增加膜除氧装置解决氧含量高问题的探讨_周晨光.pdf

科技视界Science&Technology VisionDOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2022.30.09增加膜除氧装置解决氧含量高问题的探讨周晨光李蔚然笪浩刘龙（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐314000）【摘要】秦 二厂3/4号机 组 除 盐 水箱 氧 含 量 长 期 偏 高，影 响 一 回 路 的 安 全 稳 定 运 行，而 且 排 向 三 废 系 统 造 成 运 行压 力增 大。因 此 必须 通 过维修 及改 造 方 法降 低氧 含 量，结 合 机组 现 有 条 件以 及 不 同 除 氧技 术 的 优 缺 点 进 行 合 理 选 择，最 终通 过 技改 增 加膜 除 氧 装 置，解 决 水 箱 氧 含量 高 的 问题，减 轻 人 员的 工 作量。【关 键词】核 电厂；膜 除氧；催化 除 氧；除 盐 除氧 水1背景1.1核电厂给水控制低溶解氧含量的重要性核电厂内不管是一回路还是二回路，都要保持较低的溶解氧的含量。氧含量如果超标，会严重影响厂内设备、金属管道的使用寿命。如果一回路管道受到腐蚀，就会存在着很大的安全隐患。在中子辐照下，一回路腐蚀产物会被活化，从而带有放射性，随着一回路内水的循环达到管道各个区域，容易积聚在过滤器，死管段等地方，大大增加了人员受辐照的剂量。因此，一回路水的除氧效果是一个直接影响电厂安全运行的因素。除盐水从除盐水水箱到一回路循环的整个过程中，除氧可以分成两步进行。第一步是通过 ASG 系统的除氧器将除盐水除氧后储存在 REA 水箱内。反应堆启动阶段，整个一回路还处于氧环境下，需要在一回路内通过化学添加联氨来进行除氧。正常运行时，除了消除流体内的氧，还要防止水的辐照分解产生氧，通过容控箱加氢来抑制水的辐照分解，从而大大减少一回路水的含氧量，减少管道和设备的腐蚀。1.2氧含量偏高的原因分析秦二厂 3/4 号机除盐除氧水箱氧含量在技改之前始终接近在高限值，原因跟水箱的结构有关。水箱的结构是浮顶结构，水箱与浮顶之间有一圈胶皮。胶皮的一端连接在水箱壁的 5 米位置，另一端与浮顶相连，正常运行控制浮顶最高升至 10 米位置。当液位上升或者下降时，浮顶会跟随液位上升或者下降。在水箱 1 米位置有一挡块，排水低于 1 米时，浮顶会在 1 米位置卡住，不会继续下降。当一个排空的 REA 水箱需要充水时，首先要对 REA 水箱排气，因为罐子排空时，里面留有一段空气，排气过程中除氧水难免与空气相接触，有一定程度的复氧。胶皮随着浮顶运动的过程中会被拉伸和挤压，在顶部时拉伸最大，在中间位置时挤压最严重。在拉伸和挤压的过程中，由于胶皮的老化，就会在表面出现许多小裂纹，空气就是通过这些小裂纹与 REA 水箱内的水接触，从而使水箱内的水复氧。2015 年更换胶皮后，胶皮材料导致硫酸根离子含量超标，也使得 REA 水箱内水质不合格。现在 REA 水箱水位控制在 7 米到 10 米之间，减少对胶皮的挤压。因为在 5 米位置，金属浮顶对胶皮的挤压是最为严重的，所以日常运行控制水位减少胶皮的损伤。但是随着运行时间的增加，REA 水箱氧含量超标仍然存在，始终无法根治，所以必须进行改造和维修。图 1 是 2017 年 11 月至 2018 年 7 月之间 8REA001BA 氧含量的取样结果：1.3氧含量偏高时的处理方法在技改增加膜除氧装置之前的日常功率运行工况下，一回路循环过程在含氢环境下，氧含量需要能够保持核电之窗030Science&Technology Vision科技视界在一个较低的水平。REA 水箱内存储的除盐除氧水在日常取样中，经常会有氧含量超标的情况发生。当化学取样 REA 水箱氧含量在接近 100ppb 时，采取的降低氧含量的方法是通过 REA 水箱排水至核岛三废系统，然后启动除氧器重新制备合格的除盐除氧水到 REA 水箱内来稀释降低氧含量。不合格的除氧水将排至三废系统进行处理，增加了三废运行的压力，整个排水过程耗时冗长，耗费大量人力。图18REA001BA氧含量的取样结果本论文通过分析各种不同除氧方法的优缺点，结合秦二厂 3/4 号机组的实际情况，论证增加膜除氧装置是否是机组当前最优的改造选择，并且简要说明当前系统的运行情况以及控制方法。2不同除氧方法优缺点分析2.1热力除氧的优缺点热力除氧的原理是利用道尔顿分压定律和亨利定律的原理。将容器内的水加热到饱和温度，水的蒸发使得容器内液体表面的蒸汽压力接近等于水面的全压力，这样水中溶解的气体就会全部析出，达到除氧除气的目的。目前秦二厂 3/4 号机组采用双堆布置，ASG 除氧器为两机组共用设备，可以为两个机组各自的 ASG 水箱制取除盐除氧水，也可以为两个机组共用的两个 REA 水箱制水。该除氧装置包括一台除氧器，两台除氧器给水泵和一台再生热交换器。两台给水泵的供电由安全母线供电，柴油发电机为其应急电源，保证应急情况下仍能为 ASG 水箱供水。除氧器为 REA 水箱补水时采用 PH=7 的 SED 水，经过再生加热器加热之后进入除氧器头部，喷成雾状，可以更充分的与上升的蒸汽接触。除氧器内水经过蒸汽的加热，会有一部分蒸汽和不凝性气体从排气口排走。经过除氧的水温度能达到 105，由一台给水泵经过再生热交换器冷却后输送到 REA 水箱。当出现故障时，还能直接利用 SED 水给水箱进行补水。水箱高液位时，会触发除氧器自动停运，防止水箱溢流。热力除氧的方法在核电厂以及其他常规电厂中最为常见，除氧器就是最常见的大型除氧设备。其优点有：（1）不仅能除氧，还能除去其他的不溶性气体；（2）除氧效果好；（3）技术成熟成本低。其缺点有：（1）除氧后水温较高，需要有冷却水冷却；（2）除氧设备体积较大；（3）耗汽量大，需要有容器接收冷凝水。此前 3/4 号机组还存在除氧器启动过程难控制，启动过程依赖运行人员的经验等缺点。2.2化学除氧的优缺点二回路化学除氧方式一般通过添加化学试剂来进行除氧，以及在反应堆启动阶段，会在一回路内加入联氨核电之窗031科技视界Science&Technology Vision进行除氧。化学除氧的基本原理就是使得水中的处于游离态的氧分子能够与所添加的化学药剂产生反应，将氧分子与试剂药物结合生成化学物，从而达到去除游离态氧的目的。化学除氧的除氧试剂也有很多种，可以分为无机除氧剂、联氨和有机除氧剂。我厂目前主要使用的是联氨除氧，由于二回路会处于碱性环境中，使得联氨有很强的还原性，而且二回路水的水温大部分区域高于 150，能使得联氨和氧分子迅速的反应，而且除氧效果好。联氨和氧的反应会生成 N2 和水，过量的联氨会在高温下分解，分解产物中会包含氨气。氨气易挥发，所以在凝汽器真空泵区域会有易挥发的氨气使得该区域有刺鼻的氨味。化学除氧的优点有：（1）除氧效果好；（2）不需要额外的设备支持。其缺点有：（1）化学反应条件要求高，比如联氨需要在 100以上才会明显反应加快；（2）化学试剂均有毒性；（3）需要添加过量的试剂量才能保证除氧效果充分；（4）联氨等化学品的储存和运输比较麻烦。2.3催化加氢除氧的优缺点国内某三代核电就是采用的催化加氢除氧方式除去除盐水箱中的氧气，在钯催化剂的作用下，水中的溶解氧会与氢气反应生成水。催化除氧单元主要设备包括两台补水泵，一个水和氢气混合器，一个装有催化树脂的树脂罐，一个出口树脂捕捉器，氢气除气罐和脱气风机。单元内还有一些监视控制仪表，如进出口溶解氧表，出口氢气表和可燃气体报警表。除盐水储存在除盐水箱内，当氧含量超过给定值或者需要向核岛用户提供除盐除氧水时，除氧单元就会启动。给水泵从除盐水箱吸水，进入混合器与氢气充分混合后进入催化树脂罐中。催化树脂罐内的树脂骨架上吸附有金属钯粒子，树脂进行过催化活性的活化处理1。在金属钯的催化作用下，水中的氧和氢气反应生成水。经过除氧的水供向用户之前，需要通过树脂捕捉器，以防有树脂进入一回路。氧含量在催化除氧单元出口可以保持在 20PPb 以下。催化树脂罐以及树脂捕捉器的顶部都装有一根排气管，有未反应的氢气需要从此处及时排除，以防氢气积聚。脱气风机的作用就是不断吹入新鲜空气，将氢气从脱气塔中吹出。该方法的优点有：（1）除氧效果好，速度快；（2）除氧装置占地面积小；（3）不引入其他杂质，氢气会通过真空塔脱除，反应附加产物也只是水。其缺点有：（1）氢气化学性质活泼，与氧气混合极易发生爆炸；（2）场地内需要实时检测氢含量，保证房间的通风；（3）误发房间风机停运或氢气浓度高报警会使除氧装置停运，影响一回路正常供水。2.4膜除氧装置的优缺点膜除氧装置是通过以亨利定律原理的气液膜分离技术2，将氧气从水中分离出来。膜除氧装置的设备简单，一般经过增压泵增压，经过两级膜除氧后，产出的除氧水氧含量很低，但局限于泵的出水能力以及膜的性能，不能为高温水进行除氧。对于 3/4 号机组 REA 水箱来说，该水箱的主要作用就是储存除盐除氧水，为一回路等设备的补水提供水源。水箱位于 N 厂房内，水温长期处于室温下，不会损伤膜除氧装置。膜除氧方法的优点有：（1）设备占地面积小；（2）设备运行安全，无爆炸风险，无烫伤风险。其缺点有：（1）除氧速度较其他方法较慢；（2）设备除氧需要氮气，进入时需要防窒息；（3）水温过高会损坏脱气膜装置。3秦二厂3/4号机采用膜除氧方式的合理性秦二厂 3/4 号机组除盐除氧水氧含量高问题的解决，首先是通过维修更换了新的浮顶胶皮，减少水箱内水通过胶皮裂缝与空气接触复氧的可能性。经检修后，REA 水箱的氧含量升高速度明显减慢。然后根据现场的实际情况排除了其他除氧方法不太适合用于对 REA 水箱内的水进行重新除氧，包括以下几点：一是 NX 厂房内空间拥挤，不适合大型的热力除氧设备，附近辅助蒸汽的管道距离较远，不具备热力除氧所需要的条件，而且已经存在 ASG 除氧装置，没有必要再设置另外冗余的热力除氧设备，所以不适合用热力除氧。二是 REA 除盐除氧水箱日常在室温状态，室温状态下，化学除氧的效果不理想，如果需要加热到 100以上再进行反应后冷却至室温，则不如使用热力除氧方法，所以化学除氧方法也不适用作技改方案。三是钯金属催化除氧装置除氧需要添加氢气，秦二厂 3/4 号机组的氢气储罐氢气压力低，催化除氧需要额外的氢气增压设备，投入较大，而且氢气核电之窗032Science&Technology Vision科技视界泄漏无法直接排向室外，风险较高。虽然催化除氧方法可以使用，但在经济性和安全性上来说，脱气膜除氧装置更适合作为当前 3/4 号机组的改进方案。综合众多的因素，膜除氧装置更加适合作为秦二厂 3/4 号机组的 REA 系统技改方案。4秦二厂3/4号机组膜除氧装置运行脱气膜除氧装置是利用亨利定律除氧的，除了核心的除氧脱气膜外，还有一系列配套的装置设备，包括增压装置，过滤装置以及氮气供应和相关阀门管道等设备。在运行过程中，设备的启停由运行人员手动控制。日常状态下，化学人员会定期对 REA 水箱溶解氧含量进行取样测量。当取样溶解氧含量高于 70ppb 时，就需要手动启动膜除氧装置除氧，氧含量降低到 40ppb 以下时，可以手动停运膜除氧装置。膜除氧装置的手动启动可以在上位机上进行启动，也可以在就地控制柜上进行。启动期间，运行人员需要关注膜除氧装置的运行情况，包括泵的运行状态，上位机上可以观察到进水端和产水端的氧含量，进水的电导率，进水端和产水端的压力，两级过滤器的压差等。参数的集中显示有利于运行人员及时发现异常，并且及时作出干预。化学人员在设备运行期间，每班也需要对 REA 水箱进行手动取样，确保氧含量测量的真实性和准确性。在 2022 年 3 月 17 日 2022 年 3 月 18 日，由于 8 REA 002 BA 氧含量超过 70ppb，所以启动膜除氧装置对水箱内的水进行重新除氧，运行期间 8REA002BA 水箱取样氧含量浓度如下表表 1 所示：如表中所示，膜除氧装置能有效降低 8REA 水箱，但在低于 100ppb 时降低氧含量的速度较慢，需要1 到 2 天时间才能降低到 40ppb 以下。除氧时间较长并不会影响 REA 水箱对一回路的补水，水箱内的水在除氧时，供水水箱切换到另一个水箱进行。目前水箱氧含量升高速率明显降低，而且不再将高氧水排放至三废系统内，大大降低了三废系统的压力，减轻了运行人员的工作压力，有利于提高人员的工作效率。5结语通过分析各种除氧方式的优缺点，我们发现膜除氧装置占地面积小，工业安全风险低，不会对除盐水产生额外的杂质，是最符合机组当前现有条件的改造方法。改造完成后，运行操作简单，除氧效果好，大大降低了排向三废的废水总量。并且改造减轻了运行人员的工作任务量，使 REA 水箱始终能保持在 100ppb 以下。【参考文献】1侯涛.AP1000除氧技术分析J.核科学与工程，2016（1）：141.2解卢生.催化树脂除氧在锅炉补给水上的应用J.区域供热，2007（3）：33-34.序号取样点名称项目名称分析值单位18REA002BA溶解氧71.8g/kg28REA002BA溶解氧64.8g/kg38REA002BA溶解氧57.3g/kg48REA002BA溶解氧48.7g/kg58REA002BA溶解氧31.9g/kg表1膜除氧装置运行期间氧含量变化核电之窗033