ASG 除氧裝置制水氧含量異常的原因分析及處理

周興凱

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

ASG 系統除氧裝置，用于將pH 值為9 的SER 系統的除鹽水除氧后為輔助給水水箱ASG001BA 的初次充水和補水，也用于處理pH 為7 的SED 水為反應堆補給水箱初次充水和補水。

秦山第二核電廠對反應堆補給水箱及輔助給水水箱水質的氧含量要求為溶解氧＜0.1 mg/kg， 而除氣裝置能使水中溶解氧的總含量保持在0.1 ppm 以下，但投運以來，除氧裝置運行時經常出現氧含量偏高的情況，尤其是在長期備用狀態后重新啟動時，氧含量超標現象顯著。

1 除氣裝置的組成

兩臺機組共用一套除氧裝置，它布置在一號機組的常規島廠房。 這項設備包括一套除氧裝置，其中有：

（1）兩臺除氧器給水泵（9ASG005PO/006PO）用于泵送除氧水。 一臺泵運行時， 另一臺泵備用。 此外，006PO 還用于對ASG 水箱的水進行再處理。 9ASG00 5PO 由一號機組從配電盤LLA 供電，9ASG006PO 由二號機組從配電盤LLA 供電。柴油發電機作為泵的應急電源。 如果是在運行中失去LLA 電源，則9ASG005PO 和9ASG006PO 所屬的啟動接觸器仍保持接通狀態， 泵停運，一直持續到柴油 發電機提供的應急電源使電源恢復。

（2）一臺除氧器（9ASG001DZ）；

（3）一臺再生熱交換器（9ASG001EX）；

（4）一臺冷凝水冷卻器（9ASG001RF）；

（5）一臺非再生熱交換器（9ASG002RF）。

2 除氣裝置的運行流程

除氧裝置運行流程主要包括升溫、除氧、生產三種模式，其流程原理圖如圖1 所示。

圖1 除氧裝置流程原理圖

（1）升溫：這一工況的目的是蒸汽進入管束使除氧裝置內的水升溫。 除氧裝置在空氣覆蓋下充水到正常水位，按下啟動按鈕后，打開蒸汽入口閥門，使蒸汽緩慢進入除氧裝置的加熱管束，對除氧裝置內的水進行加熱，為了獲得均勻加熱的效果，循環泵啟動從除氧裝置中吸水，然后經過三通閥進行裝置內水的再循環，直到除氧器內溫度加熱至80℃時，除氧器發出除氧指令，開始向除氧模式轉變。

當除氧裝置內的溫度較低時， 其空氣的分壓較大，造成除氧裝置內的氣體中空氣的含量也較高。 為了保證在盡量短的時間內使除氧裝置內的水升溫和使其內部的空氣釋放，需要利用控制器將蒸汽的入口閥保持全開，并開啟該裝置的排氣閥。

（2）除氧：除氧指令發出后，蒸汽持續進行除氣裝置的加熱，并開始計時，在發出除氧指令17 分鐘后除氧裝置將向生產模式轉換， 需保證在17 分鐘內將除氧器內溫度由80℃加熱至105℃。 直到除氣裝置內部壓力維持在0.12 Mpa、溫度升高至105℃后維持，此時排氣閥打開，完成裝置內水的循環除氧，此過程持續17 分鐘，然后向生產模式轉換。

值得注意的是，水溫達到額定溫度后，并不代表著氧含量已經合格，此時水仍需要進行約5 次左右的再循環，保證氧含量滿足要求。 這個過程中，溶解水中的氧氣被蒸汽流不斷的排放出去。

（3）生產：除氧指令在發出17 分鐘后，生產三通閥開始由循環位置向生產位置轉換， 此過程需要10分鐘，此時裝置由再循環加熱轉換為生產方式，即向外輸送除氧水，而補水通過熱交換初步加熱后從除氧裝置的頂部噴灑而出，完成加熱除氧。

（4）保養：保養模式是將除氧裝置的蒸汽管束側處于氮氣覆蓋之下，以保證長期停運時有最佳的保養條件，防止氧氣等物質對設備的腐蝕。 當蒸汽壓力已降到0.15 MPa 時，由運行人員在控制臺上給出這個信號。 此種模式是針對設備的使用壽命考慮的，與除氧裝置運行除氧沒有絕對關系。

3 除氧裝置除氧的運行原理

常見的給水除氧的方法有化學除氧和熱力除氧兩種。 化學除氧的優點是可以徹底除氧，但由于加藥價格高， 只能除去一種氣體及要生成鹽類等缺點，故電廠中較少單獨采用這種方法。 熱力除氧雖然不能徹底除氧，但它除去氧氣的同時也除去了其他各種活性氣體，它不需要加藥又無鹽類生成，故在電廠中被廣泛采用。

3.1 化學除氧

化學除氧是向水中加入化學藥劑，使水中的溶解氧與它發生化學反應， 生成無腐蝕性的穩定化合物，達到除氧的目的。 該方法能夠徹底除氧，但不能除去其他氣體，且價格昂貴，還會生成鹽類，故在電廠中極少單獨采用這種方法。 目前，廣泛采用的是在給水中加聯氨（NH）， 它不僅能除氧， 還能提高給水的pH值，同時有鈍化鋼銅表面的優點。

聯胺（NH）除氧原理： NH＋O→N+2HO。

3.2 熱力除氧

熱力除氧的原理是將水加熱至沸點，使氧的溶解度減小，水中的氧不斷逸出。 熱力除氧原理是根據氣體溶解定律建立亨利定律和道爾頓定律來除掉水中溶解的氧及其他氣體的。 為了保證熱力除氧裝置具有可靠的效果，在設計和運行上還應滿足下列條件：（1）增加水與蒸汽的接觸面積，水流分配要均勻；（2）保證氧氣在水中的溶解壓力與水面上它的分壓之間有壓力差；（3） 保證使水被加熱到除氧裝置工作壓力下的沸騰溫度，一般采用105℃。

亨利定律：

亨利定律反映了氣體的溶解和離析規律，若無化學反應發生，在一定的溫度下，液體溶解氣體的量與液體上方該氣體的平衡壓力成正比。 氣體在溶液中的溶解和離析是一個動態過程，若水面上某氣體的實際分壓力低于水中溶解氣體所對應的平衡狀態壓力，則該氣體就會在不平衡壓差△P 作用下自水中離析出來，直至達到平衡狀態時為止。 反之，將會發生該氣體繼續溶于水中的過程。 如果能使水面上某氣體的實際分壓力為零，在不平衡壓差作用下就可把該氣體從水中完全除掉。

道爾頓分壓定律：

某一氣體在氣體混合物中產生的分壓等于在相同溫度下它單獨占有整個容器時產生的壓力相同；而氣體混合物的總壓強等于其中各氣體分壓之和，即氣體分壓定律，用公式表示為：

Pd=Ps+Pa。

式中：Pd，Ps，Pa 分別為除氧器中氣體總壓力，蒸汽分壓力，空氣分壓力。

因此，熱力除氧必須具備以下幾個條件：（1）快速將水加熱到相應壓力下的飽和溫度的傳熱條件，并在除氧器內有一定的滯留時間。（2）給水應有足夠與加熱蒸汽接觸的表面積，保證良好加熱效果。 （3）保證給水在除氧器內為紊流狀態，增加氣體的擴散速度。 （4）使氣體從水中迅速離析并排走的傳動、傳質條件，降低除氧器內氣體的分壓力。（5）保持加熱蒸汽與給水逆向流動，使給水中的氣體加速分離。

實踐表明：前三個條件較易滿足，而后兩個條件是徹底除氧的關鍵，也是除氧裝置能否正常工作的主要因素。

秦山第二核電廠的ASG 除氣裝置采用的是噴霧式除氧裝置，就是基于亨利定律和道爾頓定律，依靠一個調節加熱蒸汽的壓力調節器對除氧器本體進行加熱，噴嘴以霧的形式將水噴出，使除氧器的絕對壓力維持一個定值； 需要除氧的除鹽水被送到除氧器的頂部，噴嘴以霧的形式將水噴出，液相霧滴與加熱蒸汽接觸，蒸汽和霧滴進行接觸傳熱，由于霧滴的換熱系數為13～15 kW/（m*℃）， 瞬間可將霧滴加熱至飽和溫度，除鹽水被加熱后析出不凝氣體，從排氣管線排走。

4 AS G 除氣裝置運行異常原因分析及處理

4.1 ASG 除氣裝置運行異常現象

自2018 年至2021 年期間，秦山第二核電廠在啟動除氧裝置為下游水箱制除氧水時，發生十余次氧含量超標的情況， 并且在達到生產位置后40 分鐘氧含量依舊在200 ppb～400 ppb 之間波動且無下降趨勢，其中氧含量最高時達到1 200 ppb， 造成下游水箱水質變差，被迫緊急將除氣裝置停運。

4.2 氧含量不合格的原因及處理

4.2.1 補水溫度低及補水流量大

補水的溫度低以及補水流量過大時，蒸汽流量不能滿足加熱需求，除氧裝置內的水未能加熱至壓力下的飽和溫度，氧氣不能有效去除，此種情況在冬季時尤為明顯。

處理方式：冬季補水溫度較低時啟動除氣裝置需要將除氣裝置的制水流量調小，保證補水能快速被加熱至飽和并排除溶解氧。

4.2.2 蒸汽流量波動大，除氧裝置內部壓力波動大

在除氧裝置觸發生產指令后，三通閥由循環位置轉為向生產位置所需的動作時間為十分鐘，而在生產指令發出五分鐘時，氣動的排氣閥會自動關閉，若此時入口蒸汽調節閥動作緩慢，或由于慣性原因造成除氧裝置內的壓力劇烈的變化；在手動控制期間以及自動控制初期， 除氧器內部壓力往往由于控制原因，導致內部壓力波動較大，由于溫度的慣性相比壓力的慣性要大，造成除氧裝置內的水的溫度跟不上壓力的變化，即水溫低于氣壓對應的飽和溫度，除氧水中排出的氧出現復溶的現象，水的氧含量增加。 因此，保證除氧裝置壓力的平穩，是保證氧含量合格的重要基礎。

處理方式：在手動控制期間緩慢調節蒸汽流量調節閥，并在壓力穩定后進行無擾切換，以及在生產階段的前期，需要進行生產水的沖洗，在除氧裝置運行穩定且氧含量合格后切換至接收罐。

4.2.3 排氣不足，離析出的氣體復溶

秦山第二核電廠在ASG 除氣裝置投運期間多次出現氧含量不合格的情況，并且在持續運行40 分鐘左右后氧含量依然保持在400 ppb 左右不下降， 氧含量最高為1 200 ppb，對除氧器啟動后的溫度、壓力、氧含量數據進行統計分析，見表1 中除氧器運行參數。

表1 除氧器運行參數

由運行參數可以看出，在除氧器溫度和壓力滿足飽和水的壓力溫度值時，水中的氧含量值最低，滿足水質要求；在水中氧含量過高時，主要原因在于水的溫度低于除氣塔運行時壓力對應的飽和溫度。

這是近年來除氧裝置除氧不合格的主要原因，通過對除氧裝置運行的數據分析，可以看出，除氧裝置達到生產狀態時，除氧水的溫度未達到內部壓力下的飽和溫度，內部壓力過高，通過對排氣閥及排氣管線的排查，發現排氣管線由于管線布置原因，在某一段位置上存在水封的可能性， 在除氧裝置長期備用后，冷凝水不斷積聚最終形成水封，導致排氣不足。

處理方式： 臨時消除水封的方式主要有兩種：正壓法排水和負壓法排水。 下面分別對兩種方法的可行性進行分析。

（1）正壓法排水。

現場排氣管線上水封管線部分的長度約9 m，排氣管線經過水封管線部分后向上延伸約30 m 后與大氣相同，所以要想通過正壓方式將水封排除，需要克服最少9 m 水柱形成的壓力，下面對正壓法將水排除所需要的壓力進行計算。

除氧裝置所需內部壓力計算：

P=P+ρgh

P=1.013×10Pa+1×10kg/m×9.8 N/kg×9 m

P=1.895×10Pa

式中：P為除氣塔壓力；P為大氣壓力；ρ 為水的密度；g 為重力加速度；h 為水柱高度。

通過上式計算， 在忽略管線的阻力的情況下，排除水柱所需的除氧器壓力為2.483×10Pa。

設計上為了提供除氧裝置的超壓保護，在除氧裝置底部安裝有一個安全閥，安全閥的設定值為1.4×10Pa，即除氧裝置能提供的最大壓力不能滿足將水封排除的壓力要求。

（2）負壓法排水。

負壓法排水法是通過對除氧裝置進行排水，使其內部形成微負壓，從而將水吸入除氧裝置內部。 現場排氣管線上水封管線部分的長度約9 m， 但水封所在高度與除氧裝置排氣管線安裝位置相差約1 m， 即水封管的水若想回到除氧裝置內部，只需克服1 m 的水柱所形成的壓力，下面對負壓法將水排除所需要的壓力進行計算分析。

除氧裝置所需內部壓力計算：

P=P-ρgh

P=1.013×10Pa-1×10kg/m×9.8 N/kg×1 m

P=0.915×10Pa

式中：P為除氣塔壓力；P為大氣壓力；ρ 為水的密度；g 為重力加速度；h 為水柱高度。

排水量的計算：

整個除氧裝置的容積為7 m，正常水容積為3 m，氣容積為4 m由理想氣體狀態方程可得：

P×V=P×V

1.013×10Pa×4m=0.915×10Pa×V

V=4.428 m

V=V-V=0.428 m

式中：P為排水前除氧裝置內壓力，為常壓；P為排除水封所需除氧裝置內部壓力；V為除氧裝置正常氣容積；V為排水后除氧裝置氣容積；V為所要排水體積。

通過上面計算知，只需將除氧裝置內部壓力降低至0.915×10Pa 即可將水封消除，且滿足除氧裝置的設計承壓要求，而實際的排水量為0.428 m。

通過上述計算，通過手動對除氧裝置排水0.428 m，將壓力由常壓降至微小負壓，從而使水封吸回到除氧裝置內部的方法可行，并經實際驗證效果明顯，能很好地解決除氧裝置運行異常的問題。

5 運行建議

（1）根據運行實踐表明，除氧裝置排氣管線堵塞主要發生在長期熱備用狀態之下，在此狀態之下除氧器內的水蒸氣進入管線會在管線內發生冷凝，從而導致水封，建議優化除氧裝置的運行方式，減少熱備用時間。

（2）雖然通過上述方式可以解決水封問題，但給實際生產運行帶來了負擔，建議將排氣管線進行重新布置，設置成慢坡狀態避免U 型管線的存在，從而避免形成水封，或在可能形成水封的排氣管線上增加疏水裝置，保證凝結水的有效排除防止水封形成，從而防止復溶現象。

（3）由除氧裝置運行原理可知，循環除氧狀態向生產狀態轉換是由時間控制的，若在發出生產指令時溫度不能達到對應壓力的飽和溫度105℃時， 氧含量不合格的水就會流入下游罐子，造成罐子中的水氧含量超標， 建議在向生產狀態轉換條件中增加溫度要求，可以避免上述情況的發生。

6 結語

本文通過對ASG 系統的除氧裝置運行時的氧含量異常進行分析， 確認了造成氧含量高的根本原因，找到了有針對性的解決方案，并通過計算論證得出排除水封所需要的壓力值及需要排水的體積，為故障的排除提供了理論基礎，并提出增加疏水管線的方式徹底消除水封及增加生產狀態轉換條件，提高了除氧裝置的運行可靠性，同時對其他除氧裝置的運行具有一定的借鑒作用。