二回路鈉表的預維與優(yōu)化

呂曉棟，諸海川，俞嘉成，常滿意

（中核核電運行管理有限公司 技術三處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

某重水核電廠二回路取樣系統(tǒng)主要是用來監(jiān)測凝汽器傳熱管和蒸汽發(fā)生器傳熱管的完整性，通過監(jiān)測凝結(jié)水中的鈉離子濃度和蒸汽發(fā)生器排污水中的氚水平判斷傳熱管是否發(fā)生破損，并根據(jù)現(xiàn)場儀表的讀數(shù)情況協(xié)助定位破損的大致位置和破口的大小。通過監(jiān)視凝結(jié)水、主給水蒸汽的pH 值、溶解氧、電導率等各項化學指標，確保其管道良好的運行環(huán)境，防止腐蝕的產(chǎn)生，保持核電廠安全、高效和經(jīng)濟運行。

具體實現(xiàn)以下功能：在就地儀表盤上提供在線參數(shù)指示功能；在就地取樣柜中對二回路的各監(jiān)測點提供集中的手動取樣途徑；提供鈉離子、溶解氧、pH 值等參數(shù)超標時報警的功能；當蒸汽發(fā)生器的傳熱管或者凝汽器的鈦管破損時，可通過在線鈉表判斷哪列凝汽器水室泄漏并進行隔離。

在就地取樣控制盤盤臺上安裝有報警指示窗，1 臺多點記錄儀和4 臺取樣泵操作手柄及以下儀表：排污總管電導表，凝汽器1A/1B/2A/2B 電導表，凝泵出口溶解氧表，6號高加出口pH 表，凝泵出口鈉表，凝汽器1A/1B/2A/2B鈉表。

1 鈉表監(jiān)測控制要求

由于鈉離子在小孔內(nèi)或縫隙處發(fā)生濃集會對傳熱管造成腐蝕，根據(jù)電廠運行手冊要求，鈉表正常運行期間報警設定值為＜1ppb，取樣流量為40mL/min。在機組正常運行期間，若凝汽器鈦管泄漏，海水中鈉、氯、硫酸根離子進入二回路，會對蒸發(fā)器傳熱管和二回路管道造成腐蝕。發(fā)生凝汽器鈦管泄漏時，必須迅速判斷并隔離發(fā)生鈦管泄漏的凝汽器水室，故鈉表準確性對機組安全運行具有重要意義。

2 鈉表測量原理

二回路取樣系統(tǒng)使用的ORION 鈉表，運行多年后鈉表主板、報警、輸出等卡件工作不穩(wěn)定，影響運行和化學人員正常監(jiān)盤，已于2013 年從1811 型升級為2111 型，具有測量精度高、范圍寬及響應速度快等特點，能夠快速、準確地反映被測介質(zhì)的鈉含量指標。

鈉離子的在線定量分析采用原電池法[1]，即將對鈉離子敏感的玻璃電極、參比電極和溫度電極同時浸入測量溶液中構成測量電池，通過獲知的電動勢來求得溶液中鈉離子的濃度。該電池電動勢符合能斯特方程，即：E=E0+2.3RT/nFlg(C/Ciso)

C——鈉離子的有效濃度（即離子活度）。

Ciso——電位E 不隨溫度變化時的鈉離子濃度。

E——測量的電極電位值（mV）。

E0——等電勢的電極電位，該值不隨溫度變化。

F——法拉第常數(shù)。

n——被測離子的價態(tài)（鈉離子為+1 價）。

R——理想氣體常數(shù)。

T——樣水的絕對溫度（K）。

3 預防性維修策略

蒸發(fā)器傳熱管的腐蝕爆管，會造成帶有輻射的一回路水泄漏到二回路，因而在核電站，在線鈉表除了在常規(guī)電站防腐防垢、保護熱力系統(tǒng)設備安全的作用外，還與核安全有關[2]。預防性維修策略的制定，就是在設備失效以前采取行動，減少因設備失效帶來的糾正性維修。

表1 鈉表預防性維護項目表Table 1 Preventive maintenance items of sodium meter

結(jié)合歷史缺陷處理實踐和其他行業(yè)內(nèi)經(jīng)驗，鈉表常見故障有：

1）測量回路臟污導致標定時標液污染，標定結(jié)束后測量值不準確。

2）電極老化損壞、參比電極堵塞，影響測量結(jié)果。

3）流通池密封圈破損漏水，導致樣水流量低。

4）堿化劑二異丙胺不足，二異丙胺易揮發(fā)，在試劑瓶中形成堿性環(huán)境，二異丙胺分子通過擴散管調(diào)節(jié)樣水pH值，以此減少H+離子對測量帶來的干擾。

5）擴散管破裂，因長期處于堿性環(huán)境中，擴散管易老化變脆。

6）通訊卡件故障、接線松動、信號傳輸異常[3]。

當前某重水核電廠針對鈉表進行的預防性維護項目見表1。

鈉表日常檢查內(nèi)容包括：①清洗鈉電極；②清洗參比電極；③補充參比電極內(nèi)充液；④檢查參比電極的微孔陶瓷透水性；⑤清洗過濾器；⑥添加堿化劑二異丙胺；⑦檢查擴散管；⑧使用標準溶液對鈉表進行標定；⑨檢查流通池確認樣水流量。年度檢查內(nèi)容除以上內(nèi)容之外，增加更換電極、檢查報警輸出和控制參數(shù)。最初預防性維修項目僅月度日常檢查和年度檢查，以確保儀表讀數(shù)準確，后續(xù)根據(jù)實際運行經(jīng)驗補充大修停機前儀表保護、大修啟機前投用檢查、更換擴散管等項目。

大修期間需要將二回路取樣系統(tǒng)進行停運，由于長時間斷電、取樣池斷水，未將鈉電極和參比電極進行保護經(jīng)常導致啟機后才發(fā)現(xiàn)電極損壞、儀表讀數(shù)漂移。同時，堿化劑二異丙胺易揮發(fā)，在斷水情況下，擴散管在堿性環(huán)境中2 ～3 天就會變脆。故后續(xù)通過優(yōu)化預維策略，補充大修停機前儀表保護、大修啟機前投用檢查。

4 輸出優(yōu)化

某重水核電廠通過將就地儀表模擬量信號統(tǒng)一傳輸至PI 系統(tǒng)，以達到實時監(jiān)視就地儀表設備讀數(shù)的功能。但在PI 系統(tǒng)中，在線鈉表顯示數(shù)據(jù)與PI 系統(tǒng)對應數(shù)據(jù)差異很大，造成無法準確知道系統(tǒng)實際水質(zhì)狀況，給水質(zhì)監(jiān)視和行動判斷依據(jù)帶來很大不確定性，從而在凝汽器出現(xiàn)泄漏時不能為正確處理行動提供準確依據(jù)。具體差異體現(xiàn)在：水質(zhì)正常期間，在線鈉表本體顯示為0.1ppb 以下至0.001ppb 時，PI 上只能顯示0.1ppb 以上的數(shù)據(jù)，兩者之間相差10 ～100倍。

通過對差異原因進行分析，鈉表量程是0ppb ～100ppb，對應輸出電流4mA ～20mA，輸出類型為線性輸出。鈉表正常運行期間值約為0.025ppb 左右，接近量程的下限。就地儀表顯示與主控顯示有偏差的問題，主要就是因為各個部件的精度，特別是鈉表里面的擴展模塊精度偏差引起。由于該電流信號要通過擴展模塊擴展和取樣電阻電壓轉(zhuǎn)換，信號傳輸存在固有偏差。以就地鈉表顯示0.025ppb 與PI 系統(tǒng)顯示值0.1ppb 為例，兩個數(shù)值的輸出電流僅差0.0024mA。

通過將輸出設置由線性輸出修改為對數(shù)輸出，即原4mA ～20mA 對應0.001ppb ～100ppb 換算為4mA ～20mA對應log0.001 ～log500（因log0 無數(shù)學意義，選取鈉表的最小指示精度0.001 作為量程的起點），其對應函數(shù)關系為：

其中：x 為指示鈉含量。

這樣設置以后，小信號就進行了對數(shù)倍的放大，固定誤差電流帶來的干擾影響就被大大縮小了。

在PI 系統(tǒng)中進行原函數(shù)的反對數(shù)運算即可還原鈉表指示值，其對應量程仍為0.001 ppb ～100ppb。其對應函數(shù)關系如下：

以輸出電流固有偏差0.0024mA 進行計算，理論最大偏差不超過0.17 ppb，其數(shù)據(jù)對比見表3。

優(yōu)化設置于2020 年3 月完成實施，設置完成后，鈉表就地指示值0.036 ppb，PI 系統(tǒng)對應顯示值0.037 ppb，兩者誤差0.001ppb，符合理論計算結(jié)果。以此證明，通過將輸出設置由線性輸出修改為對數(shù)輸出，可以解決低量程區(qū)域時鈉表就地指示值與模擬量顯示系統(tǒng)不一致問題。

5 結(jié)束語

鈉表屬于核電廠重要的化學在線儀表之一，提高化學監(jiān)督水平，嚴格控制水汽品質(zhì)，可防止和減緩熱力設備腐蝕、結(jié)垢。通過對鈉表制定合理的預防性維護策略，根據(jù)實際經(jīng)驗優(yōu)化設備參數(shù)，可以提升設備測量的準確性和可靠性，延長使用壽命，提高機組運行的經(jīng)濟性。

表2 電流值對比表Table 2 Comparison of current values

表3 誤差對比表Table 3 Error comparison table