核電廠一回路水化學(xué)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林清湖 徐天鳳

（海南核電有限公司 海南昌江）

一、引言

核電廠化學(xué)監(jiān)督主要監(jiān)督核電廠水、汽、氣、油、放化和三廢樣品監(jiān)督，包括一、二回路水化學(xué)、放射化學(xué)和油質(zhì)監(jiān)督、取樣系統(tǒng)和加藥系統(tǒng)運(yùn)行、水處理系統(tǒng)設(shè)備狀況監(jiān)督、化學(xué)品管理和實(shí)驗(yàn)室管理等各個(gè)方面。一回路水化學(xué)監(jiān)督，通常采用人工取樣和實(shí)驗(yàn)室儀器儀表離線分析，部分分析指標(biāo)采用在線化學(xué)分析儀表實(shí)時(shí)分析。M310機(jī)組一回路水質(zhì)監(jiān)測在線化學(xué)分析儀表設(shè)計(jì)有在線硼濃度分析儀和在線溶解氫表，其硼濃度和溶解氫濃度采用定期人工取樣分析與在線儀表比對，其在線硼濃度分析儀伴隨著反應(yīng)堆的運(yùn)行，尤期是壽期末，顯示分析結(jié)果與實(shí)際濃度偏差較大，且隨著運(yùn)行年限的增長，在線硼濃度分析儀中子源強(qiáng)度減弱，分析結(jié)果偏差越大，分析結(jié)果置信度有限，需定期人工校準(zhǔn)，以增加在線儀表分析結(jié)果的可信度。

隨著公眾對核安全的關(guān)注和核安全的特殊性，對核電廠水質(zhì)監(jiān)督和控制提出了更高的要求。由于一回路水質(zhì)指標(biāo)信息具有時(shí)效性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，尤其是一回路水質(zhì)指標(biāo)預(yù)警預(yù)報(bào)和趨勢分析要求快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地采集和傳遞監(jiān)測信息，而常規(guī)的人工取樣分析工作量大、時(shí)間長，取樣、送樣過程樣品沾污可能性大，不能實(shí)時(shí)了解一回路水質(zhì)情況，不能滿足快速、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)測報(bào)的需要，引發(fā)了一回路水化學(xué)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生和發(fā)展，系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析一回路各項(xiàng)水化學(xué)指標(biāo)，利用控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示一回路水化學(xué)指標(biāo)，利用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析趨勢情況，利用智能診斷系統(tǒng)診斷系統(tǒng)狀態(tài)和行動建議。

二、系統(tǒng)介紹

1.設(shè)計(jì)思想

一個(gè)有效的核電廠一回路化學(xué)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該具備自動控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測和顯示、遠(yuǎn)程傳輸和控制、異常報(bào)警、趨勢分析、智能分析和診斷、行動跟蹤和建議、顯著減少人力干預(yù)等功能。系統(tǒng)根據(jù)核電廠一回路水化學(xué)取樣點(diǎn)、監(jiān)測對像，自動選擇取樣點(diǎn)及自動分析，遠(yuǎn)程傳遞分析結(jié)果，系統(tǒng)控制軟件自動保存分析結(jié)果，自動趨勢分析和異常響應(yīng)，智能判斷和給出行動建議，建立良好的、有機(jī)的人機(jī)交互系統(tǒng)。

2.在線自動監(jiān)測方案

一回路水化學(xué)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)是一套以在線自動分析儀器儀表為核心，運(yùn)用遠(yuǎn)程自動控制技術(shù)、自動測量技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以、相關(guān)的專用分析控制軟件、智能診斷系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)所組成的一個(gè)綜合性的在線自動監(jiān)測系統(tǒng)。實(shí)施一回路水化學(xué)在線自動監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)一回路水質(zhì)的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測、遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能分析，達(dá)到及時(shí)掌握一回路系統(tǒng)的水質(zhì)變化狀況、預(yù)警預(yù)報(bào)突發(fā)性災(zāi)害和污染事故（比如化學(xué)試劑的誤添加、硼濃度的誤稀釋等）、監(jiān)督一回路水質(zhì)控制制度落實(shí)情況等目的。一回路水化學(xué)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)，具有最佳的實(shí)時(shí)監(jiān)測使用效果，實(shí)現(xiàn)了一回路水質(zhì)的自動、連續(xù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程自動傳輸，提高了監(jiān)測的效率和效益。在水質(zhì)發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)能自動響應(yīng)進(jìn)行報(bào)警，進(jìn)行連續(xù)跟蹤監(jiān)測，掌握異常事件的發(fā)生、發(fā)展和終結(jié)過程，在預(yù)防和預(yù)報(bào)異常事件的發(fā)生或惡化中具有重大作用。對于提高化學(xué)監(jiān)督水平，嚴(yán)格控制一回路水質(zhì)指標(biāo)，防止和減緩一回路設(shè)備腐蝕、結(jié)垢，提高系統(tǒng)和設(shè)備的安全性，延長機(jī)組使用壽命，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

圖1 核電廠一回路化學(xué)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)流程示意圖

核電廠一回路化學(xué)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)包括取樣接口系統(tǒng)、在線分析儀器儀表、遠(yuǎn)程傳遞控制系統(tǒng)、化學(xué)分析控制軟件，其系統(tǒng)流程如圖1所示，為在線監(jiān)測系統(tǒng)直接從核取樣系統(tǒng)取樣，經(jīng)多位樣品選擇閥流經(jīng)在線儀表，通過控制系統(tǒng)自動定時(shí)切換樣品來源進(jìn)行分析，系統(tǒng)自動記錄在線儀表分析結(jié)果，傳遞至核電廠集散控制系統(tǒng)，在主控制室直接讀取在線儀表顯示結(jié)果，同時(shí)數(shù)據(jù)傳遞至化學(xué)信息管理系統(tǒng)進(jìn)行自動記錄、趨勢分析和智能診斷，并提供行動建議。用戶通過硬件終端設(shè)備（如手機(jī)）遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看在線儀表分析結(jié)果及系統(tǒng)狀態(tài)。

3.樣品來源

在線自動監(jiān)測系統(tǒng)樣品直接來源于核取樣系統(tǒng)，高溫高壓的一回路流體經(jīng)核取樣系統(tǒng)降溫降壓，其流體介質(zhì)的溫度、壓力、流量可以滿足在線自動監(jiān)測系統(tǒng)對樣品的要求。核取樣系統(tǒng)超溫超壓保護(hù)裝置可用用于保護(hù)一回路在線自動監(jiān)測系統(tǒng)對在線儀器儀表的保護(hù)，有利于在線自動監(jiān)測系統(tǒng)在線儀器儀表的維護(hù)和保養(yǎng)，樣品來源主要有：主冷卻劑系統(tǒng)一環(huán)路；主冷卻劑系統(tǒng)二環(huán)路；余熱排出系統(tǒng)熱交換器上游；余熱排出系統(tǒng)熱交換器下游；化學(xué)與容積控制系統(tǒng)凈化上游；化學(xué)與容積控制系統(tǒng)凈化下游。

本系統(tǒng)除在線自動監(jiān)測外，具備手動人工取樣功能。且系統(tǒng)預(yù)留備用接口，可以根據(jù)實(shí)際情況或臨時(shí)取樣點(diǎn)拓展分析。手動取樣管線設(shè)在回流管線上，故隨時(shí)能夠提供具有代表性的樣品。在線儀器定期標(biāo)定、通過樣水返回管線的人工取樣進(jìn)行儀表標(biāo)定比對。

三、在線化學(xué)分析儀器儀表

核電廠一回路水化學(xué)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)的在線儀器儀表系統(tǒng)是系統(tǒng)核心，包含pH計(jì)、電導(dǎo)率儀、雙通道溶解氧/氫表、雙通道離子色譜儀、硼濃度儀、硅表，各儀表連接系統(tǒng)來源如下。

（1）pH計(jì)。RCP-Ⅰ環(huán)、RCP-Ⅱ環(huán)各有1臺pH計(jì)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測主系統(tǒng)pH值，該表用標(biāo)準(zhǔn)pH緩沖液定期標(biāo)定。

（2）電導(dǎo)率儀。RCP-Ⅰ環(huán)、RCP-Ⅱ環(huán)各有1臺電導(dǎo)率儀，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測電導(dǎo)率值，該表用電導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)溶液定期標(biāo)定。

（3）雙通道溶解氧/氫表。RCP-Ⅰ環(huán)設(shè)計(jì)有1臺雙通道溶解氧/溶解氫表，用于分析冷卻劑中的溶解氧、溶解氫

（4）雙通道離子色譜儀。RCP-Ⅰ環(huán)、RCP-Ⅱ環(huán)、RRA熱交換器上游、RRA熱交換器下游、RCV凈化上游、RCV凈化下流共用1臺雙通道離子色譜儀，其6路樣品通過多位樣品選擇閥，定期切換分析各流路中樣品的陰、陽離子含量，其陽離子可監(jiān)測Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca+、NH4+等陽離子，陰離子可監(jiān)測 F-、Cl-、SO42-、NO2-、NO3-、PO43-、甲酸根離子、乙酸根離子、草酸根離子等陰離子。

（5）硼濃度滴定儀。RCP-Ⅱ環(huán)、RRA熱交換器上游、RCV凈化上游共用1臺在線硼濃度滴定儀，通過多位選擇閥定期切換，分析各流路樣品中的硼溶液，其滴定原理與離線人工硼濃度滴定儀原理相同，采用酸酸滴定方式，避免由中子源硼濃度分析儀分析結(jié)果偏差較大引起誤差。

（6）硅表。RCP-Ⅱ環(huán)連接有一臺在線硅酸根分析儀，用于分析主系統(tǒng)的二氧化硅含量。

系統(tǒng)取樣管線設(shè)計(jì)有回流管線到化學(xué)與容積控制系統(tǒng)的容積控制箱，電導(dǎo)率表、在線溶解氫濃度分析表和溶解氧濃度分析表的樣品流入化學(xué)容積與控制系統(tǒng)；pH計(jì)、離子色譜儀、硅表、在線硼濃度監(jiān)測表樣品回收到核島疏水排氣系統(tǒng)，以減少廢液產(chǎn)生量。

1.系統(tǒng)運(yùn)行

系統(tǒng)正常運(yùn)行方式為自動在線連續(xù)運(yùn)行，在反應(yīng)堆功率運(yùn)行期間全部可用。同時(shí)，可根據(jù)機(jī)組不同工況，投用或關(guān)閉相應(yīng)的測量流路，保證系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。不同流路樣品分析，通過多位選擇閥和控制系統(tǒng)，定期切換流路，在線儀表自動分析記錄相應(yīng)流路的樣品并遠(yuǎn)程傳至集散控制系統(tǒng)（Distribution Control System，簡稱DCS系統(tǒng)），進(jìn)而在主控制室和化學(xué)信息管理系統(tǒng)中顯示和記錄、分析、診斷。

特殊運(yùn)行方式下，如測量流路分析結(jié)果超標(biāo)等異常情況，系統(tǒng)自動報(bào)警，且系統(tǒng)自動切換為單一流路分析，重復(fù)分析該流路樣品，驗(yàn)證分析結(jié)果。

2.智能診斷系統(tǒng)與系統(tǒng)控制

在線分析儀器儀表分析結(jié)果通過DCS系統(tǒng)傳輸?shù)街骺刂剖?，在主控制室直接讀取儀器儀表分析結(jié)果，同時(shí)分析結(jié)果傳輸至化學(xué)信息管理系統(tǒng)軟件，通過化學(xué)系統(tǒng)管理系統(tǒng)定期自動記錄分析結(jié)果，顯示分析結(jié)果趨勢，軟件人工智能診斷模塊功能自動判斷分析結(jié)果，異常情況報(bào)警，給出行動建議及糾正行動。如通過系統(tǒng)的在線硼濃度滴定儀自動分析一回路硼濃度，利用離子色譜儀自動分析一回路鋰離子濃度，分析結(jié)果通過DCS傳至主控制室和化學(xué)信息管理系統(tǒng)，通過化學(xué)信息管理系統(tǒng)硼-鋰協(xié)調(diào)曲線管理模塊，自動顯示分析結(jié)果情況，并根據(jù)分析結(jié)果系統(tǒng)自動給出行動建議，反饋除鋰或加鋰，并自動計(jì)算除鋰離子時(shí)間或加鋰量。

四、結(jié)論

核電廠一回路水化學(xué)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)在線自動監(jiān)測一回路的pH、電導(dǎo)率、陰離子、陽離子、溶解氫、溶解氧、可溶性硅含量和硼濃度等水化學(xué)指標(biāo)，在化學(xué)監(jiān)督中起著至關(guān)重要的作用，其準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性決定著化學(xué)監(jiān)督的可靠性和可信性。在線自動監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)、及時(shí)的監(jiān)測功能以及消除疏漏、虛報(bào)、主觀誤差與準(zhǔn)確可靠的技術(shù)特點(diǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)診斷功能提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)充分發(fā)揮作用，對水質(zhì)質(zhì)量有惡化的跡象或趨勢進(jìn)行預(yù)測，對可能發(fā)生的事故/事件進(jìn)行預(yù)報(bào)，以及事故追憶并提示處理措施等指導(dǎo)性意見，系統(tǒng)已應(yīng)用于國內(nèi)某核電廠一回路水質(zhì)在線自動監(jiān)測，具有自動化、智能化、顯著降低人工分析頻率，減少人力干預(yù)等特點(diǎn)。