聶雪超,侯 濤,姜 磊,吳旭東
(三門核電有限公司,浙江 臺(tái)州 317112)
蒸汽發(fā)生器(SG)是核電廠一、二回路的樞紐,是核電廠中最重要的設(shè)備之一。它的主要作用是將一回路冷卻劑中的熱量傳遞給二回路給水,加熱給水產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。蒸汽發(fā)生器中傳熱管作為一、二回路的分界面,對(duì)機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用,其傳熱效率影響機(jī)組出力,其完整性則直接與放射性泄漏相關(guān)。
機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,在SG 傳熱管二次側(cè)由于水的沸騰蒸發(fā)導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)“隱藏”濃縮,形成惡劣的局部化學(xué)環(huán)境,從而引起傳熱管腐蝕并影響SG 運(yùn)行。因此,為更好地評(píng)估SG 長(zhǎng)期運(yùn)行的結(jié)構(gòu)完整性,除了要控制好SG 二次側(cè)大空間水質(zhì)確保各參數(shù)按水質(zhì)控制規(guī)范要求處于運(yùn)行限值內(nèi),還需要結(jié)合大修停堆有針對(duì)性地進(jìn)行SG 雜質(zhì)隱藏鹽返回試驗(yàn),對(duì)SG 二次側(cè)局部隱藏鹽返回狀況進(jìn)行評(píng)估。
三門核電1 號(hào)機(jī)組為美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)的AP1000 ( Advanced Passive Pressurized-Water Reactor 1000,非能動(dòng)先進(jìn)壓水堆)全球首堆,因其蒸汽發(fā)生器在設(shè)計(jì)上與其他二代核電存在不同,導(dǎo)致SG 隱藏鹽返回試驗(yàn)評(píng)估方法與其他傳統(tǒng)電廠存在差異。本文通過(guò)結(jié)合AP1000 SG 設(shè)計(jì)特點(diǎn),開(kāi)發(fā)出一套針對(duì)AP1000 特有的SG 隱藏鹽返出的試驗(yàn)方法和評(píng)估流程,并在三門核電1、2 號(hào)機(jī)組大修期間進(jìn)行運(yùn)用,為二回路水質(zhì)優(yōu)化、確保SG 持續(xù)處于最優(yōu)水化學(xué)環(huán)境提供保障。
在反應(yīng)堆啟動(dòng)、升功率及滿功率運(yùn)行的過(guò)程中,爐水(排污水)中非揮發(fā)性溶液累積在流動(dòng)閉塞區(qū)域,由于閉塞區(qū)域中水的蒸發(fā)造成雜質(zhì)的隱藏現(xiàn)象。雜質(zhì)的隱藏一般發(fā)生在SG傳熱管支撐板、管板、管板上方的泥渣堆或沉降在傳熱管上方的多孔腐蝕產(chǎn)物中。雜質(zhì)主要有固體懸浮物Fe3O4、Cu、Ti 等,微溶離子Pb2+、Fe2+、Zn2+、Cu2+、Ca2+、Mg2+、SiO32-等,易溶離子如Na+、K+、Cl-、SO42-等。排污水中雜質(zhì)濃度由給水流量、排污流量和蒸汽排放流量(一般雜質(zhì)攜帶較少)、流動(dòng)受限區(qū)域的雜質(zhì)堆積損失率決定。
當(dāng)反應(yīng)堆降功率或者停堆排污時(shí),流動(dòng)閉塞區(qū)域中隱藏的雜質(zhì)會(huì)重新溶解返回大空間水中,這種現(xiàn)象稱為隱藏鹽返回。隱藏鹽返回主要研究的是以上隱藏的可溶性雜質(zhì)離子,即易/微溶解性離子和低揮發(fā)性離子。
SG 進(jìn)出的雜質(zhì)輸送控制關(guān)系可以根據(jù)SG 中的物料平衡來(lái)建立,如圖1 所示。物料平衡關(guān)系可作如下描述:隱藏區(qū)域雜質(zhì)的積累率 + 排污水中雜質(zhì)的積累率 = 給水進(jìn)入的雜質(zhì)率 - 蒸汽帶走的雜質(zhì)率 - 排污帶走的雜質(zhì)率,得出公式(1)。
式中:C——雜質(zhì)濃度,10-9;
W——質(zhì)量流量,kg/h;
A——隱藏區(qū)域雜質(zhì)濃縮量,μg;
t——時(shí)間,h;
M——SG 工質(zhì)質(zhì)量/水裝量,kg;
下角:
FW——給水;
S——蒸汽;
BD——排污水。
根據(jù)以上物料平衡關(guān)系,結(jié)合不同運(yùn)行階段的特點(diǎn),可分別得出穩(wěn)定功率運(yùn)行、降功率期間、熱零功率 - 降溫冷停堆階段的計(jì)算公式。
機(jī)組在穩(wěn)定功率正常運(yùn)行時(shí),任何時(shí)間間隔Δt內(nèi)的雜質(zhì)隱藏以下面的增量公式來(lái)計(jì)算:
這里帶橫線的變量為Δt時(shí)間段內(nèi)的平均值。根據(jù)(2)式,需要給出準(zhǔn)確的給水、蒸汽、排污水和爐水中的雜質(zhì)成分濃度。由于給水和蒸汽中雜質(zhì)成分(如鈉離子、鹵離子和硫酸根離子)接近傳統(tǒng)檢測(cè)方法的可檢測(cè)水平限值,且獲得具有代表性的樣品也存在很大的困難,因此,必須采取專門的實(shí)驗(yàn)方法,以便能夠使用(2)式來(lái)估算雜質(zhì)隱藏情況。
在降功率期間,在時(shí)間間隔Δt內(nèi)雜質(zhì)隱藏鹽返回量計(jì)算公式如下:
這里R表示時(shí)間Δt內(nèi)從隱藏區(qū)域返出的雜質(zhì)量。
由于排污水中的隱藏鹽返回十分顯著,蒸汽和給水中濃度的準(zhǔn)確測(cè)量值無(wú)法得到,因此,可以將(3)式簡(jiǎn)化如下:
這個(gè)簡(jiǎn)化實(shí)際上相當(dāng)于認(rèn)為蒸汽和給水中輸送的雜質(zhì)數(shù)量與隱藏鹽返回的雜質(zhì)數(shù)量相比可以忽略不計(jì)。由于蒸汽中攜帶的雜質(zhì)一般小于給水中攜帶的雜質(zhì),根據(jù)(4)式估算出的隱藏鹽返回量是偏高的。需要注意的是,在計(jì)算中,應(yīng)考慮在降功率期間,由于蒸汽的減少而導(dǎo)致SG 二次側(cè)水體積的增加。
在熱零功率~降溫冷停堆階段,蒸汽中攜帶的雜質(zhì)可忽略。因此,可將(3)式簡(jiǎn)化如下用于估算隱藏鹽返回。
通過(guò)以上各階段的物料平衡關(guān)系,結(jié)合各階段的水質(zhì)分析結(jié)果,即可計(jì)算出蒸發(fā)器隱藏物返出量。
(1)人力投資。蘇州工業(yè)園特別注重人才的培養(yǎng)和引進(jìn),不僅引進(jìn)了諸中科大、中國(guó)人民大學(xué)等26所國(guó)內(nèi)高等教育院校,還引進(jìn)了如美國(guó)加州伯克利大學(xué)、加拿大滑鐵盧大學(xué)等世界名校資源。此外,園區(qū)出臺(tái)各種優(yōu)惠政策引進(jìn)高層次人才,如2017年人才薪酬補(bǔ)貼每人3萬(wàn)元、4萬(wàn)元、5萬(wàn)元不等,共有787名碩士及以上學(xué)位的領(lǐng)軍、高層次和緊缺骨干人才獲得了此項(xiàng)補(bǔ)貼,此舉為園區(qū)發(fā)展提供源源不斷的動(dòng)力。
AP1000 在設(shè)計(jì)上與傳統(tǒng)電廠存在較大差異。
AP1000 設(shè)計(jì)給水流量6 800 m3/h,正常排污最大流量42 m3/h,SG 濃縮倍率約160 倍,國(guó)內(nèi)M310 機(jī)組SG 濃縮倍率約85 倍,根據(jù)蒸發(fā)器設(shè)計(jì)特點(diǎn),相同水質(zhì)條件下,濃縮倍率高,腐蝕產(chǎn)物、雜質(zhì)離子等更容易在SG 內(nèi)部發(fā)生沉積、隱藏。即以上公式中CFW相同的情況下,CBD將存在較大差異,對(duì)計(jì)算過(guò)程造成影響。
從以上公式中可以看出,給水、排污和蒸汽流量均為計(jì)算輸入值,因AP1000 給水流量較傳統(tǒng) M310 機(jī)組要大(AP1000 流量為6 800 m3/h,傳統(tǒng)M310 機(jī)組約為5 000 m3/h 左右),排污流量較M310 機(jī)組要?。ˋP1000 單列排污流量為20 m3/h,傳統(tǒng)M310 電廠約為30 m3/h),將對(duì)計(jì)算過(guò)程造成影響。
從以上公式可以看出,蒸汽發(fā)生器水裝量為計(jì)算輸入值,因 AP1000 蒸發(fā)器水裝量與M310 機(jī)組存在差異(AP1000 約為150 m3,M310 約為100 m3),將對(duì)計(jì)算過(guò)程造成影響。
AP1000 單個(gè)SG 設(shè)計(jì)有10 塊支撐板,支撐板結(jié)構(gòu)如圖2 所示,采用三葉草形管孔結(jié)構(gòu)[1]。傳熱管位于管孔內(nèi)部,水汽通過(guò)傳熱管與支撐板的縫隙向上流動(dòng),由于淤渣密度大,其將不同程度的停留在各級(jí)支撐板管孔間的實(shí)心區(qū)域。如圖3 所示,而國(guó)內(nèi)M310 機(jī)組SG 支撐板上的管孔設(shè)計(jì)成拉制的“四葉梅花形管孔”[2],較AP1000 機(jī)組接觸面積要大,更容易發(fā)生腐蝕產(chǎn)物沉積。
根據(jù)隱藏鹽返回量計(jì)算機(jī)理分析,以上差異將對(duì)SG 隱藏鹽返出計(jì)算評(píng)估過(guò)程造成影響。基于此原因,下文將根據(jù)AP1000 設(shè)計(jì)特點(diǎn),開(kāi)發(fā)出一套適用于AP1000 蒸發(fā)器隱藏物返出的試驗(yàn)方案及評(píng)估方法。該方法在AP1000 機(jī)組——三門核電1、2 號(hào)機(jī)組進(jìn)行應(yīng)用,評(píng)估當(dāng)前水化學(xué)狀況,為二回路水質(zhì)優(yōu)化、SG 持續(xù)處于最優(yōu)水化學(xué)提出建議。
結(jié)合AP1000 機(jī)組設(shè)計(jì)特點(diǎn),對(duì)AP1000隱藏鹽返出試驗(yàn)方法及評(píng)估流程進(jìn)行開(kāi)發(fā),整個(gè)試驗(yàn)流程如圖4 所示。
根據(jù)EPRI 蒸發(fā)器隱藏鹽返出導(dǎo)則中推薦的取樣頻率及分析項(xiàng)目要求,結(jié)合同行經(jīng)驗(yàn),確定出AP1000 蒸發(fā)器隱藏鹽返回試驗(yàn)的實(shí)施方案,不同階段的取樣頻率、分析項(xiàng)目要求如表1 所示。在隱藏鹽返回研究中,同時(shí)記錄一、二回路的溫度、壓力、SG 水位、主給水/啟動(dòng)給水流量、排污流量等參數(shù),為隱藏鹽返回計(jì)算提供原始數(shù)據(jù)。
表1 取樣頻率、分析項(xiàng)目要求[3]Table 1 Requirements for the sampling frequency and analysis items[3]
通常,隱藏鹽返回評(píng)估流程主要包括雜質(zhì)隱藏鹽返回總量計(jì)算和縫隙化學(xué)計(jì)算,具體評(píng)估流程如下。
3.2.1 隱藏鹽返回量計(jì)算
首先對(duì)ChemWorks軟件HR Project模塊進(jìn)行建模[4],計(jì)算出不同階段蒸發(fā)器液位、液體質(zhì)量、液體體積和功率之間的相互關(guān)系,為降功率期間、降溫停堆期間隱藏鹽返回總量計(jì)算提供輸入。
(1) 蒸發(fā)器液位與水裝量(體積)的關(guān)系計(jì)算
在執(zhí)行隱藏物返出試驗(yàn)期間,根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果,需根據(jù)不同階段的水裝量將離子含量換算至SG 本體中,進(jìn)行隱藏鹽質(zhì)量及后續(xù)縫隙區(qū)域高溫pH(t)計(jì)算。表2 統(tǒng)計(jì)了AP1000 SG窄量程液位與水裝量的關(guān)系。
表2 AP1000 不同SG 窄量程液位下單個(gè)SG 水裝量(體積)Table 2 The water capacity (volume) of single SG under different SG narrow range levels in AP1000
將表2 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,如圖5,得出蒸發(fā)器中水裝量(質(zhì)量)和窄量程液位變化的關(guān)系式:
式中:V——SG 水裝量(體積),m3;
NR——蒸發(fā)器窄量程液位,%。
將表3 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,如圖6 所示,得出蒸發(fā)器中水裝量(質(zhì)量)和功率變化的關(guān)系式:
表3 AP1000 不同功率平臺(tái)下單個(gè)SG 水裝量(質(zhì)量)Table 3 The water capacity (mass) of single SG under different power platforms of AP1000
式中:M1——不同功率下SG 中水的質(zhì)量,kg;
M0——零功率平臺(tái)下SG 中水的質(zhì)量,kg;
P——功率,%。
分別將公式(6 )、公式(7 )輸入ChemWorksHR Project 模塊,并將表1 中Na+、Al3+等所需分析雜質(zhì)離子信息輸入,隱藏鹽返回量計(jì)算的準(zhǔn)備工作完畢。
3.2.2 不同濃縮因子狀況下SG 傳熱管垢層底部及狹縫區(qū)域的高溫pH(t)值計(jì)算
一般來(lái)說(shuō),核電廠SG 在運(yùn)行過(guò)程中,其二次側(cè)大空間水環(huán)境一直保持堿性,但在流動(dòng)性較差的狹縫內(nèi),局部過(guò)熱會(huì)使這些區(qū)域的雜質(zhì)發(fā)生濃縮,致使局部區(qū)域含有大量侵蝕性離子,形成惡劣的局部化學(xué)環(huán)境,甚至可能會(huì)導(dǎo)致狹縫內(nèi)形成酸性環(huán)境,因此需要根據(jù)雜質(zhì)隱藏量計(jì)算縫隙化學(xué)高溫pH(t)值。
結(jié)合計(jì)算出的降功率期間、降溫停堆期間隱藏鹽返回總量,分別計(jì)算降功率期間和降溫停堆期間雜質(zhì)隱藏鹽返回對(duì)應(yīng)的雜質(zhì)濃度,通過(guò)ChemWorks 分析軟件MULTEQ 模塊模擬計(jì)算縫隙化學(xué)高溫pH(t)值。
以上試驗(yàn)方案及評(píng)估流程建立后,三門核電1、2 號(hào)機(jī)組大修過(guò)程中均執(zhí)行了SG 隱藏雜質(zhì)返出試驗(yàn),其中101 大修SG 隱藏雜質(zhì)返回試驗(yàn)從2019 年12 月3 日6:00 開(kāi)始至2019 年12 月4 日11:20 結(jié)束,歷時(shí)29.33 小時(shí);201 大修SG 隱藏雜質(zhì)返出試驗(yàn)從2021 年1 月31 日7:45 開(kāi)始至2021 年2 月1 日13:20 結(jié)束,歷時(shí)29.58 h。
根據(jù)分析結(jié)果,輸入ChemWorks 軟件進(jìn)行隱藏鹽返回量計(jì)算。表4 計(jì)算得到的三門101大修和201 大修雜質(zhì)隱藏鹽返回量,并記錄了其他M310 電廠大修期間SG 隱藏鹽返回量。通過(guò)比較可以看出,AP1000 電廠在設(shè)計(jì)的濃縮倍率偏高的情況下,但雜質(zhì)返出量與同行M310電廠基本相當(dāng)。一方面與AP1000 管板結(jié)構(gòu)相關(guān),另一方面則是由于AP1000 電廠在二回路水質(zhì)控制方面采用國(guó)際新技術(shù)、借鑒先進(jìn)的方法,嚴(yán)格過(guò)程控制,實(shí)施全面質(zhì)量管理,在不同階段采用不同的控制方式,從設(shè)計(jì)源頭、設(shè)備安裝、系統(tǒng)沖洗路徑設(shè)計(jì)、量化沖洗水質(zhì)的驗(yàn)收指標(biāo)、及時(shí)開(kāi)展系統(tǒng)設(shè)備的保養(yǎng)、嚴(yán)格執(zhí)行機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的二回路沖洗排污水回收、尤其是及時(shí)跟蹤參數(shù)趨勢(shì)變化并采用有效的方案糾正異常、嚴(yán)格化學(xué)品的管理和使用,確保二回路水質(zhì)得到持續(xù)優(yōu)化。
表4 各電廠大修期間雜質(zhì)隱藏鹽返回量[5]Table 4 The hideout return amount of impurities during outage of each power plant[5]
續(xù)表
圖7 為201 大修期間雜質(zhì)離子的隱藏物返回量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)??梢钥闯?,整個(gè)試驗(yàn)期間,熱態(tài)零功率至冷停堆期間大部分雜質(zhì)離子的隱藏鹽返回量明顯大于100%功率至熱停堆期間的雜質(zhì)隱藏鹽返回量,特別是Ca2+、Mg2+離子。根據(jù)SG 雜質(zhì)隱藏鹽返回的機(jī)理和特點(diǎn),一般情況下,從100%功率到熱停堆階段,隱藏鹽返回的雜質(zhì)主要來(lái)自傳熱管垢層底部;從熱停堆到冷停堆階段,隱藏鹽返回的雜質(zhì)主要來(lái)自SG 狹縫(包括管板上方泥渣堆處、傳熱管與支撐板狹縫和傳熱管與管板狹縫),這說(shuō)明雜質(zhì)主要隱藏在SG 狹縫中。對(duì)Ca2+、Mg2+隱藏鹽返回量及對(duì)應(yīng)濃度隨SG 隱藏鹽返回研究時(shí)間而增加的原因進(jìn)行分析,可以認(rèn)為隨著熱停堆向冷停堆過(guò)渡,Ca2+、Mg2+升溫溶解度隨溫度降低而增加,其形成的結(jié)垢物質(zhì)因溶解而從SG 狹縫中返出。
利用大修期間降功率和熱態(tài)零功率平臺(tái)SG 雜質(zhì)的隱藏鹽返回量,作為模擬計(jì)算高溫pH 的輸入值。圖8、圖9 為模擬計(jì)算201 大修期間SG 內(nèi)部在不同濃縮因子(CF)條件下的高溫pH(t)值。
圖8 所示是降功率期間隱藏鹽返出量計(jì)算預(yù)測(cè)的高溫pH(t)與濃縮因子(CF)的關(guān)系。由圖 8 pH(t)與 CF 之間的關(guān)系曲線可知,當(dāng)CF≤103時(shí),移除沉淀物的pH(t)、不移除沉淀物的pH(t)都在中性pH(pH(n))附近,隨著濃縮因子增加,移除沉淀物的pH(t)和不移除沉淀物的pH(t)繼續(xù)增加,當(dāng)CF≥107后移除沉淀物的pH(t)繼續(xù)增加,不移除沉淀物的pH(t)逐漸降低。根據(jù)SG 雜質(zhì)隱藏鹽返回的機(jī)理及特點(diǎn),通常情況下,從100%功率到熱停堆階段,隱藏鹽返回的雜質(zhì)主要來(lái)自傳熱管垢層底部。隱藏鹽返出數(shù)據(jù)模擬計(jì)算不移除沉淀物的pH(t)和移除沉淀物的pH(t)結(jié)果顯示傳熱管表面垢層的化學(xué)環(huán)境在較低濃縮因子CF≤103條件下呈中性,較高濃縮因子CF>103條件下呈堿性。
圖 9 所示是零功率熱停過(guò)程隱藏鹽返出量計(jì)算預(yù)測(cè)的高溫pH(t)與濃縮因子(CF)的關(guān)系。通常認(rèn)為零功率熱停階段,隱藏鹽返出的雜質(zhì)主要來(lái)自SG 狹縫(包括管板上方泥渣堆處、傳熱管與支撐板狹縫和傳熱管與管板狹縫)。由圖9pH(t)與CF 之間的關(guān)系曲線可知,當(dāng)102<CF≤108,不移除和移除沉淀物的 pH(t)高于pH(n),當(dāng)CF>108,除2#SG 不移除沉淀的pH(t)處于pH(n)附近外,1#SG 移除沉淀物和不移除沉淀物的pH(t)、2#SG 移除沉淀的pH(t)仍高于pH(n)。在較低濃縮倍率CF≤102條件下縫隙處pH(t)呈中性。
根據(jù)國(guó)外研究成果[6],正常運(yùn)行狀況下,SG 傳熱管結(jié)垢垢層底部的最大濃縮因子(CF)為103,而SG 狹縫雜質(zhì)的最大濃縮因子(CF)為106,即雜質(zhì)質(zhì)量濃度可以從大空間的ppb 級(jí)最大濃縮到%級(jí)。當(dāng)狹縫里出現(xiàn)大量的泥渣堆積,且泥渣堆積厚度高,空隙率小時(shí),表現(xiàn)為最嚴(yán)重的雜質(zhì)濃縮,此時(shí)達(dá)到最大的濃縮因子,伴隨的是局部狹縫將會(huì)出現(xiàn)局部蒸干現(xiàn)象,即SG 二次側(cè)局部溫度與一次側(cè)溫度相同。因此在計(jì)算高溫縫隙化學(xué) pH 時(shí)降功率期間對(duì)應(yīng)的傳熱管結(jié)垢垢層底部雜質(zhì)的濃縮因子取值范圍設(shè)為10~103,熱零功率階段對(duì)應(yīng)的狹縫內(nèi)部的濃縮因子設(shè)為104~106。
根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果[6],pH(t)在3.5~10.5 范圍內(nèi)690 合金發(fā)生腐蝕的可能性很小。綜上所述,SG 傳熱管垢層底部和SG 狹縫內(nèi)部pH(t)在推薦的安全范圍之內(nèi),水質(zhì)狀態(tài)較好,發(fā)生腐蝕的概率很低。
本文結(jié)合AP1000 SG 設(shè)計(jì)特點(diǎn),開(kāi)發(fā)出一套AP1000 特有的SG 隱藏鹽返出試驗(yàn)方法和評(píng)估流程,并在三門核電1、2 號(hào)機(jī)組大修期間進(jìn)行運(yùn)用。通過(guò)試驗(yàn)及評(píng)估,AP1000 電廠SG 正常工況運(yùn)行期間二次側(cè)存在較少量的雜質(zhì)隱藏,隱藏量與同行電廠相當(dāng);根據(jù)高溫pH(t)計(jì)算結(jié)果,在不同的濃縮環(huán)境下傳熱管結(jié)垢垢層底部呈弱堿性至中性環(huán)境,SG 狹縫區(qū)域內(nèi)呈弱堿環(huán)境,均在推薦的安全范圍內(nèi),說(shuō)明當(dāng)前水質(zhì)狀態(tài)較好。該試驗(yàn)方法及評(píng)估流程的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用,對(duì)于后續(xù)新機(jī)組設(shè)計(jì)、調(diào)試、啟動(dòng)及正常運(yùn)行期間的水化學(xué)控制具有一定借鑒作用。