核電廠海水淡化方案選擇

王 鵬

（國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100094）

0 引言

目前國內(nèi)核準(zhǔn)的核電項(xiàng)目均為濱海電廠，一個(gè)安裝6臺(tái)百萬千瓦等級機(jī)組的核電廠，年耗淡水量在600萬噸以上，由于牽涉到核電廠的安全運(yùn)行，因此對水源的保證率要求極高。隨著沿海廠址的日益稀缺，濱海核電廠采用海水淡化解決淡水來源，擺脫外部條件的限制已經(jīng)成為一個(gè)趨勢。

1 海水淡化技術(shù)

海水淡化技術(shù)也稱海水脫鹽技術(shù)，是分離海水中鹽和水的過程，目前海水淡化領(lǐng)域的三大主流技術(shù)是海水反滲透法（SWRO）、低溫多效蒸餾（LT-MED）和多級閃蒸（MSF）［1］。

1.1 海水反滲透法（SWRO）

反滲透法使用的反滲透膜是一種用特殊材料和加工方法制成的、具有半透性能的薄膜，能在外加壓力作用下使水溶液中的水透過而不許鹽分透過，從而達(dá)到淡化的目的。

為防止膜被污染和污堵，反滲透的進(jìn)料海水需進(jìn)行預(yù)處理，以去除懸浮固體及其它有害物。隨著超濾技術(shù)的不斷成熟和設(shè)備費(fèi)用的降低，超濾作為海水淡化反滲透的預(yù)處理設(shè)備，具有工藝簡單、操作方便和出水水質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的預(yù)處理方式。經(jīng)預(yù)處理后的海水，經(jīng)高壓泵增壓后，進(jìn)入膜脫鹽設(shè)備，產(chǎn)出的中間淡水產(chǎn)品進(jìn)入后處理設(shè)施精制成終產(chǎn)品淡水，濃鹽水自膜脫鹽設(shè)備排出。

所需能耗主要用于提供反滲透過程所需的壓力，為了降低費(fèi)用，通常在濃鹽水排放管線上安裝能量回收裝置，可以回收濃鹽水能量的60%～90%，其規(guī)模制水的能耗為 4.0～7.0 kW·h/m3。

優(yōu)點(diǎn)：無相變過程，能耗低；工程投資及造水成本較低；裝置緊湊，占地較少。

缺點(diǎn)：預(yù)處理要求嚴(yán)格，反滲透膜需要定期更換，海水溫度低的情況下需加熱處理。

1.2 多級閃蒸技術(shù)（MSF）

將海水加熱到一定溫度后，引入到一個(gè)閃蒸室，其室內(nèi)的壓力低于海水所對應(yīng)的飽和蒸汽壓，部分海水迅速汽化，冷凝后即為所需淡水；另一部分海水溫度降低，流入另一個(gè)壓力較低的閃蒸室，又重復(fù)蒸發(fā)和降溫的過程。將多個(gè)閃蒸室串聯(lián)起來，室內(nèi)壓力逐級降低，海水逐級降溫，連續(xù)產(chǎn)出淡化水。

多級閃蒸的造水比，是所得淡水（蒸餾水）的重量與所耗加熱蒸汽的重量之比，是淡化廠經(jīng)濟(jì)效益的直接體現(xiàn)，如日產(chǎn)淡水幾百噸或四、五千噸的裝置，造水比一般為5～8左右；日產(chǎn)淡水1萬噸的裝置，造水比多在10左右；日產(chǎn)淡水四、五萬噸的裝置，造水比可達(dá)到13～14。

優(yōu)點(diǎn)：單機(jī)容量大，最大的可達(dá)到5萬t/天；產(chǎn)品水鹽的質(zhì)量濃度一般為3～10 mg/L。

缺點(diǎn)：最高工作溫度為110℃，需要采用價(jià)格昂貴的換熱材料，工程投資高，為反滲透法的2倍；能耗高，在10 kW·h/m3以上［2］。設(shè)備的操作彈性小，是設(shè)計(jì)值的80%～110%，不適應(yīng)于造水量要求可變的場合；當(dāng)其傳熱管腐蝕穿孔將污染水質(zhì)。

1.3 低溫多效蒸餾技術(shù)（LT-MED）

將一系列的水平管噴淋降溫蒸發(fā)器串聯(lián)起來，蒸汽進(jìn)入第一效蒸發(fā)器，與進(jìn)料海水熱交換后，冷凝成淡化水。海水蒸發(fā)，蒸汽進(jìn)入第二效蒸發(fā)器，并使幾乎同量的海水以比第一效更低的溫度蒸發(fā)，自身又被冷凝。這一過程一直重復(fù)到最后一效，連續(xù)產(chǎn)出淡化水。

優(yōu)點(diǎn)：海水的蒸發(fā)溫度不超過70℃，減緩了設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢；熱效率比多級閃蒸高，30余度的溫差可達(dá)到10左右的造水比；操作負(fù)荷可從40%～110%變化，彈性較大；能耗較低；前處理較簡單，化學(xué)藥劑消耗較低；系統(tǒng)的操作安全可靠，即便發(fā)生傳熱管泄漏，僅僅降低產(chǎn)量而不會(huì)影響水質(zhì)。

缺點(diǎn)：低溫多效蒸餾設(shè)備體積較大，裝置費(fèi)用較高。

2 山東海陽核電廠海水淡化方案技術(shù)論證及比較

山東海陽核電廠規(guī)劃容量為6臺(tái)百萬千瓦等級的核電機(jī)組，一期工程2臺(tái)機(jī)組正在建設(shè)，二期工程擬緊跟一期工程建設(shè)，海水淡化規(guī)模按滿足1-4號機(jī)組淡水用量設(shè)計(jì)，預(yù)留5、6號機(jī)組海水淡化擴(kuò)建用場地。由于MSF投資和運(yùn)行費(fèi)用較高，且對變出力工況的調(diào)節(jié)能力較差，因此工程僅對海水反滲透和低溫多效這兩種方案進(jìn)行對比論證。

2.1 淡化需求量和出力

根據(jù)核算結(jié)果，全廠淡水需求量見表1。

表1 全廠淡水需求量 t/d

海水淡化出力選擇如下：

膜處理方法除鹽水處理系統(tǒng)需考慮30%～50%的設(shè)備檢修備用出力，4臺(tái)機(jī)的海水淡化出力，按 19 200 t/d（800 t/h）設(shè)計(jì)，6 臺(tái)機(jī)按 26 400 t/d（1 100 t/h）規(guī)劃。

考慮到熱法不宜頻繁啟停，其出力應(yīng)與淡水需求量配套，現(xiàn)階段海水淡化出力按15 000 t/d（625 t/h）設(shè)計(jì)，規(guī)劃出力為 22 500 t/d（938 t/h）。

2.2 海水反滲透（SWRO）

2.2.1 工藝流程

擬采用如下流程：循環(huán)水系統(tǒng)來海水→絮凝沉淀池→清水池→超濾裝置→超濾水箱→海水反滲透裝置（配能量回收）→淡水箱。

2.2.2 SWRO預(yù)處理系統(tǒng)

膜法海水淡化對入口海水水質(zhì)要求較高，其預(yù)處理出水水質(zhì)應(yīng)滿足反滲透裝置的進(jìn)水水質(zhì)要求污染指數(shù)（SDI）小于 3［3］，故本工程擬采用絮凝沉淀+超濾的預(yù)處理方式。

絮凝沉淀池對原水適應(yīng)力強(qiáng)（0～3 000 NTU），內(nèi)部無鋼結(jié)構(gòu)件、防腐工程量小，適合作為海水淡化系統(tǒng)的預(yù)處理設(shè)備。經(jīng)絮凝沉淀池后，出水濁度可降到5 NTU以下，含沙量基本接近零。

根據(jù)超濾中試結(jié)果，超濾膜的實(shí)際產(chǎn)水水質(zhì)可以達(dá)到設(shè)計(jì)值。

2.2.3 后續(xù)水處理系統(tǒng)

工程后續(xù)除鹽水處理系統(tǒng)擬采用反滲透+一級除鹽+混床處理工藝。本期設(shè)4臺(tái)120t/h反滲透裝置、4臺(tái)Φ2800的陽床、4臺(tái)Φ2800的陰床和4臺(tái)Φ2000的混床，滿足1-4號機(jī)對除鹽水的需求量，5、6號機(jī)組考慮采用同樣的處理方式，并為其預(yù)留相應(yīng)的位置。

2.2.4 系統(tǒng)參數(shù)

系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 海水反滲透系統(tǒng)參數(shù)

2.3 低溫多效蒸餾技術(shù)（MED）

2.3.1 系統(tǒng)流程

擬采用流程：海水→絮凝沉淀池→自動(dòng)反沖洗過濾器→LT-MED裝置→淡水箱。

2.3.2 預(yù)處理工藝

為避免MED管束被粘泥覆蓋，影響換熱效率，按絮凝沉淀+過濾考慮，過濾器選擇網(wǎng)式自動(dòng)反沖洗過濾器，過濾精度500μm，出水濁度接近0 NTU。

2.3.3 后續(xù)水處理系統(tǒng)

后續(xù)水處理系統(tǒng)擬采用兩級混床處理，設(shè)4臺(tái)Φ2000混床，1套再生系統(tǒng)及酸堿儲(chǔ)存系統(tǒng)。酸、堿廢水就地中和后排至非放射性生產(chǎn)廢水系統(tǒng)。

2.3.4 系統(tǒng)參數(shù)

工程設(shè)置兩套出力為7 500 t/h的LT-MED裝置，系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。

2.3.5 蒸汽來源及影響

經(jīng)過與汽機(jī)供貨商配合，確定正常工作時(shí)的汽源為四抽來的濕蒸汽，壓力為0.981 MPa（a），溫度為179℃。汽輪機(jī)的抽汽量為77.2 t/h時(shí)，出力將減少10.8 MW。

表3 低溫多效蒸餾系統(tǒng)參數(shù)

從1、2號機(jī)組分別接出抽汽管道，在廠房外合成一路母管至兩臺(tái)海水淡化設(shè)備，正常運(yùn)行時(shí)一臺(tái)汽輪機(jī)供汽，另一路作為備用。3、4號機(jī)組的系統(tǒng)配置同1、2號機(jī)。如果1、2號機(jī)均停機(jī)，可以打開供汽聯(lián)絡(luò)管道上的閥門，由 3、4號機(jī)組供汽，圖1所示。

在1號機(jī)組正常運(yùn)行前，需要考慮啟動(dòng)鍋爐提供蒸汽。

圖1 海水淡化系統(tǒng)（WDS）所需蒸汽流程圖

2.3.6 對可能存在的放射性分析

主蒸汽比放射性活度超過限值。此時(shí)主蒸汽門與海水淡化快速隔離門同時(shí)關(guān)閉，關(guān)閉時(shí)間分別為0.15 s、3 s。蒸汽到達(dá)主蒸汽門約需1.35 s的時(shí)間，蒸汽到海水淡化快速隔離門的時(shí)間約為6.65 s，共計(jì)8 s。故此工況下放射性不可能進(jìn)入MED裝置，圖2所示。

圖2 從核島到MED的蒸汽路徑

主蒸汽比放射性活度不超過限值且MED換熱管無泄露時(shí)。從汽機(jī)來的蒸汽進(jìn)入MED的第一效凝結(jié)，單獨(dú)回收，回收后經(jīng)二級混床處理，進(jìn)入凝結(jié)水箱，不與最終淡水箱混合，因此最終淡水中不含放射性。

當(dāng)主蒸汽內(nèi)的放射性活度不超過限值，且換熱管發(fā)生泄漏時(shí)。此時(shí)微量的放射性會(huì)進(jìn)入淡水中，因此不建議MED的淡水作為飲用水。

2.4 技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性比較

海水淡化技術(shù)比較如表4所示。

表4 海水淡化技術(shù)比較

海水淡化投資費(fèi)用比較如表5所示。

表5 海水淡化投資費(fèi)用比較 萬元

海水淡化運(yùn)行費(fèi)用比較如表6所示。

表6 海水淡化運(yùn)行費(fèi)用比較 元/t

3 結(jié)論

雖然低溫多效蒸餾可以采用汽機(jī)的抽汽，但其初投資、制水成本均較高。海水反滲透法的維護(hù)工作量大，但運(yùn)行靈活，投資和運(yùn)行成本低，且不存在放射性污染的可能，故濱海核電項(xiàng)目推薦采用海水反滲透淡化方案。