在線鈉表在核電站二回路化學(xué)監(jiān)督中的應(yīng)用

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

1 緒論

1.1 在線鈉表及相關(guān)概念

在線鈉表、在線化學(xué)分析儀表、化學(xué)監(jiān)督。

在線鈉表是連續(xù)測(cè)量水樣中鈉離子濃度的在線化學(xué)分析儀表。

在線化學(xué)分析儀表是化學(xué)監(jiān)督專用在線工業(yè)流程式成份分析儀表，為了區(qū)別電測(cè)儀表和熱工儀表而稱為在線化學(xué)儀表。

化學(xué)監(jiān)督是對(duì)電廠水汽品質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量管理，使其各項(xiàng)指標(biāo)控制在生產(chǎn)要求的范圍之內(nèi)。

1.2 在線鈉表作用概述

鈉表是核電廠化學(xué)在線儀表中最關(guān)鍵儀表，而在線化學(xué)儀表是核電廠化學(xué)監(jiān)督的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

提高化學(xué)監(jiān)督水平，嚴(yán)格控制水汽品質(zhì)，可防止和減緩熱力設(shè)備腐蝕、結(jié)垢，提高設(shè)備的安全性，延長(zhǎng)使用壽命，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

化學(xué)儀表在化學(xué)監(jiān)督中起著至關(guān)重要的作用，其準(zhǔn)確性決定著化學(xué)監(jiān)督的可靠性?；瘜W(xué)技術(shù)監(jiān)督要求發(fā)揮在線化學(xué)儀表連續(xù)、及時(shí)的監(jiān)測(cè)功能以及可以消除疏漏、虛報(bào)、主觀誤差與準(zhǔn)確可靠的技術(shù)特點(diǎn)。同時(shí)，技術(shù)診斷還要求化學(xué)儀表所提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能充分發(fā)揮作用，對(duì)水汽質(zhì)量有惡化的跡象進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)可能發(fā)生的事故進(jìn)行預(yù)報(bào)，以及事故追億并提示處理措施等指導(dǎo)性意見(jiàn)。

發(fā)電廠熱力系統(tǒng)中鈉離子含量是監(jiān)督蒸汽品質(zhì)、鑒別凝汽器的泄漏、監(jiān)督陽(yáng)離子交換器參數(shù)，是發(fā)電廠蒸汽品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，可直接反映熱力設(shè)備的積鹽腐蝕的程度。蒸汽中攜帶一些含鈉的雜質(zhì)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)金屬材料的點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞，這些腐蝕常會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。在線鈉表用于監(jiān)測(cè)鈉離子水平，具有相應(yīng)速度快，信號(hào)反應(yīng)靈敏的優(yōu)點(diǎn)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)凝汽器泄漏和蒸汽品質(zhì)惡化的情況，對(duì)減少水汽系統(tǒng)腐蝕結(jié)垢和蒸汽系統(tǒng)積鹽有重要意義。

2 在線鈉表的應(yīng)用

鈉表的工作原理為離子選擇性電極法。鈉離子的對(duì)數(shù)響應(yīng)與鈉離子濃度之間的關(guān)系符合Nernst方程式：

E=E0+2.3(RT/nF)lg(C/Ciso)

式中：E為測(cè)量電極電位；E0為等電勢(shì)點(diǎn)電極電位；R為理想氣體常數(shù)，R=8.31(J/mol·k)；T為水樣熱力學(xué)溫度;N為離子價(jià)態(tài);F為法拉第常數(shù)，F(xiàn)=96485C/mol；C為鈉離子有效濃度(活度)；Ciso為鈉離子濃度(活度)mol/L，此時(shí)電位E與溫度無(wú)關(guān)(等電勢(shì)點(diǎn))。

儀表通過(guò)測(cè)量鈉電極在樣水中電位的變化，計(jì)算出鈉離子的濃度。

2.1 在線鈉表測(cè)點(diǎn)及作用

以國(guó)內(nèi)最普遍的三回路1000MW的M310機(jī)組為例，兩臺(tái)機(jī)組共用一套除鹽水裝置，其在線鈉表配置及作用如表1。

表1 在線鈉表配置

2.2 在線鈉表與氫電導(dǎo)相比的優(yōu)越性

除陽(yáng)床鈉表外，配備在線鈉表的測(cè)點(diǎn)也同時(shí)配備了電導(dǎo)率表或氫電導(dǎo)率表。電導(dǎo)率表的特點(diǎn)是非常穩(wěn)定可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單，但在鈉離子濃度很低時(shí)，靈敏度較在線鈉表差，如圖1所示。

圖1 各溫度下不同濃度的NaCL電導(dǎo)率曲線圖

從圖1中可以看出，在NaCL1.0ppb以下，電導(dǎo)率儀幾乎反映不出鈉離子的變化。因而，不管是電導(dǎo)率還是氫電導(dǎo)率，都不具有監(jiān)測(cè)滲漏進(jìn)入冷凝水中NaCl的能力；直接測(cè)量鈉離子方法可以提請(qǐng)運(yùn)行人員注意，不久凝汽器將滲漏并監(jiān)測(cè)小量的滲漏。使用在線鈉表檢測(cè)凝汽器滲漏要比通過(guò)電導(dǎo)率或氫電導(dǎo)率來(lái)得早得多。

在線鈉表的價(jià)格遠(yuǎn)較電導(dǎo)率表高，但因其在水質(zhì)檢測(cè)中的優(yōu)越性，在重要的測(cè)點(diǎn)，除了配備電導(dǎo)率表外，還需配備在線鈉表。換句話說(shuō)，在線鈉表的測(cè)點(diǎn)，均是重要測(cè)點(diǎn)；其檢測(cè)指標(biāo)，均是關(guān)鍵指標(biāo)。在線鈉表是二回路在線化學(xué)儀表中最關(guān)鍵的儀表。

2.3 WANO化學(xué)性能指標(biāo)對(duì)在線鈉表的要求

WANO將蒸發(fā)器二次側(cè)排污水鈉離子含量(SG Na)作為影響化學(xué)性能指標(biāo)的主要因素。這是由核電廠SG結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所要求的。

核電廠SG傳熱管材質(zhì)一般為Inconel 690合金，一種Ni-Cr型鎳基(Ni≥50%)耐蝕合金，發(fā)生在其上的腐蝕包括鉛致應(yīng)力腐蝕、低價(jià)硫應(yīng)力腐蝕、雜質(zhì)蒸汽應(yīng)力腐蝕、酸性或堿性應(yīng)力腐蝕等[1]。其中與化學(xué)在線儀表配置關(guān)系較大的為雜質(zhì)蒸汽應(yīng)力腐蝕：給水在蒸汽發(fā)生器會(huì)濃縮50～100倍，給水中的雜質(zhì)在蒸汽發(fā)生器傳熱縫隙還會(huì)進(jìn)一步富集，縫隙里富集的物質(zhì)濃度可達(dá)到臨近自由管段表面濃度的兩倍以上，外部本體中濃度的10倍、甚至104倍以上。受熱面縫隙里物質(zhì)腐蝕及濃縮使傳熱管凹陷變形。凹陷使管道緩慢變形而形成很大的應(yīng)力，造成和加速一次側(cè)和二次側(cè)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。因此，需嚴(yán)格監(jiān)控給水及SG中的Na+、CL-、Fe3+、SO42-等[2]。

WANO化學(xué)性能指標(biāo)要求，SG二次側(cè)鈉離子控制指標(biāo)小于2×10-12；按50～100的濃縮倍率計(jì)算，給水及凝水中的鈉含量小于0.02～0.04×10-12。

按照《DL912-2005_超臨界火力發(fā)電機(jī)組水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，火電廠對(duì)爐水(相當(dāng)于核電廠的SG)中的鈉含量沒(méi)有要求，給水及凝水中的鈉含量分別小于5×10-12及3×10-12[3]。WANO化學(xué)性能指標(biāo)要求遠(yuǎn)較常規(guī)電站的要求嚴(yán)格，且0.02～0.04×10-12的指標(biāo)也超出了一般在線鈉表0.1×10-12的檢測(cè)下限。故要求應(yīng)用于核電站的在線鈉表必須有更低的檢測(cè)下限，同時(shí)準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的要求也很高。

3 核電站對(duì)在線鈉表的特殊要求

基于以下原因，核電站對(duì)在線鈉表的可靠性有更高的要求。

3.1 核安全的要求：

SG傳熱管的腐蝕爆管，會(huì)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(hù)熱力系統(tǒng)設(shè)備安全的作用外，還與核安全有關(guān)。

3.2 預(yù)防性維修的要求：

維修活動(dòng)包括預(yù)防性維修和糾正性維修。糾正性維修是指設(shè)備故障后的維修行為，預(yù)防性維修是在設(shè)備失效以前采取行動(dòng)，避免設(shè)備失效。在線鈉表作為化學(xué)監(jiān)督的關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)在預(yù)防性維修上多下功夫。

預(yù)防性維修要求設(shè)備有較低的偶然故障率，同時(shí)要求元器件在進(jìn)入損耗故障前進(jìn)行翻修。為使 預(yù)防性維修可執(zhí)行，以及避免過(guò)高的維修代價(jià)，要求在線鈉表有較高的可靠性，其元器件有較長(zhǎng)的壽命及較高的穩(wěn)定性[4]。

3.3 核電站維修程序的特殊性

核電站設(shè)備維修程序遠(yuǎn)較常規(guī)電站嚴(yán)格、復(fù)雜，包括其工單管理程序，及設(shè)備質(zhì)量缺陷報(bào)告(QDR)管理程序等。

以QDR為例，工作流程包括質(zhì)量缺陷的發(fā)現(xiàn)、質(zhì)量缺陷的確認(rèn)與處理、QDR的審批、QDR的執(zhí)行、驗(yàn)收、關(guān)閉、歸檔、檢查與考核等多個(gè)環(huán)節(jié)。故障率高的設(shè)備大大增加QDR的數(shù)量，造成維修人員的工作量大幅度增加，消耗維修資源。

4 運(yùn)行核電站在線鈉表使用情況介紹

4.1 運(yùn)行核電站在線鈉表使用現(xiàn)狀

已運(yùn)行的核電站，包括秦山一期、秦山二期、秦山二期(擴(kuò)建)、秦山三期、田灣核電、大亞灣核電、嶺澳核電、嶺澳二期等，在線鈉表基本上為美國(guó)THERMO ORION的產(chǎn)品。

THERMO ORION在線鈉表的型號(hào)早期為1811EL，2005年以后升級(jí)為2111LL。

2111LL在線鈉表的主要技術(shù)指標(biāo)為：測(cè)量范圍0.001×10-12～10×10-6；最小檢出限0.01×10-12；精度為讀數(shù)的±2.5%。

4.2 運(yùn)行核電站在線鈉表技改

表2為目前運(yùn)行核電站在線鈉表示技改情況。

表2運(yùn)行核電站在線鈉表技改情況

核電站系統(tǒng)技改類型技改前廠家型號(hào)技改后廠家型號(hào)大亞灣REN改型CITA 2340-1ORION 1811EL秦山二期ATE改型Polymetron 9073ORION 1811EL秦山三期二回路產(chǎn)品升級(jí)ORION 1811ELORION 2111LL二回路增加測(cè)點(diǎn)(凝泵出口)/ORION 2111LL水廠增加測(cè)點(diǎn)(混床)/ORION 2111LL田灣核電LDB改型SIEMENSSI-CHEM-N01ORION 2111LL

4.3 THERMO ORION在線鈉表的優(yōu)勢(shì)分析

核電站在線鈉表需要有很低的檢測(cè)下限和很高的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，在這些方面，THERMO ORION鈉表較其它品牌的鈉表有一定的優(yōu)勢(shì)，其原因分析如下：

THERMO ORION鈉表的鈉電極材質(zhì)為純鋁矽酸鈉，測(cè)量下限可以低至0.01×10-12。

THERMO ORION鈉表的參比電極及鈉電極的內(nèi)參比采用其專利的ROSS電極，具有很高的穩(wěn)定性；其它品牌采用銀/氯化銀，穩(wěn)定性稍差。

THERMO ORION鈉表的堿化采用獨(dú)特的擴(kuò)散管堿化技術(shù)，降低H+對(duì)測(cè)量的干擾的同時(shí)，最大程度地減少堿化帶來(lái)的雜質(zhì)的干擾。

由于技術(shù)所限，通常鈉表校驗(yàn)的兩種標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度分別為100×10-12及1000×10-12，而THERMO ORION采用專利的DKA校驗(yàn)技術(shù)，校驗(yàn)的兩種標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度分別為10×10-12及100×10-12，遠(yuǎn)低于通常的鈉表，更接近于實(shí)際水樣，可帶來(lái)更高的校驗(yàn)精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

在線鈉表是核電站二回路化學(xué)監(jiān)督的關(guān)鍵儀表。由于核電站SG結(jié)構(gòu)的特殊性，有求要求鈉表有很低的檢測(cè)下限和很高的靈敏度；同時(shí)核電站維修理念及維修程序又要求，鈉表必須有很好的穩(wěn)定性及可靠性。從運(yùn)行核電站實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，在線鈉表基本上是THERMO ORION品牌一家獨(dú)大，很多在常規(guī)電站普遍使用的在線鈉表，在核電站的應(yīng)用效果并不好，這從各核電站的技改方案也能反映出來(lái)。進(jìn)一步提高在線鈉表的穩(wěn)定性及靈敏度，以適應(yīng)核電站二回路化學(xué)監(jiān)督的需求，也是各儀表廠家今后發(fā)展的目標(biāo)也是各儀表廠家今后需要重點(diǎn)關(guān)注的工作。

[1]丁訓(xùn)慎.核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管的腐蝕與防護(hù).腐蝕與防護(hù)，2000(1)：15-37.

[2]John Douglas. Solutions for St eam Gener ator s. EPRIJournal,1995( 5,6) : 28-34.

[3]DL912-2005 超臨界火力發(fā)電機(jī)組水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn).

[4]盧文躍,等.核電站設(shè)備可靠性管理體系的探索與運(yùn)作.核動(dòng)力工程，2005(12)：65-72.