重水堆核電廠運營管理分析

張宏偉，甘　燕

（中核核電運行管理電有限公司，浙江 海鹽 314300）

重水堆核電廠運營管理分析

張宏偉，甘燕

（中核核電運行管理電有限公司，浙江 海鹽 314300）

重水管理是重水堆核電廠特有的一項技術(shù)管理工作。電廠從調(diào)試到運行初期，秦山三廠的重水管理以對重水流動情況的控制為重點，突出日常工作中的跟蹤和監(jiān)管，并保證一定的風(fēng)險承受能力。為進一步提升重水管理水平，秦山三廠建立了以降低重水損耗為主要目標(biāo)的重水管理模式，歷經(jīng)多年的努力，除實現(xiàn)了重水管理的程序化和規(guī)范化外，重水損耗也大大降低，降低到了電廠運行初期的1/4，設(shè)計值的1/8，達到世界重水堆核電廠的先進水平，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。文章結(jié)合秦山三廠重水品質(zhì)提升已經(jīng)取得的實際成效，通過對重水濃度、反應(yīng)性、平均卸料燃耗的計算，分析得出提升慢化劑重水品質(zhì)可以節(jié)省大量的燃料費用。文章以多年的實踐總結(jié)、理論計算為基礎(chǔ)，對慢化劑重水升級塔提純存在的問題及解決方式做了詳細(xì)的分析，對于影響冷卻劑濃度的相關(guān)因素也做了初步探討，展望了今后秦山三廠重水管理工作的重點及改進方向。

重水管理；現(xiàn)狀；重水品質(zhì)；提純；展望

1　重水損耗概況及未來潛力分析

秦山三廠每臺機組年設(shè)計重水回收效率為2/3，通過加強對重水的有效監(jiān)管，對反應(yīng)堆廠房重水蒸汽回收區(qū)域和反應(yīng)堆廠房通風(fēng)區(qū)域之間沒有密封的電纜套管和貫穿件的封堵、對重水蒸汽回收系統(tǒng)和反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量平衡、對重水蒸汽回收系統(tǒng)干燥劑的更換、優(yōu)化調(diào)整重水蒸汽回收系統(tǒng)干燥器的吸附時間和再生結(jié)束溫度、降低反應(yīng)堆廠房的空氣濕度等方式，使重水回收效率逐年升高［1］。2008年后2臺機組的平均回收效率達到87%，達到世界先進CANDU電廠的水平，2003—2013年度秦山三廠重水回收效率如圖1所示。

目前，秦山三廠的重水損耗不到設(shè)計值的15%，只有電廠運行初期的1/4，為此每年為公司節(jié)省近千萬元的資金，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益；氚的排放低于電廠允許值的10%，產(chǎn)生了巨大的環(huán)境效益和社會效益。秦山三廠在獲得這樣低的重水損耗的基礎(chǔ)上，要進一步降低重水損耗的空間已經(jīng)很有限，此時，只有及時調(diào)整重水管理工作的方向，才能取得更大的經(jīng)濟和社會效益。

2　重水濃度變化對燃料費用、燃耗影響及升級分析

2.1秦山三廠重水濃度變化情況

當(dāng)前世界重水堆電廠冷卻劑重水濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）一般為（98.95±0.28）%，慢化劑系統(tǒng)重水濃度一般為（99.90±0.04）%。目前，秦山三廠冷卻劑重水濃度和慢化劑重水濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別保持在99.04%、99.86%。與其他CANDU電廠相比，秦山三廠慢化劑重水濃度處于較低水平，存在一定的提升空間。

秦山三廠的技術(shù)規(guī)格書中對重水濃度的規(guī)定為：慢化劑系統(tǒng)重水濃度需比冷卻劑系統(tǒng)的重水濃度高0.61%（原子分?jǐn)?shù)）［0.55%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）］，冷卻劑系統(tǒng)重水濃度不得低于98.5%（原子分?jǐn)?shù)）［98.62%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）］。因此，秦山三廠的慢化劑重水濃度提升不會違反技術(shù)規(guī)格書的相關(guān)規(guī)定。

秦山三廠2臺機組2003—2013年慢化劑重水濃度變化趨勢如圖2所示。

2.2秦山三廠慢化劑重水濃度提升節(jié)省的燃料費用

圖1　2003—2013年秦山三廠2臺機組重水回收效率變化曲線Fig.1　D2O recycling efficiency curve for the two units of TQNPP from 2003—2013

慢化劑重水濃度升級，獲得的經(jīng)濟效益主要來源于燃料節(jié)省。通過計算重水濃度、反應(yīng)性、平均卸料燃耗之間的關(guān)系：慢化劑濃度提高0.01%可向堆芯引入0.34 mk的反應(yīng)性，增加約40 MW·d/ t（U）的平均卸料燃耗、節(jié)省約0.5%的燃料費用。以目前的99.89%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）［99.88%（原子分?jǐn)?shù)）］對應(yīng)的卸料燃耗為標(biāo)準(zhǔn)，慢化劑系統(tǒng)重水濃度分別升級到99.919%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）［99.91%（原子分?jǐn)?shù)）］或99.946% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）［99.94%（原子分?jǐn)?shù)）］時，預(yù)計2臺機組在電廠整個壽期內(nèi)節(jié)省的新燃料費用1.7億元至3.5億元人民幣。詳細(xì)見表1［2］。

國外BRUCE電廠慢化劑重水濃度提升所節(jié)省的燃料費用與我們基本相當(dāng)。BRUCE電廠慢化劑重水濃度與燃耗的關(guān)系曲線如圖3［3］所示。

圖2　秦山三廠2臺機組2003—2013年慢化劑重水濃度變化趨勢Fig.2　 Trend of moderator D2O concentration change for the two units of TQNPP from 2003—2013

表1　2臺機組在電廠整個壽期內(nèi)節(jié)省的新燃料費用Table1　 The save of new fuel costs for the two units during the whole life cycle

圖3　BRUCE電廠慢化劑重水濃度與燃耗的關(guān)系曲線Fig.3　 The relation between moderator D2O concentration and burnup for BRUCE power plant

2.3慢化劑重水升級塔可用于實施在線升級的能力分析

慢化劑重水升級塔可用于實施在線升級的能力受以下幾個因素影響。

（1）慢化劑重水升級塔進料速率

慢化劑重水升級塔濃度和進料速率對應(yīng)表如表2所示。

正常情況下，慢化劑重水升級塔處理的降級重水的進料濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在10%～30%之間，進料率維持在16 kg/h左右。電廠每年自身產(chǎn)生的慢化劑降級重水的量約為60 t。因此，要升級掉電廠每年自身產(chǎn)生的60 t降級重水，慢化劑重水升級塔每年需要投運的時間為5個月。

（2）重水升級的源水水質(zhì)

表2　慢化劑重水升級塔濃度和進料速率對應(yīng)表Table2　 The relationship between moderator D2O concentration and fuel feeding rate

秦山三廠的重水凈化系統(tǒng)沒有紫外線除有機物裝置（大部分的CANDU電廠都增設(shè)了該裝置，當(dāng)前公司正通過變更來增加紫外線除有機物裝置），僅靠一個活性炭過濾器和三個樹脂床來對現(xiàn)場收集到的各類降級重水進行凈化處理，這導(dǎo)致其去除有機物的能力很差，很難達到設(shè)計要求的有機物含量在3.0×10-6以下的要求。有機物含量高的降級重水傳輸?shù)街厮壦?，高溫分解產(chǎn)生有機酸腐蝕氧化銅填料，導(dǎo)致重水升級塔分水盤頻繁出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到重水升級塔的升級能力，每1—2年就需要對重水升級塔進行一次沖洗和分水盤清理，每清理一次就需要停運重水升級塔3個月左右的時間，影響到慢化劑重水升級塔的可用時間，這一因素導(dǎo)致重水升級塔平均每年有1.5個月不可用。

（3）機組和升級塔本身檢修對重水升級塔運行的影響

機組大修期間進行的電氣母線檢修活動會導(dǎo)致重水升級塔部分設(shè)備失電，同時，每年還需要對重水升級塔進行相關(guān)的預(yù)防性和缺陷性維修活動，這導(dǎo)致重水升級塔每年有半個月左右的時間不可用。

綜合以上原因，按照保守估算，目前慢化劑重水升級塔每年能夠用于對慢化劑重水進行在線升級的時間約為5個月。

2.4慢化劑重水濃度提升所需要時間分析

秦山三廠每臺機組的慢化劑系統(tǒng)重水裝量約260 t，2臺機組共約520 t，2臺機組共用一個慢化劑重水升級塔。

主慢化劑重水進行在線升級的方式是：從重水供應(yīng)系統(tǒng)向主慢化劑系統(tǒng)補水，使其液位達到8 000 mm，然后從主慢化劑向慢化劑重水升級塔傳水至慢化劑液位到7 850 mm，之后再從重水供應(yīng)系統(tǒng)向主慢化劑系統(tǒng)補水，如此反復(fù)。每傳輸一次，慢化劑液位從8 000 mm到7 850 mm對應(yīng)的重水量約為750 kg。慢化劑重水升級塔進料箱的有效容積為1.5 t，這樣，每進行一次在線升級，需要從重水供應(yīng)系統(tǒng)向主慢化劑系統(tǒng)傳輸重水兩次，從主慢化劑系統(tǒng)向重水升級塔也傳輸重水兩次，兩次總計傳輸重水1.5 t。

按照上面的傳輸和升級方式，將一臺機組260 t慢化劑重水的濃度由99.86%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）升級到99.92%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），按照升級塔進料速率26 kg/h來計算，則需要的時間為8 480 h。同樣，將一臺機組慢化劑重水的濃度由99.86%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）升級到99.95%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）需要的時間為19 442 h。

這樣，按照每年可用于對慢化劑重水進行升級的時間為5個月來計算，則將一臺機組260 t慢化劑重水的濃度由99.86%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）升級到99.92%需要的總年數(shù)為：

式中：8 480——升級所需要花費的總小時數(shù)；

5——慢化劑重水升級塔每年有5個月的時間可用于慢化劑重水在線升級；

30——每個月30 d；

24——每天24 h。

兩臺機組需要的總年數(shù)為：2×2.35=4.7年。

同樣，將一臺機組260 t慢化劑重水的濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）由99.86%升級到99.95%需要的總年數(shù)為：19442/（5×30×24）=5.4年。

兩臺機組需要的總年數(shù)為：2×5.4=10.8年。

保守地，按照慢化劑重水每年0.001%的自然降級幅度，則經(jīng)過估算，將2臺機組520 t慢化劑重水的濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）由99.86%升級到99.92%需要5.5年（對應(yīng)的小時數(shù)為19 800 h），升級到99.95%則需要13.2年（對應(yīng)的小時數(shù)為47 400 h）。

2.5慢化劑重水在線升級可估算成本測算

2.5.1慢化劑重水在線升級設(shè)備和能耗成本估算

（1）電力成本

慢化劑重水升級塔連續(xù)運行的電力設(shè)備的總功率為15.35 kW，每天運行需要消耗的總電量為15.35×24=368.64kW·h。間歇性運行的電力設(shè)備總功率為12.04 kW，按照所運行的時間計算，每天需要消耗的總電量為18.4kW·h。按照秦山三廠上網(wǎng)電價0.47元/kW·h來計算，則慢化劑重水升級塔每運行一天所消耗的電力成本約為：

（368.64+18.4）×0.47=181.9元。

（2）蒸汽成本

慢化劑重水升級塔所使用的蒸汽來自氣輪機高壓缸抽氣，每小時消耗的蒸汽量約為1 000 kg。這部分蒸汽若用于發(fā)電，則每小時產(chǎn)生的電量約為60 kW。同樣，按照秦山三廠上網(wǎng)電價0.47元/kW·h來計算，則慢化劑重水升級塔每運行一天所消耗的蒸汽成本為：60×24×0.47=676.8元。

（3）其他成本

升級過程中會產(chǎn)生一定量的重水損耗（頂部產(chǎn)物排放的重水濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.1%，排放的過程中產(chǎn)生一定的重水損耗），重水取樣化學(xué)分析也需要一定的成本（化學(xué)分析所使用的試劑、人力等），同時，考慮到備件更換、檢修等因素，則重水升級塔每運行一天所需要花費的其他成本約為550元。

綜合以上分析，則慢化劑重水升級塔每運行一天的設(shè)備和能耗總成本約為：

181.9+676.8+550=1 408.7元。

這樣，將2臺機組520 t慢化劑重水的濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）由99.86 %升級到99.92 %所需要的設(shè)備和能耗總成本為：

式中：19 800——慢化劑重水在線升級所需花費的總小時數(shù)；

1 408.7——慢化劑重水在線升級每天所需要的設(shè)備和能耗總成本；

24——每天24 h。

同樣，升級到99.95%所需要的設(shè)備和能耗的總成本為277萬元。

2.5.2慢化劑重水在線升級所需人力及成本估算

（1）慢化劑重水在線升級所需人力估算

慢化劑重水在線升級的主要流程如下：主慢化劑系統(tǒng)→重水升級塔→重水供應(yīng)系統(tǒng)→主慢化劑系統(tǒng)。

正常運行期間慢化劑的液位維持在7 900～8 000 mm，7 700 mm將會產(chǎn)生低液位報警，液位達到7 550 mm將會觸發(fā)階躍降功率。因此，向外傳輸慢化劑重水時傳輸速率不能過快，要求每小時可以向重水升級塔傳輸?shù)闹厮考s為1.5 t。傳輸?shù)街厮壦闹厮壓细窈?，需要對其進行取樣，然后再傳輸?shù)街厮?yīng)系統(tǒng)并對接收的箱體進行取樣。同樣，為防止傳水對慢化劑液位產(chǎn)生大的擾動，避免對2號停堆系統(tǒng)產(chǎn)生影響，從重水供應(yīng)系統(tǒng)向主慢化劑系統(tǒng)傳輸重水的速率也不能過快，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，每從重水供應(yīng)系統(tǒng)向主慢化劑系統(tǒng)傳輸一次重水需要花費2 h左右。這樣，由于受慢化劑重水傳輸速率限制，同時為防止人員交叉作業(yè)出現(xiàn)誤操作，避免對運行電廠產(chǎn)生影響，在進行慢化劑重水在線升級時，需要6名人員（考慮了2號機組重水升級時需要配合的2人）負(fù)責(zé)慢化劑在線升級工作，1名監(jiān)視慢化劑液位的人員。

（2）慢化劑重水在線升級人力成本估算

進行慢化劑重水在線升級需要的總?cè)肆?人。將兩臺機組520 t慢化劑重水的濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）由99.86 %升級到99.92 %和99.95 %所需要的總?cè)恕つ隇椋?×40=280人·年

式中：7——升級所需要的人力；

40——人均為電站工作40年。

按照公司每年在每一雇員身上花費人民幣14萬元來計算，則人力總成本為：14×280=3 920萬元。

（3）慢化劑重水在線升級總成本

將兩臺機組520 t慢化劑重水的濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）由99.86%升級到99.92%所需要的總成本如表3所示。

將2臺機組520 t慢化劑重水的濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）由99.86%升級到99.95%所需要的總成本如表4所示。

表3　慢化劑重水濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）由99.86%升級到99.92%所需要的總成本Table3　The total cost for moderator D2O upgrading from 99.86% to 99.92%

表4　慢化劑重水濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）由99.86%升級到99.95%所需要的總成本Table4　The total cost for moderator D2O upgrading from 99.86% to 99.95%

2.6升級慢化劑重水濃度預(yù)計可節(jié)省的燃料費用

電站設(shè)計壽期按40年計算，扣除升級時間和升級成本，將慢化劑重水濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別升級到99.92%和99.95%情況下，不同燃料棒束價格時預(yù)計可節(jié)省的燃料費用如圖4所示。

從圖4可以看出，提升慢化劑重水濃度雖然需要花費很長時間，但會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。

2.7冷卻劑重水濃度變化與原因分析

目前，秦山三廠的冷卻劑重水濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為99.04%，在重水堆電廠中還處于相對較高的水平。雖然冷卻劑對燃耗的影響遠(yuǎn)小于慢化劑，但從圖5中可以看出，冷卻劑重水濃度也在逐年緩慢下降，因此應(yīng)采取有效措施來控制冷卻劑重水的降級速率。

經(jīng)過多年的跟蹤和分析，同時參考其他CANDU電廠的運行實踐，最終確定引起冷卻劑系統(tǒng)重水降級的主要貢獻來自裝換料系統(tǒng)。為此采取了以下行動：

重新調(diào)查、評估裝卸料機本身在試驗完成后，通過各種排水和吹掃后，內(nèi)部殘余輕水的量；在此基礎(chǔ)上采取有效的排水手段以盡可能降低試驗完成后裝卸料機中殘余輕水的量。

優(yōu)化裝卸料系統(tǒng)的運行方式，避免裝卸料機在檢修完成后其內(nèi)部的輕水直接進入主熱傳輸系統(tǒng)主回路中。

圖4　不同燃料棒束價格預(yù)計可節(jié)省的燃料費Fig.4　The predicted fuel cost savings with different fuel prices

圖5　秦山三廠2臺機組2005-2013年冷卻劑重水濃度變化趨勢Fig.5　Trend of coolant D2O concentration change for the two units of TQNPP from 2005—2013

3　重水濃度的變化及影響評價

3.1慢化劑重水濃度變化評估

將現(xiàn)在的慢化劑重水濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）提升到99.94%，則每年降低燃耗達到千萬元左右，從節(jié)能減耗上講是必要的。

由于電廠每年產(chǎn)生的慢化劑降級重水的量較小，慢化劑重水升級塔只需要運行5個月左右的時間就能夠?qū)⑦@些降級重水升級完成，慢化劑重水升級塔每年至少能夠騰出5個月以上的時間來對慢化劑重水進行升級，因此，提升慢化劑重水的濃度存在可行性。但通過上面的分析可以看出，需要投入很大的人力且需要花費相當(dāng)長的時間。

3.2冷卻劑重水濃度變化評估

根據(jù)化學(xué)評估，每個裝卸料機完成約700個左右燃料通道的換料任務(wù)后進行一次推桿的檢修，即裝卸料機系統(tǒng)每年每個機組將會各有2次推桿檢修活動。在裝卸料機每次完成檢修后，允許存在的輕水的總量不能超過12.5 L。但實際的情況是，裝卸料機系統(tǒng)每年每個機組進行的推桿檢修活動超過2次，并且每次檢修完成使用輕水進行試驗后，殘留在機頭內(nèi)的輕水量超過12.5 kg。由于裝換料系統(tǒng)是一個“黑匣子”，殘留在內(nèi)部的輕水量很難控制，因此，需優(yōu)化裝卸料系統(tǒng)的運行方式，盡可能降低試驗完成后裝卸料機中殘余輕水的量。

4　秦山三廠重水管理展望

通過以上分析可以看出，未來秦山三廠重水管理的重點應(yīng)該向以下方面進行轉(zhuǎn)移：

1）提升慢化劑重水濃度，提高重水升級塔的升級效率，這樣才能保證降級重水能夠盡快地被升級；

2）控制冷卻劑重水的降級速率，采取強有力的措施來減少輕水進入冷卻劑的量，特別是裝卸料系統(tǒng)的泄漏問題；

3）繼續(xù)進行重水降耗的工作，在保證回收效率的情況下，盡可能地減少重水溢出總量；

4）積極與世界先進CANDU電廠進行交流和合作，獲取先進的重水管理和重水降耗的經(jīng)驗，從而為進一步降低重水損耗獲得借鑒經(jīng)驗。

5　結(jié)束語

重水管理是一項系統(tǒng)性和長期性的工作，在機組運行的不同階段，重水管理應(yīng)該有不同的側(cè)重點，對不同時期重水管理的重點進行準(zhǔn)確定位具有重要意義。秦山三廠作為國內(nèi)唯一一座重水堆核電廠且運行時間不長，在重水管理方面尚存在很多提升的地方。秦山三廠需要積極與世界先進CANDU電廠進行交流和合作，與世界先進重水堆核電廠進行對標(biāo)管理，了解別人重水管理的方向，以獲取先進的重水管理、重水降耗、重水提純的經(jīng)驗，為電廠的安全穩(wěn)定運行作出新的更大的貢獻。

［1］ 熊小紅，鄒正宇. 重水堆降低重水損耗的成功探索與實踐［J］.中國核工業(yè)，2010，6：6-13.（XIONG Xiao-hong， ZOU Zheng-yu. Discussion and Practice on Successful Reduction of Heavy Water Consumption in HWR［J］.China Nuclear Industry，2010，6：6-13.）

［2］ CANDU Stations Heavy Water（D2O） Report，Cog，2011.7

［3］ 98-37000-ITR-08-068，提高慢化劑重水純度以提高卸料燃耗可行性分析，秦山三廠.（98-37000-ITR-08-068， Feasibility Analysis for Improving the Purity of Heavy Water Moderator to Increase the Discharge Burnup. Third Qinshan Nuclear Power Plant.）

Analysis for HWR NPP Operation Management of Qinshan III

ZHANG Hong-wei，GAN Yan
（CNNP Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.，Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China）

Heavy water （D2O） management is a special and unique technology of CANDU nuclear power plant. From commissioning to preliminary operation，major work of D2O management in Qinshan III was D2O transfer， surveillance and to guarantee a certain extent of risk. D2O management was focused on reducing D2O loss and D2O regular management. Through years of hard work， D2O loss has deeply decreased to 1/4 level of the plant preliminary operation which is the 1/8 of the plant design value. D2O management has already reached an advanced level of world CANDU nuclear power plants， saved a lot of money， and has achieved impressive success on its social， environmental and economical profitability. Combined with the actual result improving the D2O quality， through calculating of the heavy water concentration，reactivity， the average discharge burnup， we know that the plant can save a lot of fuel cost by improving the quality of D2O. Through years of practice summary and theoretical calculations，this article carried out a detailed analysis on the problem and solution of the moderator D2O upgrading， and a preliminary study on the factors which influence the concentration of the coolant D2O， prospect on the D2O management in Qinshan Ⅲ.

heavy water management； status； heavy water quality； purification； prospect

TL423 Article character：A Article ID：1674-1617（2015）04-0356-08

TL423

A

1674-1617（2015）04-0356-08

2015-07-07

張宏偉（1979—），男，高級工程師，從事核島系統(tǒng)變更和系統(tǒng)監(jiān)督工作。