸發器排硼操作時應慎之又慎：將蒸發器置于“狀態3”并報告主控，通知儀表人員處理故障，通知化學人員對蒸發器取樣分析硼濃度，根據硼酸溶解度曲線查出硼結晶的溫度值。

如果其硼濃度小于10 000ppm（硼結晶溫度大約28℃），因為正常排硼過程中的濃硼溫度最低為40℃，不存在硼結晶，所以可將V值適當減小，轉至“狀態5”，這樣即可使蒸發器內硼濃度回到正常值（7200ppm）。如果硼濃度大于10 000ppm 時，蒸發器排硼操作變得稍微復雜。通知儀表人員閉鎖蒸發器的高高液位開關（以便能使進料閥在蒸發器高高液位仍能開啟以及防止蒸發器返回“狀態6”）。從中間貯存箱中硼濃度較低的一個箱取水（以便稀釋蒸發器內硼溶液更具有效性），將蒸發器充至高高液位（490mm），但不應高于最高液位（650mm），防止硼進入冷凝器，千萬不能用SED水來稀釋（因為SED 未經預熱）。再次取樣分析硼濃度，蒸發器內硼濃度仍大于10 000ppm，可將V0、V值調到一個很小值（10 左右），進行反復排硼，且在濃硼排出時，將005RF 的冷卻水控制閥407VN 手動關小。保持其傳出的濃硼溫度大于其對應硼結晶溫度至少15℃（監視TEP427MT）。

如果排出的濃硼溫度需大于60℃時，通知儀表人員解除TEP407MT 在大于60℃時對濃硼排放閥TEP087VB禁止開啟的閉鎖，但注意不能將TEP407VN全關，否則排出的濃硼溫度將達到98℃左右，對TEP007BA 膠皮浮頂［6］老化壽命縮短將造成影響。最后，由化學人員來確認硼濃度達到7200ppm，即可恢復至正常狀態。切記在這種情況下不能強制排放，極易造成硼結晶。

3.3 根據化驗結果計算出V0值為負值

如果回路原來的硼濃度偏高（7200～10 000ppm），則計算出V0為負值。為了使蒸發器排出硼濃度達到正常值，將V0、V值設置為較小正值（10 左右），然后啟動蒸發器，由于蒸發回路的容積為1500L，每次排放的濃縮液體積為250L，經過6次排放后，蒸發回路中的硼濃度便降了下來，然后將蒸發器置于狀態3，重新化驗計算V0、V值。如果V0＞0，則可進行蒸發處理工作［7］。

4 對調試及運行的建議

4.1 建立硼回收系統V0、V計算表

蒸發單元在生產狀態以額定流量生產時，對于硼酸的濃縮效率較高，為避免過高濃度的硼酸引起意外結晶，快速得到所需要的設置的V0值及V值，減少異常狀況的響應時間具有一定的現實意義。而通過定義式，可將蒸發單元生產前所需設定的參數值做成Excel電子計算表格，如表1所示，可以實現上述目的。

表1 硼回收系統V0、V 計算表

在某核電3、4號機組硼回收系統蒸發單元的調試過程中應用該表格，減少了多次計算的工作量，提高了工作效率。

某核電運行一處也做了類似的計算表，如表2所示，不過他們的計算表未對計算中涉及的過程量予以顯示，也說明在調試和運行期間對于蒸發單元的參數關注側重點的不同。

表2 TEP 系統蒸餾液排放V0和V 值計算

4.2 關于取樣點改進建議

在某核電1、2號機組及3、4號機組硼回收系統蒸發單元的調試過程中，如果需要獲取批量排放硼濃度最大值Cmax或者蒸發單元回路濃度Cev，需要在TEP002/003ED處通過TEP593/594VB取樣，并需連接移動式冷卻器001ED進行冷卻。濃縮液監測槽TEP007BA的硼濃度監測也是需要通過罐體相連的191VB 進行取樣。通過取樣瓶手動接取后，到NX廠房的化學取樣間通過硼表［8］測量（約20min）后獲得所需濃度，整個取樣過程大概需要30min。考慮到減小化學取樣的工作量并節省時間，可以將上述取樣點引至取樣間并對管線敷設硼伴熱電纜，編制相應的取樣分析典型操作票，以規避人因失誤。

上述改進建議僅從生產角度出發，未考慮管線布置、輻射防護等因素，因此，如需進行技術改造，技術方案還需獲得原設計單位認可后方可實施。

5 結語

在TEP 蒸發單元的生產過程中，獲得合格濃度的硼酸是蒸發單元乃至硼回收系統的重要功能之一，而通過取樣的結果計算得到正確的V0、V值是生產得到合格硼酸的必要條件。本文就V0、V值的定義、設置及異常后分析及處理措施進行了初步探討，同時，結合調試經驗，編制了可用于生產實踐的硼回收系統V0、V計算表，并對取樣點改進提出了相關建議，旨在為今后TEP蒸發單元的調試、運行提供一定的借鑒和參考。