田民順
方家山核電廠凝汽器海水泄漏對水質影響分析及處理對策
田民順
(核電運行研究(上海)有限公司,上海 200126)
方家山核電廠自2014年投運以來二回路凝汽器海水泄漏事件時有發(fā)生,影響了核電廠的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。通過建立凝汽器海水泄漏后對二回路水質影響的模型,計算、分析了凝汽器海水泄漏對二回路水質影響趨勢及程度,為凝汽器泄漏處理原則的確定提供理論基礎。從系統(tǒng)的角度對凝汽器海水泄漏監(jiān)測的及時性和靈敏性、監(jiān)測取樣的代表性、凝結水精處理系統(tǒng)投運方式和策略、凝汽器泄漏處理的應急演練等方面進行了探索,通過對上述方面的技術改進和人員技能提升,降低凝汽器海水泄漏對機組運行的影響。同時也為核電同行及時發(fā)現(xiàn)、處理凝汽器泄漏提供很好的借鑒。
方家山核電廠;凝汽器泄漏;影響;對策
對于采用海水作為冷源的沿海核電站,凝汽器鈦管泄漏對二回路水質的污染是一個無法回避的問題。凝汽器發(fā)生泄漏后必然會導致機組狀態(tài)波動、降功率,甚至停機。國內(nèi)曾出現(xiàn)因凝汽器海水泄漏污染二回路水質,最終導致核電廠停機的事件。圖1是國外統(tǒng)計的核電廠凝汽器泄漏發(fā)生的次數(shù)與電廠電量損失的關系圖[1]。在5年時間內(nèi)共發(fā)生84次凝汽器泄漏事件,損失的電量與凝汽器泄漏的次數(shù)呈對應關系,5年里損失的電量近2億度,給電廠帶來了重大經(jīng)濟損失。此統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括內(nèi)陸采用淡水作為冷源的核電廠,當前國內(nèi)核電廠均位于沿海,采用海水作為冷源,海水的含鹽量遠遠高于淡水,若凝汽器發(fā)生海水泄漏,對機組穩(wěn)定運行的影響更大,給電廠帶來的經(jīng)濟損失更嚴重。表1是方家山核電廠近兩年凝汽器發(fā)生的泄漏情況,可見凝汽器泄漏對機組的穩(wěn)定經(jīng)濟運行有嚴重影響。
圖1 凝汽器泄漏發(fā)生的次數(shù)與電站電量損失
表1 近兩年方家山核電凝汽器泄漏情況[2]
除此之外,凝汽器海水泄漏進入二回路的雜質會最終隨給水進入蒸汽發(fā)生器(SG),雜質會在SG內(nèi)發(fā)生濃縮、隱藏。根據(jù)美國電力研究院(EPRI)的研究,在傳熱管沉積物下的雜質濃縮倍率一般小于104倍,而在傳熱管—管板(支撐板)縫隙下的雜質離子濃縮倍率可高達到108倍[3],濃縮區(qū)的化學環(huán)境將更為惡劣,增加了SG傳熱管腐蝕破損的風險。
所以核電廠需高度重視凝汽器泄漏帶來的影響,優(yōu)化凝汽器泄漏后的處理對策,降低凝汽器海水泄漏的影響。
凝汽器的海水泄漏率計算公式如下[4]:
CT=CW×(1/2) (1)
式中:CT——凝汽器海水泄漏率,kg/h;
CW——凝結水流量,kg/h;
1——凝結水鈉離子濃度,μg/kg;
2——海水中鈉離子濃度,μg/kg。
根據(jù)公式(1)可以計算出凝汽器的海水泄漏率,為后續(xù)凝汽器隔離查漏提供依據(jù)。
在進行凝汽器海水泄漏率計算時,應以凝結水的鈉離子濃度為依據(jù),不可使用凝汽器熱阱內(nèi)的鈉離子濃度計算,因為熱阱水室中的鈉離子存在混合不均勻和取樣代表性的問題,計算的海水泄漏率存在偏差,影響后續(xù)凝汽器的隔離和查漏。
SG在機組正常運行期間其液位保持相對穩(wěn)定,此時SG進水、排出蒸汽和排污的物料存在平衡關系。圖2是核電廠SG物料平衡示意圖。
SG在正常運行時基本不變,此時:1=2+3,SG內(nèi)某雜質濃度是以時間為自變量的因變量。在SG物料平衡中,SG內(nèi)增加鹽量=流入鹽量-流出鹽量。經(jīng)過推導,可得出SG某雜質濃度與時間的微分關系式:
()=(0)×EXP(-2×/)+
[1-EXP(-2×/)]×(1×1/2) (2)
根據(jù)公式(2)的計算,可以推導凝汽器海水泄漏后SG內(nèi)的水質的變化趨勢。
根據(jù)方家山機組二回路設計參數(shù),在凝汽器泄漏量不變和SG排污量維持在給水流量1.2%的情況下,根據(jù)公式(2)計算約4 h后因泄漏引入二回路的雜質會在SG內(nèi)達到平衡濃度。圖3是凝汽器發(fā)生10 kg/h的泄漏后,SG排污水中鈉離子濃度的上升趨勢圖。從圖3中可以看出,在泄漏初期,SG內(nèi)的鈉離子濃度呈直線快速上升,由此可見在凝汽器泄漏發(fā)生后第一時間響應對于二回路水質控制及機組運行是至關重要的。
圖2 核電廠蒸汽發(fā)生器物料平衡示意圖
圖2中:
1——給水流量,kg/s;
1——給水中某雜質離子濃度,μg/kg;
2——排污流量,kg/s;
2——排污水中某雜質離子濃度,μg/kg;
3——蒸汽流量,kg/s;
3——蒸汽中某雜質離子濃度,μg/kg(由于蒸汽的攜帶能力弱,3可以看作為0);
——蒸汽發(fā)生器的裝量,kg。
圖3 凝汽器海水泄漏率為10 kg/h時SG鈉離子濃度上升趨勢圖
圖4至圖6分別是凝汽器海水泄漏率為10 kg/h、5 kg/h和1 kg/h下SG鈉離子上升趨勢圖。
泄漏率為10 kg/h:泄漏海水進入SG約1 min后,SG中的鈉離子濃度即達到限運行7天的三區(qū),約5 min即限運行24 h的四區(qū),約16 min即達到需要在1 h內(nèi)開始向停機模式后撤的五區(qū)。
圖4 凝汽器海水泄漏率為10 kg/h時SG鈉上升趨勢和對機組運行的影響
泄漏率為5 kg/h:泄漏海水進入SG約1 min后,SG中的鈉離子濃度即達到限運行7天的三區(qū),約10 min即限運行24 h的四區(qū),約37 min即達到需要在1 h內(nèi)開始向停機模式后撤的五區(qū)。
圖5 凝汽器海水泄漏率為5 kg/h時SG鈉上升趨勢和對機組運行的影響
泄漏率為1 kg/h:泄漏海水進入SG約5 min后,SG中的鈉離子濃度即達到限運行7天的三區(qū),約80 min即限運行24 h的四區(qū),約4 h后SG鈉離子達到約143 μg/kg平衡濃度,也就是在泄漏率為1 kg/h下,SG中最鈉離子終平衡濃度是不會上升到五區(qū)的。
根據(jù)方家山機組二回路設計參數(shù),在凝汽器發(fā)生泄漏進入海水后,考慮雜質在二回路轉移的時間,雜質約12 min進入到SG,開始影響SG水質。圖7是凝汽器海水泄漏率為10 kg/h和5 kg/h下對機組運行影響的時序圖。
圖6 凝汽器海水泄漏率為1 kg/h時SG鈉上升趨勢和對機組運行的影響
圖7 凝汽器海水泄漏率為10 kg/h和5 kg/h下對機組運行影響時序圖
從圖7并根據(jù)方家山壓水堆機組SG鈉離子濃度規(guī)范(見圖8),在凝汽器海水泄漏率為10 kg/h時,從泄漏開始約29 min后,SG水質就進入五區(qū),需1 h內(nèi)停機。
圖8 方家山壓水堆機組SG鈉離子濃度規(guī)范
由以上分析可見在凝汽器發(fā)生泄漏后響應時間的緊迫性,且隨著泄漏率的增大,響應時間越短,如處置不當,機組將很快達到降功率甚至停堆的行動限值。因此在凝汽器泄漏處理上首先要能檢測到凝汽器泄漏,其次要建立完備的響應機制和高的設備可靠性來執(zhí)行因凝汽器泄漏造成水質污染的緩解措施。
凝汽器在線檢漏、監(jiān)測系統(tǒng)一般由取樣泵、管線、在線分析儀表和顯示報警系統(tǒng)組成。方家山凝汽器熱阱采用在線陽電導率表來監(jiān)測凝汽器海水泄漏。由于陽電導率的固有局限性,其在監(jiān)測凝汽器海水泄漏存在測量值波動大、響應不明顯的問題。
2.1.1測量值波動大
圖9是凝汽器熱阱檢漏系統(tǒng)配置陽電導率表在350 min內(nèi)的測量值,最大值為0.158 6 μs/cm,最小值為0.141 3 μs/cm,波動幅度達到0.017 3 μs/cm。根據(jù)摩爾電導率及海水雜質離子濃度,此波動值若換算成鈉濃度,對應的鈉離子濃度為1.5 μg/kg。若按此水質進入SG,在濃縮80倍下,SG內(nèi)的鈉離子濃度達到120 μg/kg,即達到核電機組限運行24 h的運行限值要求。
圖9 在線陽電導率測量值波動
2.1.2響應不明顯、滯后
圖10是凝結水泵出口在線鈉表和在線陽電導率表在某次凝汽器發(fā)生泄漏后監(jiān)測的鈉和陽電導率趨勢。在線鈉表出現(xiàn)明顯上升趨勢十多分鐘后在線陽電導率才出現(xiàn)上升,陽電導率從0.088 μs/cm上升到0.098 μs/cm,上升值為0.010 μs/cm,其上升量也僅是陽電導率表的正常波動區(qū)間。從前述凝汽器海水泄漏率對SG水質及機組運行的影響分析,十多分鐘的響應時間對于處理凝汽器泄漏是至關重要的。
圖10 凝汽器海水泄漏后在線鈉表和在線陽電導率表響應趨勢
方家山機組在凝汽器熱阱檢漏系統(tǒng)設計上采用了陽電導率表,其存在的響應不明顯、滯后等問題將影響到凝汽器泄漏后的及時處理,為機組安全穩(wěn)定運行帶來了隱患。根據(jù)陽電導率和鈉表的檢測限值,在凝汽器海水泄漏時鈉表的響應比陽電導率高一個數(shù)量級[5]。
2.1.3新二回路水化學控制模式下陽電導率監(jiān)測靈敏度降低
隨著核電水化學控制技術的發(fā)展,越來越多的核電站改變之前二回路只采用氨作為堿化劑的水化學控制模式,將堿化劑從氨變更為嗎啉—氨、ETA—氨等混合堿化劑協(xié)同控制后,由于新增的有機堿化劑分解產(chǎn)生有機酸,會使二回路整體陽電導率上升;且隨著有機堿化劑濃度的波動,分解產(chǎn)生的有機酸濃度也會變化,將導致陽電導率波動進一步上升,從而降低陽電導率監(jiān)測凝汽器海水泄漏的靈敏性,這更增加了陽電導率監(jiān)測凝汽器泄漏的難度。
當凝汽器發(fā)生海水泄漏,海水最先進入凝汽器熱阱,影響熱阱水質。獲得熱阱內(nèi)有代表性的樣品并在第一時間內(nèi)給出凝汽器海水泄漏報警,對凝汽器海水泄漏的及時處理至關重要。
在凝汽器單側熱阱內(nèi)一般布置有3個取樣點,分別對應著鈦管進口管板、出口管板和總取樣點。
圖11是方家山核電機組凝汽器單側熱阱取樣點布置示意圖。
圖11 方家山核電廠凝汽器單側熱阱取樣點布置圖
按電廠運行文件,正常運行期間凝汽器單側熱阱進口管板、出口管板和總取樣點取樣閥V1、V2、V3均保持在打開狀態(tài)。由于現(xiàn)場取樣管線走向、管長和凝汽器真空度等因素,如果將三個取樣點全部打開,不能保證取出的水樣是從這三個取樣點均勻分配的,個別取樣點甚至存在無水樣的情況。
2019年的一次凝汽器泄漏中,在凝泵出口鈉離子濃度達到6.2 μg/kg的情況下某側熱阱的鈉離子取樣分析結果始終小于檢測限(<0.1 μg/kg)。后經(jīng)對熱阱取樣閥門切換,證實總取樣點V2在三個取樣點閥門都打開的狀態(tài)下取不到水樣,數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 凝汽器泄漏下單側熱阱和凝泵出口鈉濃度
在凝汽器發(fā)生泄漏的情況下,快速投運凝結水精處理系統(tǒng)至全流量凈化是避免因SG水質惡化導致機組降功率、停運的唯一手段。方家山核電站正常運行情況下,凝結水精處理系統(tǒng)保持離線狀態(tài),只有在凝汽器發(fā)生海水泄漏、機組啟動或其他異常情況下,凝結水精處理系統(tǒng)才投入運行。同時凝結水精處理系統(tǒng)沒有自動投入功能,只能通過操作人員手動投入運行。在離線狀態(tài)下,凝結水精處理投運及至全流量凈化凝結水所需時間長,且由于系統(tǒng)缺陷(如漏水等)甚至出現(xiàn)無法投運的問題。在一次凝汽器泄漏處理過程中,從6時10分接到投運凝結水精處理系統(tǒng)指令,到8時36分才將凝結水精處理系統(tǒng)達到全流量凈化,共用時約2.5 h,因凝結水精處理系統(tǒng)投運時間過長,致使該機組被迫降功率,這也和前述海水泄漏對SG水質影響分析相吻合。
3.1.1凝汽器檢漏系統(tǒng)的在線陽電導率表變更為在線鈉表
在凝汽器發(fā)生海水泄漏后要求核電站在第一時間內(nèi)響應,這樣才能將因凝汽器海水泄漏造成的影響降至最低。由此可見,凝汽器海水泄漏監(jiān)測對于凝汽器海水泄漏處理至關重要。根據(jù)前述分析,方家山核電廠設計采用的在線陽電導率表存在波動大、與在線鈉表相比存在響應滯后等問題,因此為提高凝汽器檢漏系統(tǒng)監(jiān)測的及時性,需將在線陽電導率表更換為在線鈉表。
另外在線鈉表只需要進行電極標定、過濾器清洗等定期維護,與在線陽電導率表需要進行陽樹脂再生、陽樹脂柱更換等定期維護量相比,在線鈉表的維護工作量小。但凝結水經(jīng)過在線鈉表后水質會被污染,不能再回到凝汽器熱阱,這點與原來的在線陽電導率存在差異,變更時需要加以考慮。
3.1.2優(yōu)化凝汽器熱阱取樣閥門狀態(tài)
凝汽器熱阱相當于一個水流復雜的水箱,圖12是方家山核電廠凝汽器單側熱阱水流及取樣點布置示意圖。汽輪機低壓缸排氣經(jīng)凝汽器冷凝后形成的水流分為三個部分:凝汽器進口管板側冷凝水、凝汽器出口管板側冷凝水和中部鈦管冷凝水,這三個部分的冷凝水最終都流到集水平臺,通過集水盤后匯入熱阱??側狱cV2設置于集水盤中,該取樣點可以取到該側熱阱所有的冷凝水,如果此側熱阱發(fā)生海水泄漏,通過該取樣點就可以及時發(fā)現(xiàn)并通過電站數(shù)據(jù)系統(tǒng)給出報警信息。所以在電站正常運行期間應只保持總取樣點V2處于打開狀態(tài),管板取樣點V1和V3保持關閉狀態(tài)。在發(fā)現(xiàn)凝汽器泄漏后,再通過V1和V2閥門的切換來初步定位泄漏點的位置。
圖12 方家山核電廠凝汽器單側熱阱水流及取樣點布置圖
3.2.1凝結水精處理系統(tǒng)熱備用
核電廠二回路設計凝結水精處理系統(tǒng)使用離子交換樹脂凈化凝結水。在正常運行情況下,凝結水精處理系統(tǒng)保持離線狀態(tài),即凝結水精處理陽床和混床處于不滿水、不帶壓的狀態(tài),此時投運需要對樹脂床進行上水、排氣、升壓等操作,投運時間長,因此需要優(yōu)化凝結水精處理系統(tǒng)備用時的狀態(tài)。
帶壓熱備用:在機組正常運行期間,保持凝結水精處理系統(tǒng)進口閥、前置陽床、混床的入口和出口閥門打開,使陽床、混床處于帶壓熱備用狀態(tài)。在凝汽器發(fā)生海水泄漏時,只要啟動凈凝結水泵,同時連鎖打開凈凝結水泵出口電動閥,就可以實現(xiàn)凝結水精處理系統(tǒng)投運。
3.2.2凝結水精處理系統(tǒng)自動投運
在方家山核電廠的一次凝汽器泄漏處理中,從凝汽器泄漏到將處于帶壓熱備用的凝結水精處理系統(tǒng)投入運行,耗時30 min,但SG水質仍然到達了五區(qū),機組需要降功率運行。這說明在凝汽器海水泄漏時,通過人下指令、人工投運精處理,即使做到極致也很難避免凝汽器泄漏海水對SG水質的影響,迫使機組降功率。因此在凝汽器發(fā)生泄漏時,實現(xiàn)凝結水精處理系統(tǒng)自動投運功能是必要的。
在凝汽器四側熱阱和凝泵出口分別安裝有在線陽電導率表和在線鈉表,在線監(jiān)測凝汽器鈦管泄漏。可以將凝汽器泄漏在線監(jiān)測信號與精處理系統(tǒng)自動投運邏輯關連起來,這樣只要出現(xiàn)泄漏,凝結水精處理系統(tǒng)就可以在第一時間自動投入運行,阻斷海水進入SG。為防止單一測點帶來的誤啟動,可采用凝汽器熱阱和凝結水泵出口在線表都出現(xiàn)報警才自動觸發(fā)凝結水精處理系統(tǒng)自動啟動的邏輯。另外在凝結水精處理系統(tǒng)設計時考慮了凝結水精處理系統(tǒng)的旁路管線,該管線上未設置任何閥門,這就意味著不管凝結水精處理系統(tǒng)的狀態(tài)如何,都可以保證凝泵出口處于暢通狀態(tài),同時可以對凈凝結水泵設置軟啟動,最大化地減小精處理系統(tǒng)啟動帶來的沖擊。
另外由于凝結水旁路管線上沒有閥門,在投運凝結水精處理系統(tǒng)后仍然存在凝結水旁通精處理系統(tǒng)的可能,所以必須確保凈凝結水泵出口流量大于凝結水泵出口流量100 t/h以上,以確保凝泵出口水全部經(jīng)過凝結水精處理系統(tǒng)凈化處理。
凝結水精處理系統(tǒng)是可緩解海水泄漏對機組運行影響的唯一手段,因此凝結水精處理系統(tǒng)的投運策略就直接決定了凝汽器泄漏后響應??紤]到凝結水精處理系統(tǒng)投運對電廠安全運行影響不大,但如果凝結水精處理系統(tǒng)未投運或投運不及時,嚴重影響電廠的穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。因此在電廠未實施凝結水精處理系統(tǒng)自動投運變更前,應按照“寧可投錯,不可不投或緩投”的凝結水精處理系統(tǒng)投運策略來響應、處理凝汽器海水泄漏,降低凝汽器海水泄漏對機組安全穩(wěn)定運行的影響。
凝汽器海水泄漏直接影響到核電廠的穩(wěn)定運行,且凝汽器泄漏的發(fā)生具有突然性,泄漏初期還不易察覺,因此電廠應不定期地組織演練,持續(xù)保持電廠人員、文件和設備對于凝汽器泄漏處理的響應能力。演練包括:凝汽器泄漏的判斷、凝結水精處理系統(tǒng)的投運、凝汽器熱阱泄漏側的排查、海水泄漏量的計算以及各專業(yè)間的信息溝通等。
在凝汽器投運時傳熱管的環(huán)境會發(fā)生變化,因查漏不徹底或沒有查出的漏點可能重新開始泄漏。所以凝汽器經(jīng)過查漏處理后,在凝汽器恢復運行時,采用凝汽器海水側分步滿水,確認在滿水過程中沒有異常后將該側凝汽器恢復運行。這樣可初步定位因查漏不徹底或沒有查出漏點的傳熱管位置,為查漏提供依據(jù)。另外,在凝汽器恢復運行前需要凝結水精處理系統(tǒng)投入運行,以防止再次泄漏對二回路水質的影響。
凝汽器海水泄漏給方家山核電廠的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行帶來挑戰(zhàn)和影響,通過凝汽器海水泄漏對SG水質影響的分析,并結合方家山核電機組設計特點,要將凝汽器海水泄漏對電廠運行的影響降至最低,需要在第一時間監(jiān)測到凝汽器海水泄漏;通過變更,實現(xiàn)凝結水精處理系統(tǒng)在凝汽器泄漏時自動投運,避免雜質進入SG;上述兩步實施后再通過凝汽器檢漏系統(tǒng)定位泄漏凝汽器,利用檢漏手段查出泄漏傳熱管并處理;在泄漏凝汽器恢復時再采取分步滿水法,避免漏查以確保二回路水質,最大限度地降低因凝汽器泄漏導致的雜質在SG沉積物下、縫隙處雜質濃縮產(chǎn)生腐蝕,最終確保SG的性能和使用壽命[6]。方家山核電屬于當前國內(nèi)主流的M310型核電機組,因此方家山核電廠對凝汽器泄漏處理的對策也可供同類型核電廠參考。
[1] K Fruzzetti. Pressurized Water Reactor Secondary Water Chemistry Guidelines[R].Revision 8.2017:C-2.
[2] 楊高升.中國核電凝汽器泄漏事件專項總結報告[R].Qinshan China,2019:19-20.
[3] Samuel Choi.Hideout Return Calculator[R].CNNP/EPRI Membership Meeting,Qinshan,China,2015:4-5.
[4] R E Putman.Condenser In-Leakage Guideline[R].2000:5-4.
[5] Keith Fruzzetti.Sensitivity Analysis of a PWR Secondary System Condenser Cooling Water In-leakage Event Using Either Continuous Sodium or Cation Conductivity Measurement at the Hotwell[R].2019:11.
[6] 游兆金,田民順,盧葉艇,等.秦山重水堆核電廠蒸汽發(fā)生器二次側腐蝕產(chǎn)物控制研究和實踐[J].核科學與工程,2020,40(6):918.
Analysis and Countermeasures of Water Quality Affected by Seawater Leakage of Condenser in Fangjiashan Nuclear Power Plant
TIAN Minshun
(Nuclear power operations research institute Co.,LTD,Shanghai 200126,China.)
Fangjiashan nuclear power plant has been in operation since 2014,the leakage of seawater from the condenser in the secondary side also occurs from time to time,which affects the safety,stability and economic operation of the nuclear power plant.By establishing a model for the influence of condenser seawater leakage on the water quality of the secondary side,the trend and degree of the influence of condenser seawater leakage on the water quality of the secondary side are calculated and analyzed,which provides a theoretical basis for the principle of condenser leakage treatment.From the perspective of the system,the timeliness and sensitivity of the condenser seawater leakage monitoring,the representativeness of the sample,the operation mode and strategy of the condensate polishing system,and the emergency drill of the condenser leakage treatment and other aspects were explored.The technical improvement and staff skill improvement in the above aspects can reduce the impact of condenser seawater leakage on the operation of Fangjiashan nuclear power plant,and also provide a good reference for the nuclear power peers to find and handle the condenser leakage in time.
Fangjiashan Nuclear Power Plant;Leakage of condenser;Effect;Countermeasures
TL48
A
0258-0918(2021)03-0605-10
2020-10-30
田民順(1980—),男,江蘇江都人,學士,高級工程師,現(xiàn)主要從事核電廠化學方面研究