水過(guò)濾器濾芯在核島放射性水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

李建維， 王夢(mèng)影， 羅立清， 張守杰， 張明，孫陽(yáng)陽(yáng)， 馮青虎， 李振龍

（1.中廣核研究院有限公司， 廣東 深圳 518124； 2.陽(yáng)江核電有限公司， 廣東 陽(yáng)江 529500；3.中廣核惠州核電有限公司， 廣東 惠州 516000）

水過(guò)濾器是核島放射性水處理系統(tǒng)中的重要設(shè)備， 在反應(yīng)堆一回路用水工藝中， 過(guò)濾懸浮物等雜質(zhì)， 保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行； 在一回路排污系統(tǒng)、 廢液處理系統(tǒng)等排水工藝中， 降低廢液放射性及化學(xué)成分含量， 保證廢液排放滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保政策［1-2］。 目前， 國(guó)內(nèi)壓水堆核電站濾芯基本依賴于美國(guó)某單一進(jìn)口品牌， 而2018 年美國(guó)能源局頒布了核電關(guān)鍵設(shè)備出口限令［3］； 并且核電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋， 進(jìn)口濾芯使用壽命較短、 更換頻繁、 成本過(guò)高， 且質(zhì)量問(wèn)題得不到有效解決。 在該形勢(shì)下， 自主研發(fā)濾芯成為替代首選。 早年間， 葉裕才等［4］試驗(yàn)研究了褶式國(guó)產(chǎn)濾芯應(yīng)用于放射性廢液系統(tǒng)的可行性； 上海核工程研究設(shè)計(jì)院［5］研發(fā)了用于重水堆一回路工藝系統(tǒng)的玻璃纖維濾芯， 測(cè)試了該濾芯的性能。 而隨著近年來(lái)機(jī)組對(duì)水質(zhì)要求的不斷提高， 濾芯的設(shè)計(jì)與性能要求也愈加嚴(yán)格。

中廣核研究院有限公司研發(fā)了一種核島放射性水過(guò)濾器濾芯， 試驗(yàn)鑒定了其性能可靠性［6］。 本文將自主研發(fā)濾芯首先應(yīng)用于南方沿海某壓水堆核電站的核島放射性廢水回收系統(tǒng)（SRE）和核島廢液處理系統(tǒng)（TEU）， 以驗(yàn)證其應(yīng)用效果。 通過(guò)與進(jìn)口濾芯對(duì)比， 驗(yàn)證了自主研發(fā)濾芯的性能可靠性與使用壽命， 為核電放射性水濾芯的延壽、 降頻、 增效以及核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化研發(fā)與改進(jìn)提供參考。

1 濾芯設(shè)計(jì)

自主研發(fā)核放射性圓筒褶型水濾芯實(shí)物與結(jié)構(gòu)如圖1 所示， 主要結(jié)構(gòu)為上下端蓋、 中心管、 外骨架和濾紙層。 上下端蓋、 中心管、 外骨架、 螺紋緊固件均采用C3 級(jí)別不銹鋼材料， 外骨架設(shè)六邊形流通孔； 濾紙層采用玻璃纖維濾材， 呈扇形折疊；濾材與端蓋間采用抗105Gy 輻照粘結(jié)劑； 濾芯與殼體間采用抗104Gy 輻照的橡膠密封墊。 工作時(shí)，上游廢水從殼體入口依次流過(guò)濾芯外骨架、 濾紙層、 中心管， 過(guò)濾后的水流從下側(cè)出口流出。 SRE和TEU 系統(tǒng)中所用濾芯的規(guī)格參數(shù)如表1 所示。

圖1 核島水濾芯實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Photo and structure of nuclear island water filter element

表1 濾芯規(guī)格參數(shù)Tab. 1 Filter element specification parameters

2 工程案例

2.1 案例一： SRE 系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)及水質(zhì)

SRE 系統(tǒng)水主要為核島洗衣間及淋浴間地面廢水， 水質(zhì)指標(biāo)如表2 所示。

表2 SRE 系統(tǒng)水質(zhì)指標(biāo)Tab. 2 Water quality indexes of SRE system

圖2 中001FI 為自主研發(fā)濾芯在SRE 系統(tǒng)的功能位置。 該局部過(guò)濾系統(tǒng)主要由貯液箱（4.5 m×3.4 m， 有效容積為20 m3）、 水泵、 001FI 過(guò)濾器、 壓差表（（250±1）kPa）、 取樣裝置、 液位計(jì)、 閥門等組成。 來(lái)自上游核島清洗去污系統(tǒng)（SBE）的地面廢水由01／02 貯液箱收集， 經(jīng)取樣化驗(yàn)后， 通過(guò)001FI過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾， 輸送至廢液排放系統(tǒng)（TER）。

圖2 SRE 過(guò)濾系統(tǒng)流程Fig. 2 SRE filtration system

2.1.2 運(yùn)行過(guò)程及操作參數(shù)

運(yùn)行過(guò)程分為2 個(gè)流程：

（1） 循環(huán)流程： 水流向?yàn)?1 貯液箱→VK1→粗濾器→01 水泵→VK2→01 貯液箱（或02 貯液箱→VK5→粗濾器→02 水泵→VK6→02 貯液箱）。

（2） 過(guò)濾流程： 水流向?yàn)?1 貯液箱→VK1→粗濾器→01 水泵→VK4→001FI 濾芯→TER（或02貯液箱→VK5→粗濾器→02 水泵→VK8→001FI 濾芯→TER）。

每次過(guò)濾前， 首先進(jìn)行貯液箱內(nèi)水質(zhì)循環(huán)， 以保證水箱內(nèi)水質(zhì)均勻， 循環(huán)時(shí)長(zhǎng)不少于1 h； 之后進(jìn)行水質(zhì)取樣檢測(cè)； 再進(jìn)行輸水過(guò)濾， 流量為6.8 m3／h， 過(guò)濾時(shí)長(zhǎng)1 h， 每隔15 min 記錄一次液位高度和濾芯壓差。

2.2 案例二： TEU 系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)及水質(zhì)

TEU 系統(tǒng)水主要為不可復(fù)用的一回路冷卻劑泄漏水、 來(lái)自上游蒸氣發(fā)生器排污系統(tǒng)（APG）除鹽器樹脂反洗水和沖排輸水的廢水等。 水質(zhì)指標(biāo)如表3 所示。

表3 TEU 系統(tǒng)水質(zhì)指標(biāo)Tab. 3 Water quality indexes of TEU system

圖3 中002FI 為自研濾芯在TEU 系統(tǒng)的功能位置。 該局部過(guò)濾系統(tǒng)主要由貯液箱（φ3.1 m， 有效容積為20 m3）、 水泵、 002FI 過(guò)濾器、 壓差傳感器（（250±1）kPa）、 取樣裝置、 液位觀測(cè)計(jì)、 閥門等組成。 來(lái)自上游核島排氣和疏水系統(tǒng)（RPE）的不可復(fù)用廢液， 由03／04 貯液箱收集， 經(jīng)取樣化驗(yàn)后， 通過(guò)002FI／012FI 過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾， 輸送至TER 系統(tǒng)。

圖3 TEU 過(guò)濾系統(tǒng)流程Fig. 3 Flow of TEU filtration system

2.2.2 運(yùn)行過(guò)程及操作參數(shù)

運(yùn)行過(guò)程分為2 個(gè)流程：

（1） 循環(huán)流程： 水流向?yàn)?3 貯液箱→VK1→水泵→VK2 →03 貯液箱（或04 貯液箱→VK5 →水泵→VK6 →04 貯液箱）。

（2） 過(guò)濾流程： 水流向?yàn)?3 貯液箱→VK1→水泵→VK3 →002FI 濾芯→VK4→TER（或04 貯液箱→VK5→水泵→VK3→002FI 濾芯→VK4→TER）。

每次過(guò)濾前， 首先進(jìn)行貯液箱內(nèi)水質(zhì)循環(huán)， 以保證水箱內(nèi)水質(zhì)均勻， 循環(huán)時(shí)長(zhǎng)不少于1 h； 之后進(jìn)行水質(zhì)取樣檢測(cè)； 然后進(jìn)行輸水過(guò)濾， 流量為11.5 m3／h， 過(guò)濾時(shí)長(zhǎng)1 h， 每隔15 min 記錄一次液位高度和濾芯壓差。

3 結(jié)果及分析

3.1 壓降特性

核島SRE 和TEU 系統(tǒng)中對(duì)濾芯的壽命尤為關(guān)注， 壽命評(píng)判準(zhǔn)則為規(guī)定其極限壓降， 當(dāng)極限壓降達(dá)到250 kPa 時(shí)證明納污容量已滿， 需進(jìn)行更換。 壓降特性是濾芯壽命的重要影響因素， 因此分析壓降特性對(duì)于濾芯的延壽意義重大。 在本工程系統(tǒng)中， 壓差表監(jiān)測(cè)值、 設(shè)計(jì)值均為濾芯和濾殼總壓降。

3.1.1 潔凈壓降

潔凈壓降ΔPc反映濾芯初阻力。 濾芯為水系統(tǒng)局部阻力部件， 初阻力過(guò)高增加系統(tǒng)總阻力， 影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 同時(shí)， 較高的初阻力使濾芯可用壽命縮短， 及早達(dá)到極限壓降， 加快更換速度。 核電廠過(guò)濾器設(shè)計(jì)文件規(guī)定潔凈壓降不大于25 kPa。 表4 為自主研發(fā)濾芯（記為“Ⅰ型”）與進(jìn)口濾芯（記為“Ⅱ型”）的潔凈壓降， 均滿足且優(yōu)于設(shè)計(jì)值。 SRE系統(tǒng)中2 種濾芯潔凈壓降相等， TEU 系統(tǒng)中Ⅱ型濾芯比Ⅰ型濾芯潔凈壓降更顯優(yōu)勢(shì)。 可見(jiàn)控制潔凈壓降， 是降低系統(tǒng)總阻力、 保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的可靠方法。

表4 潔凈壓降Tab. 4 Pressure drop-clean

3.1.2 極限壓降

圖4 顯示了自研濾芯與進(jìn)口濾芯在使用初期（潔凈時(shí)）、 中期（100 kPa 時(shí)）、 后期（150 kPa 時(shí)）3個(gè)典型階段下， 完成一個(gè)過(guò)濾流程的壓降特性。 在SRE 系統(tǒng)中， 初期濾芯潔凈時(shí)， Ⅰ型濾芯隨著過(guò)濾時(shí)間延長(zhǎng)， 壓降增長(zhǎng)極緩， Ⅱ型濾芯具有較為明顯的壓降增長(zhǎng)速率； 當(dāng)濾芯使用一段時(shí)間， 內(nèi)部已積累一定雜質(zhì)， 上下游阻力達(dá)到100 kPa 時(shí)， Ⅰ型濾芯的壓降增長(zhǎng)速率加快， Ⅱ型濾芯壓降增長(zhǎng)速率仍高于Ⅰ型， 呈下拋物線形； 隨著雜質(zhì)的不斷累積，當(dāng)上下游阻力達(dá)到150 kPa 時(shí)， Ⅰ型濾芯的壓降增長(zhǎng)速率高于Ⅱ型濾芯。

圖4 壓降-時(shí)間關(guān)系Fig. 4 Relationship between time and pressure drop

而TEU 系統(tǒng)則與SRE 系統(tǒng)呈現(xiàn)不同的增長(zhǎng)特性。 在使用初期， Ⅰ型濾芯保持較小的壓降增長(zhǎng)速率， Ⅱ型濾芯（表4 中Ⅱ-3＃）壓降呈明顯的下拋物線形增長(zhǎng)； 在中期階段， 2 種濾芯的壓降增長(zhǎng)速率相當(dāng)； 在后期階段， Ⅰ型濾芯的壓降增長(zhǎng)速率高于Ⅱ型。 總體來(lái)看， 2 個(gè)系統(tǒng)的任一階段， 自研濾芯壓降變化趨勢(shì)均更為穩(wěn)定， 尤其在SRE 系統(tǒng)的中前期階段， 自研濾芯有優(yōu)于進(jìn)口濾芯50 ～80 kPa的增長(zhǎng)裕量。

在對(duì)濾芯全壽命周期的連續(xù)觀測(cè)中， 提取了前15 個(gè)過(guò)濾流程的壓差表數(shù)據(jù)， 如圖5 所示。 2 種類型濾芯的壓降增長(zhǎng)特性不同， Ⅰ型濾芯在2 系統(tǒng)中壓降均呈指數(shù)型增長(zhǎng)， 前期保持較長(zhǎng)時(shí)間的低阻力， 在8 個(gè)過(guò)濾流程之后， 壓降增速加快。 這是因?yàn)殡S著使用頻率的增加， 過(guò)濾層孔隙率結(jié)構(gòu)發(fā)生變化， 由于前期的雜質(zhì)阻塞， 孔隙率變小， 阻力變大。 Ⅱ型濾芯壓降特性不明顯， SRE 系統(tǒng)中第4 個(gè)過(guò)濾流程即增至200 kPa 高壓， 隨之在175 kPa 的高阻力工況下呈波動(dòng)形； TEU 系統(tǒng)中在4 ～6 個(gè)過(guò)濾流程間突增至125 kPa， 隨后保持5 kPa／h 的速率緩慢增長(zhǎng)。 通過(guò)對(duì)比， 自主研發(fā)濾芯的阻力特性曲線更符合指數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律：

圖5 阻力特性Fig. 5 Resistance characteristics

式中： ΔPf為濾芯上下游壓降， Pa； ξ 為局部阻力系數(shù)； Q 為流量， m3／s； A0為濾紙層展開面積， m2； ρ 為流體密度， kg／m3； ΔPg為褶型濾芯折褶結(jié)構(gòu)壓降［7］， Pa。

隨著過(guò)濾時(shí)間的延長(zhǎng)， 雜質(zhì)被濾紙層不斷截留， 濾紙孔隙率變小， 滲透率下降。 濾紙孔徑和孔隙結(jié)構(gòu)直接影響濾芯的阻力系數(shù)ξ， 進(jìn)而引起過(guò)濾阻力的變化， 即濾芯上下游壓降的增大。 因此， ξ為時(shí)間t 的函數(shù)， 即ξ =f（t）， 則式（1）表達(dá)為：

式（2）可以描述隨著使用時(shí)間的增加濾芯的阻力變化特性， 即濾芯極限壓降與使用壽命之間的關(guān)系。 在核電放射性水過(guò)濾系統(tǒng)中， 過(guò)濾器壓差表監(jiān)測(cè)過(guò)濾器總壓降， 包括濾芯壓降ΔPf和殼體壓降ΔPs［8］， 即ΔP=ΔPs+ΔPf。 壓降與過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系如圖6 所示。

圖6 過(guò)濾時(shí)間與壓降關(guān)系Fig. 6 Relationship between filtering time and pressure drop

通過(guò)工程案例應(yīng)用與理論分析可知， 自主研發(fā)濾芯的阻力特性與理論特性更加吻合。 核電放射性水處理系統(tǒng)中， 濾芯長(zhǎng)期處于高阻力工況中， 易對(duì)濾芯造成破壞， 失去過(guò)濾功能， 不利于濾芯的長(zhǎng)期投運(yùn)； 同時(shí)， 由于濾芯帶來(lái)的局部阻力增加， 使得系統(tǒng)流量減小， 管網(wǎng)阻力特性變化， 改變泵的運(yùn)行揚(yáng)程曲線， 造成管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行不良， 甚至可能帶來(lái)機(jī)組停機(jī)危害。 因此， 自主研發(fā)濾芯的壓降特性更有利于水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 使用壽命

核電廠過(guò)濾器設(shè)計(jì)極限壓降為250 kPa， 達(dá)到極限壓降時(shí)需進(jìn)行更換， 為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行， 要求濾芯的使用壽命更長(zhǎng)以減少更換頻率。 以TEU 系統(tǒng)為例， 對(duì)比分析了Ⅰ型濾芯與4 支Ⅱ型濾芯的使用壽命。 該系統(tǒng)的輸水過(guò)濾并非連續(xù)過(guò)濾， 輸水頻率不固定， 過(guò)濾頻率較高時(shí)可達(dá)2 次／d， 較低時(shí)為1 次／月， 取決于機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。 在連續(xù)1 a 的觀測(cè)期間（如圖7 所示）， 1＃、 2＃、 4＃3支Ⅱ型濾芯均使用不到45 d， 過(guò)濾不超過(guò)15 次，約每隔1 個(gè)月需更換1 次新濾芯， 成本極高。 Ⅱ-3＃ 型濾芯與Ⅰ型濾芯使用相同天數(shù)時(shí)， Ⅰ型濾芯允許過(guò)濾次數(shù)相較Ⅱ-3＃ 型濾芯更高， 無(wú)論是使用壽命還是過(guò)濾頻次， Ⅰ型濾芯均更可靠。

圖7 濾芯壽命Fig. 7 Service life of filter element

3.3 過(guò)濾性能

濾芯的過(guò)濾性能主要為過(guò)濾效率、 過(guò)濾精度、納污容量。 其中， 自主研發(fā)濾芯的過(guò)濾效率和過(guò)濾精度已在試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證， 過(guò)濾效率為99.81%［6］，而工程現(xiàn)場(chǎng)缺少對(duì)過(guò)濾效率進(jìn)行直接測(cè)量的條件，故以該處過(guò)濾器下游TER 系統(tǒng)向海洋排放頻率來(lái)評(píng)估排水是否達(dá)標(biāo)， 這是因?yàn)槿绻具^(guò)濾器過(guò)濾效率不達(dá)標(biāo)， 向海洋排放頻率會(huì)大大減少， 經(jīng)調(diào)研，向海洋排放頻率并無(wú)異常。

在自主研發(fā)濾芯使用期間， 未發(fā)生任何系統(tǒng)運(yùn)行不良等異常情況。 國(guó)產(chǎn)濾芯使用完畢仍保持外觀良好（如圖8（a）、 8（b）所示）， 而進(jìn)口濾芯在使用完畢出現(xiàn)了濾紙層扭曲破損開裂、 粘接處毛邊等現(xiàn)象（如圖8（c）、 8（d）所示）， 這也證明了高阻力工況的確對(duì)濾芯產(chǎn)生了不良影響， 致使濾芯壽命縮短。 對(duì)濾芯正常使用到期的納污容量進(jìn)行稱重測(cè)量發(fā)現(xiàn)， 應(yīng)用于SRE 系統(tǒng)的自主研發(fā)濾芯納污容量與進(jìn)口濾芯相當(dāng)， 應(yīng)用于TEU 系統(tǒng)的自主研發(fā)濾芯納污容量高于進(jìn)口濾芯2.76 kg， 自主研發(fā)濾芯納污容量可觀。

圖8 退役濾芯外觀Fig. 8 Apperance of decommissioned filter element

4 結(jié)論

（1） 自主研發(fā)的核放射性圓筒褶形玻璃纖維濾芯在核島放射性水處理系統(tǒng)中滿足98% 的設(shè)計(jì)過(guò)濾要求， 保證了系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

（2） 自主研發(fā)濾芯阻力特性符合指數(shù)增長(zhǎng)特性， 使用壽命可長(zhǎng)達(dá)170 d， 允許過(guò)濾次數(shù)高于進(jìn)口濾芯， 納污容量高于進(jìn)口濾芯2.76 kg。

（3） 實(shí)踐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明， 自研濾芯在過(guò)濾后期壓降增速加快， 可考慮將濾芯使用后期的降阻作為延長(zhǎng)濾芯壽命的改進(jìn)方向。