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      秦山核電站二回路系統(tǒng)水化學(xué)控制模式的分析和優(yōu)化

      2021-12-17 02:40:14田民順
      腐蝕與防護(hù) 2021年6期
      關(guān)鍵詞:嗎啉水化學(xué)凝結(jié)水

      田民順

      (核電運(yùn)行研究(上海)有限公司,上海 200126)

      秦山是我國(guó)大陸最早的核電基地,目前運(yùn)行著秦山一期350 MW(秦一廠)、秦山二期650 MW(秦二廠)、秦山三期728 MW(秦三廠)和方家山1 089 MW 等4個(gè)廠共9臺(tái)機(jī)組,包括壓水堆和重水堆兩種堆型。

      秦山各廠二回路系統(tǒng)水化學(xué)控制模式如表1所示,聯(lián)氨作為除氧劑,維持蒸汽發(fā)生器(SG)服役環(huán)境的還原性,氨、ETA(乙醇胺)和嗎啉作為堿化劑,控制二回路系統(tǒng)的p H。

      表1 秦山核電站二回路系統(tǒng)水化學(xué)控制模式Tab.1 Control modes of secondary system water chemistry in Qinshan nuclear power plant

      經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行實(shí)踐,秦山核電站二回路水化學(xué)控制逐漸暴露一些問(wèn)題,各核電機(jī)組二回路水化學(xué)的運(yùn)行情況也存在差別。

      本工作從目前秦山核電站各廠二回路水化學(xué)控制模式特點(diǎn)和運(yùn)行情況出發(fā),結(jié)合國(guó)外核電站二回路水化學(xué)控制技術(shù),提出改進(jìn)二回路水化學(xué)控制水平的建議,為秦山核電站二回路水化學(xué)技術(shù)的優(yōu)化及未來(lái)核電站二回路水化學(xué)控制模式的設(shè)計(jì)提供參考。

      1 二回路水化學(xué)控制基本要求

      核電站二回路水化學(xué)控制最終目的是降低二回路設(shè)備的腐蝕和減少腐蝕產(chǎn)物向SG 遷移,減少SG積污,避免其垢下雜質(zhì)濃縮發(fā)生腐蝕,最終確保SG的傳熱性能和使用壽命。優(yōu)異的二回路水化學(xué)控制模式還可以降低SG 檢查、水力沖洗和化學(xué)清洗的頻率,從而減少核電站的大修時(shí)間和檢修費(fèi)用,為核電站創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)還可延長(zhǎng)核電站運(yùn)行壽命。為了達(dá)到上述目標(biāo),應(yīng)滿足以下要求:

      (1)保證給水系統(tǒng)聯(lián)氨的質(zhì)量濃度合適,確保SG 處于還原性環(huán)境。

      (2)二回路系統(tǒng)p H 均衡控制,即使用堿化劑確保二回路系統(tǒng)的p H 都維持在較高的水平,特別是疏水系統(tǒng)的p H。這樣既能降低二回路凝結(jié)水、給水等系統(tǒng)的均勻腐蝕,也能抑制疏水等系統(tǒng)的流動(dòng)加速腐蝕(FAC)。

      1.1 SG 處于還原性環(huán)境

      核電站SG 傳熱管使用的材料包括600、690或800合金(成分見(jiàn)表2),應(yīng)保證SG 處于還原性環(huán)境以避免SG 發(fā)生晶間應(yīng)力腐蝕。聯(lián)氨是目前國(guó)際上核電站通用的除氧劑,控制SG 最終給水中聯(lián)氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到100μg/kg,就可以確保SG 處于還原性環(huán)境,如圖1所示。

      表2 SG 傳熱管材料的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Main chemical composition of SG heat transfer tube materials(mass fraction)%

      圖1 800合金SG 傳熱管中聯(lián)氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)與腐蝕電位的關(guān)系[1]Fig.1 Relationship between hydrazine mass fraction concentration and corrosion potential of 800 alloy SG heat transfer tube

      1.2 降低二回路系統(tǒng)均勻腐蝕

      二回路系統(tǒng)材料以碳鋼為主,隨著給水系統(tǒng)p H 的升高,碳鋼的腐蝕速率明顯降低。由圖2 可以看出,核電站實(shí)際運(yùn)行溫度下的p H (25 ℃)達(dá)10.00時(shí),鐵含量較低,說(shuō)明碳鋼的腐蝕速率可以達(dá)到比較低的水平。由于核電站選擇的堿化劑氣液分配比和其運(yùn)行過(guò)程中各個(gè)部分的溫度均不同,二回路系統(tǒng)p H (25 ℃)難以達(dá)到圖2要求的理想值。

      圖2 不同溫度下鐵含量與p H (25 ℃)的關(guān)系[2]Fig.2 Relationship between uniform corrosion of iron content and p H (25 ℃)at different temperatures

      1.3 抑制二回路系統(tǒng)的流動(dòng)加速腐蝕(FAC)

      影響核電站二回路系統(tǒng)FAC 的因素包括:材料、流速、溫度和p H 等。對(duì)于已經(jīng)運(yùn)行的核電站,最可行的方法是通過(guò)控制p H 抑制FAC。經(jīng)研究和試驗(yàn),運(yùn)行溫度下的p H 大于6.60(下文用p H(t)表示)時(shí),可以抑制FAC,p H (25 ℃)約為9.60。

      FAC受溫度影響,對(duì)于單相流,溫度為130~150 ℃時(shí),碳鋼管道中FAC最嚴(yán)重;對(duì)于雙相流,溫度在170~220℃時(shí),碳鋼管道中FAC最嚴(yán)重,F(xiàn)AC速率與溫度關(guān)系見(jiàn)圖3[2]。上述的FAC 敏感溫度區(qū)間在核電站均存在,特別是疏水系統(tǒng)。另外,由于這些部位存在氣液兩相,堿化劑會(huì)將氣液兩相重新分配,如果堿化劑氣液分配比高,會(huì)造成液相中堿化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,p H(t)低于抑制FAC 要求值。國(guó)內(nèi)某壓水堆核電站采用氨作為堿化劑,但因氨的氣液分配比高,導(dǎo)致二回路疏水系統(tǒng)p H 偏低,在運(yùn)行周期內(nèi)管道發(fā)生嚴(yán)重的FAC,給核電站運(yùn)行帶來(lái)很大的安全隱患[3]。

      圖3 FAC速率與溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between FAC rate and temperature:(a)single-phase flow;(b)two-phase flow

      如圖4所示,在180 ℃溫度下,使用氨調(diào)節(jié)p H(25℃)從9.40上升到9.60,因FAC引起的管壁減薄下降為原來(lái)的十分之一[1]。美國(guó)電力科學(xué)研究院(EPRI)的水化學(xué)導(dǎo)則中也指出,在180 ℃溫度下p H(t)從6.70上升至7.00時(shí),F(xiàn)AC 下降因子可達(dá)9;核電站實(shí)際運(yùn)行時(shí),p H(t)提高0.30后,鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降2~3個(gè)單位,說(shuō)明提高p H 可以顯著降低FAC速率[4]。

      圖4 p H (25 ℃)對(duì)碳鋼FAC速率的影響Fig.4 The influence of p H (25 ℃)on FAC rate of carbon steel

      2 二回路水化學(xué)控制模式

      2.1 聯(lián)氨-氨

      聯(lián)氨-氨是國(guó)內(nèi)核電站采用最多的二回路水化學(xué)控制模式。氨的缺點(diǎn)是氣液分配比高,使二回路系統(tǒng)p H 控制不均衡,導(dǎo)致二回路疏水系統(tǒng)特別是氣水分離再熱器的分離器(MS)疏水系統(tǒng)中氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低。圖5是氨在不同溫度下的氣液分配系數(shù)(氣液分配比,Kd)[5],圖6 是當(dāng)給水中氨、嗎啉和ETA 為1時(shí),三種堿化劑在二回路系統(tǒng)中的氣液分配系數(shù)[6]。另外,氨在高溫下的堿性較弱,導(dǎo)致這部分疏水的p H(t)偏低。氨、嗎啉與ETA 的氣液分配比和堿性見(jiàn)表3和表4[7]。Kd是氣液分配比,其值越大,對(duì)應(yīng)溫度下氣相堿化劑分布越多;堿性值越小,對(duì)應(yīng)溫度下三種堿化劑的堿性越強(qiáng)。

      圖5 不同氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)下氨的氣液分配系數(shù)與溫度的關(guān)系Fig.5 The relationship between the gas-liquid distribution coefficient of ammonia and temperature at different ammonia mass fractions

      圖6 二回路系統(tǒng)中氨、ETA 和嗎啉的氣液分配系數(shù)Fig.6 Vapor-liquid distribution coefficient of ammonia,ETA and morpholine in secondary system

      表3 不同溫度下氨、嗎啉和ETA 的氣液分配比Tab.3 Vapor-liquid distribution ratio of ammonia,morpholine and ETA at different temperatures

      使用聯(lián)氨-氨控制模式時(shí),給水系統(tǒng)的氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)期望值為1.5~4.0 mg/kg,此時(shí)MS疏水系統(tǒng)的氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1 mg/kg,p H(25℃)小于9.40,遠(yuǎn)低于抑制FAC的要求(9.60)。圖7是方家山在聯(lián)氨-氨控制模式下二回路系統(tǒng)氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)和p H(25 ℃)的分布。

      圖7 方家山在聯(lián)氨-氨控制模式下二回路系統(tǒng)氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)和p H (25 ℃)的分布Fig.7 Distribution of ammonia mass fraction and p H(25 ℃)in secondary system in Fangjiashan under the control mode of hydrazine-ammonia

      日本Tomari 3號(hào)機(jī)組在聯(lián)氨-氨模式下通過(guò)調(diào)節(jié)氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了p H,降低了給水系統(tǒng)的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù),但MS疏水系統(tǒng)鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然是二回路系統(tǒng)中最高的[8],試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。二回路水化學(xué)控制模式采用聯(lián)氨-氨,凝結(jié)水、給水等系統(tǒng)的均勻腐蝕得到很好的控制,但MS等疏水管道設(shè)備的FAC非常嚴(yán)重。

      表5 日本Tomari 3號(hào)機(jī)組提高溶液p H 后二回路系統(tǒng)的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.5 The iron mass fraction of secondary system after increasing the p H in Japan′s Tomari Unit 3

      2.2 聯(lián)氨-ETA

      ETA 的氣液分配比低,可以提高疏水系統(tǒng)的p H,抑制疏水管道的FAC。因ETA 固有氣液分配比低,易分配在SG 液相中,造成SG 的p H 升高。為了控制SG排污系統(tǒng)的p H(25 ℃)在限值(10.00)內(nèi),電站技術(shù)規(guī)格書(shū)中明確要求控制凝結(jié)水系統(tǒng)的p H (25 ℃)不超過(guò)9.40,這使得凝結(jié)水和給水系統(tǒng)的ETA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。

      在聯(lián)氨-ETA 控制模式下,給水系統(tǒng)ETA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5 mg/kg時(shí),SG 排污和二回路MS 疏水系統(tǒng)的p H(25℃)均達(dá)到10.00,可以很好地抑制疏水系統(tǒng)的FAC。而凝結(jié)水和給水系統(tǒng)的p H (25 ℃)只有約9.40,無(wú)法達(dá)到圖2中的最佳范圍,所以凝結(jié)水、給水等系統(tǒng)的均勻腐蝕得不到很好的抑制。南非Koeberg核電站使用ETA 時(shí),需要同時(shí)添加氨水才能使給水系統(tǒng)的p H (25 ℃)達(dá)到指標(biāo)要求(9.60),或者將給水系統(tǒng)的ETA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到4 mg/kg以上[9],才能達(dá)到指標(biāo)要求。

      如圖8所示,秦一廠MS疏水系統(tǒng)的p H(25℃)達(dá)9.9,但凝結(jié)水系統(tǒng)的p H(25℃)卻低于9.4。

      圖8 秦一廠在聯(lián)氨-ETA 控制模式下二回路系統(tǒng)的ETA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和p H (25 ℃)Fig.8 ETA mass fraction and p H (25 ℃)of secondary system in Qin No.1 plant under the control mode of hydrazine-ETA

      ETA 在高溫下分解會(huì)產(chǎn)生甲酸、乙酸和乙醇酸,根據(jù)以往使用有機(jī)堿化劑的核電站運(yùn)行情況,沒(méi)有直接或明顯的證據(jù)表明這些有機(jī)酸對(duì)系統(tǒng)的腐蝕有負(fù)面影響[4]。另外有機(jī)酸會(huì)隨著蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī),隨著威爾遜線的出現(xiàn),有機(jī)酸最先凝結(jié)到汽輪機(jī)葉片上的水滴中,質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高,根據(jù)MULTEQ 和PWR Chemistry Simulator計(jì)算分析,這會(huì)影響早期蒸汽凝結(jié)水系統(tǒng)的p H,但目前還無(wú)實(shí)例證明有機(jī)酸會(huì)直接影響汽輪機(jī)葉片的腐蝕[4]。圖9是控制給水系統(tǒng)的ETA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5 mg/kg時(shí),ETA 分解產(chǎn)生的甲酸、乙酸和乙醇酸在二回路系統(tǒng)中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。

      圖9 給水系統(tǒng)中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5 mg/kg的ETA 分解產(chǎn)生的甲酸、乙酸和乙醇酸在二回路系統(tǒng)中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.9 The mass fraction of formic acid(a),acetic acid(b)and glycolic acid(c)produced by the decomposition of ETA with 3.5 mg/kg mass fraction in the feed water system of the secondary system

      2.3 聯(lián)氨-氨-ETA

      為避免單獨(dú)使用氨或ETA 時(shí)存在的弊端,越來(lái)越多的核電站選擇氨-ETA 協(xié)同控制模式。如圖10所示,MS疏水系統(tǒng)的p H(25℃)得到有效提高,凝結(jié)水和給水系統(tǒng)的p H(25℃)也達(dá)到9.60以上。

      圖10 秦二廠在聯(lián)氨-氨-ETA 控制模式下二回路系統(tǒng)ETA 和氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及p H (25 ℃)Fig.10 ETA,ammonia mass fraction and p H(25 ℃)in secondary system under the control mode of hydrazine-ammonia-ETA in Qin No.2 plant

      2.4 聯(lián)氨-氨-嗎啉

      聯(lián)氨-嗎啉模式在法國(guó)核電站中使用較多。在二回路系統(tǒng)運(yùn)行溫度下嗎啉的氣液分配比約為1,確保其在二回路系統(tǒng)中分布均衡,實(shí)現(xiàn)二回路系統(tǒng)p H 的均衡控制。

      從圖11中可以看出,嗎啉在二回路系統(tǒng)中分布均衡,各部分的p H (25 ℃)均達(dá)到9.70。但嗎啉是一種堿性較弱的有機(jī)堿,給水系統(tǒng)的p H (25 ℃)為9.70時(shí),嗎啉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為150 mg/kg,對(duì)于采用凝結(jié)水全流量處理的核電站,如此高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的嗎啉使凝結(jié)水精處理床無(wú)法運(yùn)行。另外,對(duì)于SG排污采用樹(shù)脂凈化回收的核電站,嗎啉是SG 排污水回收凈化床的最大負(fù)擔(dān)。

      圖11 秦三廠在聯(lián)氨-嗎啉控制模式下二回路系統(tǒng)的嗎啉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和p H (25 ℃)Fig.11 Morpholine mass fraction and p H(25 ℃)in secondary system under the control mode of hydrazine-morpholine in Qin No.3 plant

      對(duì)于凝汽器泄漏頻率低和SG 排污不采用樹(shù)脂床凈化回收的核電站,二回路系統(tǒng)采用聯(lián)氨-嗎啉模式是可行的。

      與ETA 相比,嗎啉的熱穩(wěn)定性較差,在二回路系統(tǒng)溫度下嗎啉每小時(shí)的熱分解率約為2.0%[10],嗎啉熱分解會(huì)產(chǎn)生甲酸、乙酸和乙醇酸等。雖然有機(jī)酸對(duì)汽輪機(jī)和SG 的腐蝕沒(méi)有影響,但會(huì)影響陽(yáng)極電導(dǎo)率對(duì)氯離子、硫酸根離子的響應(yīng),從而影響陽(yáng)極電導(dǎo)率的監(jiān)測(cè),如圖12所示。

      圖12 給水系統(tǒng)中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為150 mg/kg的嗎啉分解產(chǎn)生的甲酸、乙酸和乙醇酸在二回路系統(tǒng)中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.12 The mass fraction distribution of formic acid,acetic acid and glycolic acid produced by the decomposition of morpholine with 150 mg/kg mass fraction in the feed water system of the secondary system

      由于上述原因,對(duì)于凝汽器泄漏頻繁需要連續(xù)投入凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的核電站,二回路無(wú)法采用聯(lián)氨-嗎啉控制模式,需考慮增加新堿化劑和嗎啉協(xié)同作用的控制模式。

      聯(lián)氨在二回路系統(tǒng)中分解會(huì)產(chǎn)生氨,所以聯(lián)氨-氨-嗎啉模式并未引入新的堿化劑。嗎啉和氨的協(xié)同使用,解決了單獨(dú)使用嗎啉時(shí)其高質(zhì)量分?jǐn)?shù)導(dǎo)致精處理系統(tǒng)無(wú)法連續(xù)運(yùn)行的問(wèn)題,也避免了單獨(dú)使用氨時(shí)疏水系統(tǒng)的p H 低對(duì)疏水系統(tǒng)FAC 的影響[1]。氨保證凝結(jié)水和給水系統(tǒng)的p H,嗎啉保證疏水系統(tǒng)的p H。

      在聯(lián)氨-氨-嗎啉控制模式下,凝結(jié)水和給水系統(tǒng)的p H (25 ℃)達(dá)到9.80,MS 疏水系統(tǒng)的p H(25 ℃)大于9.60,達(dá)到了抑制FAC 腐蝕所要求的p H (25 ℃)為9.60,如圖13所示。

      圖13 秦山核電站在使用聯(lián)氨-氨-嗎啉控制模式下二回路系統(tǒng)中氨和嗎啉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及p H (25 ℃)的分布Fig.13 Distribution of morpholine,ammonia mass fraction and p H (25 ℃)in secondary system under the control mode of hydrazine-ammonia-morpholine in Qinshan nuclear power plant

      3 秦山核電站二回路水化學(xué)控制模式分析

      3.1 二回路系統(tǒng)的p H(25 ℃)

      如圖14 所示,秦一廠在使用聯(lián)氨-ETA 模式下,SG 排污系統(tǒng)的p H (25 ℃)小于10.00,MS 疏水系統(tǒng)的p H (25 ℃)達(dá)到10.02,但凝結(jié)水、給水和主蒸汽系統(tǒng)的p H (25 ℃)低于9.60,凝結(jié)水系統(tǒng)的p H (25 ℃)只有9.24,這對(duì)抑制凝結(jié)水和給水系統(tǒng)的均勻腐蝕不利。秦二廠、秦三廠在分別使用聯(lián)氨-氨-ETA 和聯(lián)氨-氨-嗎啉模式下,給水系統(tǒng)的p H(25 ℃)達(dá)到9.70,凝結(jié)水系統(tǒng)、SG 排污系統(tǒng)和MS疏水系統(tǒng)的p H (25 ℃)都高于9.60,可有效抑制二回路系統(tǒng)的均勻腐蝕和FAC。方家山在使用聯(lián)氨-氨控制模式下,凝結(jié)水和給水系統(tǒng)的p H (25 ℃)達(dá)到9.65,但氨的氣液分配比較高,導(dǎo)致MS 疏水系統(tǒng)的p H (25 ℃)只有9.25,這不利于抑制MS疏水管道的FAC。

      圖14 秦山核電站正常運(yùn)行時(shí)二回路系統(tǒng)p H (25 ℃)的分布Fig.14 Distribution of p H (25 ℃)in secondary system during normal operation of Qinshan nuclear power plant

      3.2 二回路各系統(tǒng)鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布

      如表6所示,秦一廠在聯(lián)氨-ETA 模式下,由于凝結(jié)水系統(tǒng)的p H (25 ℃)較低,鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于二回路其他系統(tǒng)的。秦二廠在聯(lián)氨-氨-ETA 模式下,由于ETA 的氣液分配比低,使MS疏水系統(tǒng)的p H(25 ℃)較高導(dǎo)致其鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于二回路其他系統(tǒng)的。秦三廠在聯(lián)氨-氨-嗎啉模式下,由于二回路系統(tǒng)的p H (25 ℃)分布均衡,所以凝結(jié)水、給水和MS疏水系統(tǒng)的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本一致,均保持在較低的水平。方家山在聯(lián)氨-氨模式下,由于MS疏水系統(tǒng)的p H (25 ℃)較低,鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于二回路其他系統(tǒng)的。

      表6 秦山核電廠正常運(yùn)行時(shí)二回路系統(tǒng)鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的典型值Tab.6 Typical values of iron mass fraction in secondary system during normal operation of Qinshan nuclear power plantμg/kg

      3.3 蒸汽發(fā)生器積污指數(shù)

      聯(lián)氨在沒(méi)有輻照和催化劑的150~300 ℃環(huán)境中幾乎不會(huì)分解[11]。核電站SG 溫度一般不超過(guò)300 ℃,所以SG 內(nèi)聯(lián)氨分解成氨的速率與溫度無(wú)關(guān),僅與γ輻照和SG 內(nèi)催化劑(以金屬氧化物存在的腐蝕產(chǎn)物)相關(guān)。γ輻照維持不變,聯(lián)氨分解速率只與SG 腐蝕產(chǎn)物相關(guān)。隨著SG 腐蝕產(chǎn)物的增加,聯(lián)氨的分解速率加快,可以用SG 排污系統(tǒng)聯(lián)氨濃度(c聯(lián)氨,SGBD)與給水系統(tǒng)聯(lián)氨濃度(c聯(lián)氨,F(xiàn)W)的比值來(lái)表征SG 腐蝕產(chǎn)物的積累(即積污指數(shù)Rh)。當(dāng)Rh接近2時(shí),表明SG 積污少;當(dāng)Rh接近0.5時(shí),表明SG 積污嚴(yán)重[1]。

      從表7可以看出,秦山核電站9臺(tái)機(jī)組的Rh都維持在0.5以上,表明SG 積污還未到嚴(yán)重的程度,SG 換熱效率仍能保證機(jī)組以正常的功率發(fā)電;秦一廠1號(hào)機(jī)組與秦二廠1號(hào)機(jī)組的Rh比其他機(jī)組的要低,說(shuō)明這兩臺(tái)機(jī)組SG 積污趨于嚴(yán)重;秦三廠兩臺(tái)機(jī)組雖然運(yùn)行年數(shù)較長(zhǎng),但SG 的Rh維持在1.3以上,說(shuō)明秦三廠SG積污控制良好;方家山兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間短,SG 腐蝕產(chǎn)物積累較少,所以Rh較高。

      表7 秦山核電站9臺(tái)機(jī)組大修前的積污指數(shù)和運(yùn)行時(shí)間Tab.7 Fouling index and operating time of 9 units of Qinshan nuclear power plant before overhaul

      3.4 SG 沖洗泥渣量的對(duì)比

      核電站機(jī)組大修期間對(duì)SG 進(jìn)行機(jī)械水力沖洗,沖洗出的干泥渣質(zhì)量表明二回路系統(tǒng)設(shè)備腐蝕速率的控制及SG 積污情況。秦三廠在聯(lián)氨-氨-嗎啉控制模式下,實(shí)現(xiàn)了二回路系統(tǒng)p H 的均衡控制,p H (25 ℃)都達(dá)到9.60 以上,SG 排污率只有0.6%,遠(yuǎn)低于秦一廠、秦二廠和方家山的。從圖15中可以看出,在12個(gè)月運(yùn)行周期內(nèi),秦三廠SG 沖洗的干泥渣質(zhì)量?jī)H約1 kg,低于秦一廠、秦二廠和方家山的。另外,該干泥渣質(zhì)量不僅在國(guó)內(nèi)處于先進(jìn)水平,與國(guó)外核電站(如圖16所示法國(guó)核電站[12])相比也很優(yōu)異。這說(shuō)明聯(lián)氨-氨-嗎啉控制模式降低了二回路系統(tǒng)的腐蝕速率以及減少腐蝕產(chǎn)物向SG遷移,進(jìn)而減少SG 積污和避免SG 垢下腐蝕,最終確保SG 的性能和使用壽命。

      圖15 在12個(gè)月運(yùn)行周期內(nèi)秦山各核電站廠SG 沖洗出的干泥渣質(zhì)量Fig.15 The mass of dry sludge flushed from SG of Qinshan nuclear power plant during the 12-month operation period

      圖16 在不同水化學(xué)控制模式下法國(guó)PWR 核電站二回路系統(tǒng)SG 干泥渣質(zhì)量比較Fig.16 Comparison of SG dry sludge mass in the secondary system SG of French PWR nuclear power plants under different water chemistry control modes

      4 秦山核電站二回路水化學(xué)控制模式優(yōu)化

      4.1 秦一廠

      秦一廠二回路水化學(xué)控制模式最初采用聯(lián)氨-氨,在運(yùn)行過(guò)程中存在疏水系統(tǒng)的p H 偏低、鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的問(wèn)題,經(jīng)分析后將二回路水化學(xué)控制模式更改為聯(lián)氨-ETA,給水系統(tǒng)的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,特別是MS疏水系統(tǒng)的下降明顯[3],但凝結(jié)水、給水系統(tǒng)的p H 偏低不利于控制這部分系統(tǒng)設(shè)備的均勻腐蝕。每次機(jī)組大修期間SG 沖洗的干泥渣質(zhì)量與國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平之間的差距也說(shuō)明,目前二回路水化學(xué)控制模式仍存在弊端。另外,美國(guó)的SONGS核電站,從2005年4月開(kāi)始添加ETA,控制給水系統(tǒng)的ETA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4 mg/kg(與秦一廠的相同)。對(duì)二回路系統(tǒng)進(jìn)行鐵取樣分析,表明與氨相比,使用ETA 可以顯著降低疏水系統(tǒng)的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù),但也存在凝結(jié)水系統(tǒng)的p H (25 ℃)下降、鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加的問(wèn)題[4]。

      所以需對(duì)秦一廠二回路水化學(xué)控制模式進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)添加氨水建立聯(lián)氨-氨-ETA 控制模式,提高凝結(jié)水、給水系統(tǒng)的p H。

      圖17是在給水系統(tǒng)的p H (25 ℃)為9.98 時(shí)計(jì)算得出的。另外,根據(jù)EDF 的試驗(yàn),要控制二回路系統(tǒng)的均勻腐蝕(特別是凝結(jié)水系統(tǒng)的),氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須大于1.5 mg/kg[6]。

      圖17 在聯(lián)氨-氨-ETA 控制模式下二回路系統(tǒng)中ETA和氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及p H (25 ℃)[1]Fig.17 The morpholine,ammonia mass fraction and p H (25 ℃)of secondary system under the control mode of hydrazine-ammonia-ETA

      由于秦一廠凝結(jié)水精處理混床一直保持在線運(yùn)行,所以圖17中氨和ETA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)需要結(jié)合凝結(jié)水精處理的運(yùn)行周期進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。在實(shí)現(xiàn)二回路系統(tǒng)的p H(25 ℃)達(dá)到9.60的基礎(chǔ)上,合理優(yōu)化氨和ETA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù),減輕精處理混床的負(fù)擔(dān)。

      4.2 秦二廠

      秦二廠二回路水化學(xué)控制模式采用聯(lián)氨-氨-ETA,是目前國(guó)際主流的二回路水化學(xué)控制模式,不需要對(duì)其進(jìn)行改變,但該模式的應(yīng)用還需進(jìn)行以下兩項(xiàng)優(yōu)化:

      (1)優(yōu)化堿化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù),實(shí)現(xiàn)二回路系統(tǒng)p H的均衡控制

      根據(jù)EPRI推薦,應(yīng)維持二回路系統(tǒng)在運(yùn)行溫度下的p H 比純水的大1[13],其差值用Δp H(t)表示。如圖18所示,給水系統(tǒng)的Δp H(t)小于1,因此有必要優(yōu)化氨和ETA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù),從而更好地控制二回路系統(tǒng)腐蝕。

      圖18 秦二廠二回路系統(tǒng)的Δp H(t)Fig.18 TheΔp H(t)of the secondary system in the Qin No.2 plant

      (2)改進(jìn)二回路加藥系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)堿化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的穩(wěn)定控制

      由于原設(shè)計(jì)中未考慮向二回路系統(tǒng)中添加ETA,所以二回路加藥系統(tǒng)也未設(shè)置ETA 的加藥設(shè)備。在二回路控制模式變更后,將ETA 與氨混合在一個(gè)藥箱中用同一臺(tái)泵進(jìn)行添加,這種配置不利于ETA 和氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的控制。從圖19 中可以看出,ETA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動(dòng)明顯,需考慮二回路加藥系統(tǒng)的配置,變更堿化劑配制方式或加藥系統(tǒng)。

      圖19 秦二廠某機(jī)組運(yùn)行期間二回路給水系統(tǒng)的ETA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.19 The ETA mass fraction of the secondary feed water system during the operation of a unit in the Qin No.2 plant

      4.3 秦三廠

      秦三廠采用聯(lián)氨-氨-嗎啉水化學(xué)控制模式,如圖20所示,實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的p H(t)比純水的大1,二回路系統(tǒng)的腐蝕控制、SG 積污指數(shù)和SG 沖洗泥渣均控制良好,因此可保持當(dāng)前所使用的水化學(xué)控制模式。

      圖20 秦三廠二回路系統(tǒng)的Δp H(t)Fig.20 TheΔp H(t)of the secondary system in Qin No.3 plant

      4.4 方家山

      方家山二回路水化學(xué)控制模式采用聯(lián)氨-氨,存在MS疏水等系統(tǒng)的p H 偏低、系統(tǒng)設(shè)備FAC 控制不利等問(wèn)題,需考慮建立二回路混合堿化劑控制模式。在目前聯(lián)氨-氨的模式下,增加氣液分配比低的有機(jī)堿化劑(如ETA、嗎啉等),提高M(jìn)S疏水等系統(tǒng)的p H。韓國(guó)Uljin電站2號(hào)機(jī)組二回路水化學(xué)控制模式由聯(lián)氨-氨改為聯(lián)氨-氨-ETA 后,控制二回路系統(tǒng)的p H (25 ℃)達(dá)到9.50的情況下,SG 給水系統(tǒng)的鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了61.5%,如圖21所示[13]。

      圖21 Uljin核電站二回路水化學(xué)控制模式優(yōu)化后各系統(tǒng)的p H (25 ℃)和鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)[13]Fig.21 The p H (25 ℃)and iron mass fraction of each system after secondary water chemistry control model optimization in Uljin nuclear power plant

      5 總結(jié)

      為降低二回路系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕速率以及減少其腐蝕產(chǎn)物遷移到SG,最大程度減小SG 傳熱管的換熱效率下降和腐蝕的風(fēng)險(xiǎn),秦山核電站結(jié)合四種二回路水化學(xué)控制模式的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及效果,持續(xù)進(jìn)行二回路水化學(xué)控制的優(yōu)化,減少腐蝕產(chǎn)物進(jìn)入SG,為核電站的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行做出貢獻(xiàn),相關(guān)經(jīng)驗(yàn)也可供核電站二回路化學(xué)控制設(shè)計(jì)參考借鑒。

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