核電廠用水流程設計優化實例

于 淼，顧 鈺，楊振宇，萬維進，桂璐廷

核電廠用水流程設計優化實例

于 淼，顧 鈺，楊振宇，萬維進，桂璐廷

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

針對核電廠總體用水量大，用水去向不明確，廢水綜合利用不徹底等問題，本文以某核電廠初可研階段用水設計為研究基礎，結合生產經驗，對用水排水流程進行了優化。通過對全廠采用高效節水措施和廢水綜合利用工藝，實現廢水的梯級利用、分類處理、分質回用。用水流程優化后，降低了核電廠淡水取水量，保證了全廠節水及廢水的綜合利用，為該核電廠后續水工、化學設計提供參考。

核電廠；節水；化學設計；廢水綜合利用

核電廠廠址的選擇有較大局限性，必須在特定的區域內選擇合適的廠址。目前，許多缺水或供水能力不足的地區需要建設核電廠，當地水資源不能滿足常規核電對用水量的需求[1]。因此，如何通過優化用水流程實現節水及廢水回用，直至最終全廠廢水的零排放，是核電規劃建設中必須解決的問題。目前國內外對于優化電廠的用水流程，火電廠研究頗多，核電廠鮮有報道。

本研究結合某核電廠初可研階段用水流程實例，分析了核電廠節水措施和廢水綜合利用工藝在具體工程實踐中的應用，為該核電廠后續水工、化學設計提供參考。

1 某核電廠初可研階段用水設計現狀

該電廠采用城市污水處理廠及再生水廠中水作為全廠工業水源，經廢水處理站深度處理后用于冷卻水系統補水、除鹽水制備等。采用水庫水作為施工和運行期間生活用水。凝汽器采用表凝式間接空冷系統冷卻。輔機冷卻及重要廠用水采用二次循環的機械通風冷卻塔冷卻。

含油廢水經除油處理裝置處理后返回廢水處理站處理；精處理再生廢水，空冷島回水，部分生活污水處理系統出水返回廢水處理站處理，除鹽水系統廢水全部返回廢水處理站處理；冷卻塔排污水進入廢水處理站，處理達標后再次作為工業水源。水量平衡圖如圖1所示，各用排水工藝在初可研階段尚未給出。

圖1　四臺機組正常運行時設計水量平衡圖

水平衡圖顯示，輔機冷卻塔平均日補水量為 7 200 m3/d，蒸發及風吹損失水量為5 280 m3/d，冷卻塔排污水量為1 920 m3/d，該系統循環水總量為4×3 850 m3/d，按風吹損失率 0.05%計，風吹損失水量計算值約為185 m3/d，蒸發損失水量約為5 095 m3/d，據此計算可知輔機冷卻塔循環水設計濃縮倍率約為3.42倍，計算公式如下：

重要廠用水系統冷卻塔平均日補水量為4 800 m3/d，蒸發及風吹損失水量為3 360 m3/d，冷卻塔排污水量為1 440 m3/d，該系統循環水總量為4×2 700 m3/d，按風吹損失率0.05%計，風吹損失水量計算值約為130 m3/d，蒸發損失水量約為3 230 m3/d，據此計算可知重要廠用水冷卻塔循環水設計濃縮倍率為3.06倍，計算公式如下：

目前該設計方案中存在的主要問題：

（1）原設計中城市污水處理廠及再生水廠中水、冷卻塔排污水、除鹽水系統回水、精處理再生廢水、含油廢水及其他生產廢水，部分生活污水處理系統出水，空冷島回水等均在一座廢水處理站進行集中處理。但這些水的水源和水質各有不同，該設計僅考慮了水量的平衡，沒有考慮廢水“分類收集，分質處理回用”的原則和鹽量平衡問題。

（2）根據原設計數據，重要廠用水系統冷卻塔和輔機冷卻塔的設計濃縮倍率分別為3.06倍和3.42倍，濃縮倍率偏低，可根據實際水質檢測結果確定是否可以進一步提高濃縮倍率。

（3）各系統用排水工藝沒有給出。

2　用水流程優化

2.1　用水流程優化原則及方案的確定

針對初可研用水設計方案的問題，將用水流程優化原則確定為：提高循環水濃縮倍率，對工業廢水分類回收、分質處理，實現階梯用水，最終實現節水及廢水的綜合利用[2]。

因此，廢水處理站應設置不同的廢水處理系統，可進行如下優化：

中水處理系統：處理城市污水處理廠及再生水廠來中水，以及相似水質的廢水，如含油廢水處理系統出水及生產廢水、除鹽水系統過濾設備自用水、空冷島回水等。出水作為冷卻塔補水、除鹽水制備系統水源及生產用水；

冷卻塔排污水處理系統：處理重要廠用水系統冷卻塔排污水、輔機冷卻塔排污水，以及相似水質的其他廢水，如除鹽水制備系統反滲透濃水、離子交換器再生廢水。出水作為冷卻塔補水；

精處理再生廢水處理系統：處理凝結水精處理再生廢水；

雨水處理系統：將廠區雨水收集系統收集的雨水進行深度處理，出水回用于冷卻塔補水；

零排放系統：對末端廢水進行濃縮、固化處理；

污泥處理系統：設置污泥池收集各系統排出的污泥，上清液回至相應系統入口，濃縮污泥用壓濾機分別進行壓濾，濾液分別回至相應系統入口，泥餅外運處理。

2.2　冷卻水系統優化及冷卻塔排污水回用

2.2.1冷卻水系統優化

根據原設計數據，重要廠用水系統冷卻塔和輔機冷卻塔的設計濃縮倍率分別為3.06倍和3.42倍，耗水量8 640 m3/d。通過對城市污水處理廠中水水質分析，結果如表1所示。

表1　城市污水處理廠中水主要水質分析結果

表1中水質分析數據表明水為中等含鹽量水，堿度、硬度也較高；COD、氨氮和總磷含量未達到城鎮污水排放一級B排放標準的設計要求[3]。該水質的水必須經過深度處理后才能用作冷卻塔補水[4]。根據實際運行經驗，中水采用石灰-混凝工藝處理后，預計冷卻塔濃縮倍率可提高至5倍（具體濃縮倍率建議通過模擬試驗確定）。冷卻塔補水及排水水質預測指標如表2所示。

表2　冷卻塔補水及排水水質預測

續表

水質指標單位冷卻塔補水冷卻塔排水 溶解總固體mg/L≤800≤4 000 CODmg/L≤40— 氨氮mg/L≤5— 總磷（以P計）mg/L≤0.50—

通過對冷卻水系統進行優化，將冷卻塔濃縮倍率提高至5倍，輔機冷卻塔排污水量將由設計值1 920 m3/d降低至1 089 m3/d，重要廠用水冷卻塔排污水量將由設計值1 440 m3/d降低至678 m3/d。與優化前相比，冷卻塔排污水量可減少1 593 m3/d。

2.2.2冷卻塔排污水回用

冷卻水系統運行優化后，冷卻塔排污水量為1 767 m3/d，其經過循環、濃縮，含鹽量、硬度、COD等有機污染物含量均較高，其水質與除鹽水制備系統再生廢水和除鹽水制備系統反滲透濃水水質類似，可共同預處理后經過反滲透脫鹽回用。具體工藝方案如圖2所示。

吹牛！我也用這個詞回敬她。我干了六年，從來就沒碰上美女同事。拋光這活兒忒臟，上班時要戴口罩系圍裙，哪個女孩愿意做？何況她這么漂亮的女孩，干拋光豈不是暴殄天物了？

圖2　冷卻塔排污水處理工藝方案

排污水和反滲透濃水混合后通過臭氧—生物活性炭工藝降低有機物含量。臭氧生物活性炭出水與除鹽水制備系統再生廢水混合后進入高密度沉淀池進行軟化，軟化后出水采用超濾進行過濾，超濾系統自用水率為10%。高密度沉淀池排泥采用污泥脫水機脫水，脫出水與超濾系統自用水回至高密度沉淀池前，脫水后干泥外運。超濾出水進入反滲透系統濃縮脫鹽，反滲透回收率80%，反滲透產水作為冷卻塔補水，反滲透濃水進入納濾系統進一步濃縮。納濾系統控制回收率為50%，納濾產水回至反滲透系統，納濾濃水送至零排放系統。

該工藝方案能有效降低來水有機物含量，有利于提高后續軟化工藝混凝澄清效果。通過高密度沉淀池使軟化后出水致垢離子含量小于10 mg/L，有利于提高后續反滲透系統回收率。整體工藝可達到回收率90%。

2.3　除鹽水系統廢水回用

除鹽水制備系統廢水包括過濾設備自用水、反滲透濃水、混床再生廢水。除鹽水制備系統設計產水水量為7 700 m3/d，按照反滲透回收率75%、過濾設備自用水率10%[5]計算，過濾設備自用水水量為1 141 m3/d；反滲透濃水水量為2 567 m3/d。再生廢水離子主要由陰樹脂、陽樹脂再生過程帶入，混合后主要為NaCl鹽溶液，不同種類廢水主要水質預測指標如表3所示。

表3　除鹽水制備系統不同種類廢水主要水質估算結果

除鹽廢水回收工藝方案如圖3所示，將除鹽水制備系統中含鹽量相近的反滲透濃水和再生廢水回至冷卻塔排污水處理系統進行處理，過濾設備自用水水質懸浮物含量會有所增高，因此將該部分廢水回至中水處理系統進行處理。

圖3　除鹽水制備系統廢水處理工藝方案

2.4　精處理再生廢水回用

精處理再生用水水源為除鹽水，水量為1 360 m3/d。該部分高鹽廢水所占比例為30%，其余70%再生廢水為低鹽廢水。按此計算，高鹽廢水水量為408 m3/d，低鹽廢水水量為952 m3/d。根據生產經驗，精處理再生廢水水質預測如表4所示。

表4　精處理再生廢水水質

再生過程中樹脂輸送、樹脂清洗以及陰、陽樹脂分離及正洗等階段的排水均為低含鹽廢水，有潛在放射性污染的工業廢水應送至常規島廢液排放系統進行放射性檢測[6]，若總γ小于2.24 Bq/L，可以分段回收，直接回用；陰、陽樹脂再生進酸堿及置換階段的排水為高含鹽廢水，送至常規島廢液排放系統進行放射性檢測，若總g小于2.24 Bq/L，可收集后進一步處理。精處理再生廢水回用工藝如圖4所示。

圖4　精處理再生廢水處理工藝方案

精處理再生廢水高鹽廢水及低鹽廢水分段回收，低鹽廢水進入低鹽廢水池，由于其水質與除鹽水水質接近，但懸浮物含量增高，因此將其回至除鹽水制備系統過濾設備前。高鹽廢水進入高鹽廢水池調節pH后，經砂濾、超濾進行過濾，過濾系設備自用水率為15%。過濾后出水進入反滲透系統進行濃縮脫鹽，設計反滲透回收率為70%，反滲透產水部分用于本系統過濾設備自用水，部分回至冷卻塔作為冷卻塔補水，反滲透濃水進入零排放系統。過濾設備自用水回至中水處理系統。

2.5　生活污水回用

生活污水的特點是COD、BOD5、細菌及氮、磷含量較高，其他水質指標與水源接近。該廠水庫水的水質分析結果如表5所示。

表5　水庫水主要水質指標[7]分析結果

2.6　生產廢水回用

該核電廠生產廢水主要有含油廢水和其他非放射性生產廢水。

2.6.1含油廢水回用

含油廢水處理系統處理達標后，其主要水質指標與中水相近，僅石油類含量（≤5 mg/L）高于中水（一級A排放標準要求≤1 mg/L）可送回中水處理系統，200 m3/d的含油廢水與大流量的中水混合均質后，石油類含量遠低于一級A排放標準，再經過中水深度處理系統處理，預計出水完全可以滿足冷卻塔補水、生產用水等系統的水質要求。

2.6.2其他非放射性生產廢水回用

生產用水主要用作重要廠用水設備軸承冷卻水、地面沖洗水及消防水池補水等。其他非放射性生產廢水主要來源是實驗室排水、消防演練排水、衛生間及洗衣房排水、重要廠用水設備軸承冷卻排水[8]等，這些水通過底坑或相應收集管道進行收集，其水源均為中水，與水源相比，主要水質變化是懸浮物含量或水溫有所升高，或者與生活污水水質相近，可回收至中水深度處理系統進一步處理。

2.7　雨水回用

雨水水質與集流面材料、土壤地質條件等因素都有關系。降雨初期空氣中大量的灰塵等物質被雨水洗滌，雨水中各項指標濃度均較高，不適合收集。經過初期雨水截污、棄流處理后收集的雨水相對比較潔凈，但仍含有一定量的COD、懸浮物顆粒及硬度離子等，預計含鹽量將高于中水，建議在廢水處理站設置雨水處理系統，將收集后的雨水進行處理。

根據雨水的水質特點，雨水處理系統可采用生物—混凝澄清—過濾—超濾—反滲透處理工藝，反滲透產水回用至冷卻塔，反滲透濃水送至冷卻塔排污水處理系統處理；考慮節水，生物處理單元、過濾器及超濾反洗水均回至澄清池，澄清池排泥水可送至廢水處理站的污泥處理系統處理。

2.8　優化后全廠用水流程圖

通過優化，全廠用水流程如圖5所示。

3 結論與建議

（1）以節水及廢水綜合利用為目的的用水流程優化在國內尚屬先例，通過控制好循環水濃縮倍率和廢水階梯利用、分類處理、分質回用，可實現了一定的社會和經濟效益。

（2）本優化的基礎是初可研階段全廠水量平衡圖，其中常規島水量損耗與筆者經驗相差較大，常規島水量損耗遠遠大于實際運行機組的水量損耗，此處對全廠節水量的影響也很大，建議在適當條件下開展同類型已投運核電廠全廠水量平衡測試與研究，為修正水量設計值提供依據。

（3）本設計優化將重要廠用水冷卻塔和輔機冷卻塔濃縮倍率由約3倍提高到了5倍，降低了補水量和排污水量。然而，考慮到冷卻水系統可采用高等級的耐腐蝕金屬材料，冷卻塔濃縮倍率仍有進一步提高的可能性，但需通過模擬試驗進行評估論證，建議在后續設計階段開展相應工作。

圖5　優化后全廠用水流程圖

［1］ 劉達，黃本勝，邱靜，等. 內陸核電水資源管理政策的初步探討［J］. 水利發展研究，2012（5）：39-41.

［2］ 劉炳偉，徐秀萍，陳周燕，等. 某發電廠節水及廢水綜合利用改造實例［J］. 工業水處理，2019，39（9）：111-115.

［3］ 城鎮污水處理廠污染物排放標準：GB 18918—2002［S］. 北京：中國標準出版社，2002.

［4］ 工業循環冷卻水處理設計規范：GB 50050—2017［S］. 北京：中國標準出版社，2017.

［5］ 發電廠化學設計規范：DL/T 5068—2014［S］. 北京：中國電力出版社，2014.

［6］ 核電廠常規島設計規范：GB/T 50958—2013［S］. 北京：中國計劃出版社，2013.

［7］ 地表水環境質量標準：GB 3838—2002［S］. 北京：中國標準出版社，2002.

［8］ 火力發電廠廢水治理設計技術規程：DL/T 5046—2006［S］. 北京：中國電力出版社，2006.

Optimization Example of Water Flow Design in Nuclear Power Plant

YU Miao，GU Yu，YANG Zhenyu，WAN Weijin，GUI Luting

（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co.，Ltd，Shanghai 200233，China）

Nuclear power plants face problems such as the large water consumption, unclear water destination and utilization deficiency of wastewater. Based on the water design in the initial feasibility study stage and production experience, the water use and drainage process is optimized in this paper. High efficiency water-saving methods and comprehensive utilization technologies of wastewater are applied to achieve the step utilization, classification and reuse of wastewater. After the optimization of the water use process, the fresh water intake of the nuclear power plant is reduced, and the water saving methods and comprehensive utilization of the wastewater are applied in the whole plant. The paper provides a reference for the subsequent hydraulic and chemical design of the nuclear power plant.

Nuclear power plant; Water saving; Plant chemical design; Comprehensive utilization of wastewater

TL329

A

0258-0918（2023）05-1027-07

2022-08-17

于 淼（1983—），男，吉林扶余人，工程碩士，現主要從事核電廠化學環保方面研究