三門核電電解海水制氯系統(tǒng)電解槽打火原因分析及處理

溫益

【摘 要】文章針對(duì)三門核電廠電解海水制氯加藥系統(tǒng)在使用過(guò)程中電解槽頻繁發(fā)生打火故障，造成制氯系統(tǒng)不可用的問(wèn)題，分析了引起打火的原因，并介紹了故障的處理方法，為處理此類故障積累了一定經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】電解槽;故障處理;打火

中圖分類號(hào)： TF351 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）05-0014-004

0 引言

三門核電廠制氯系統(tǒng)共設(shè)有4組電解海水制取次氯酸鈉裝置，由青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司成套供貨。制氯系統(tǒng)利用天然海水中的氯化鈉，使海水發(fā)生電解反應(yīng)產(chǎn)生次氯酸鈉溶液，次氯酸鈉溶液脫氫、儲(chǔ)存，輸送到循環(huán)水取水口處投加，抑制或殺死循環(huán)水中的海生物，防止冷卻設(shè)備及循環(huán)水管道堵塞和腐蝕。

電解槽是制氯系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，額定有效氯產(chǎn)量160kg/h，運(yùn)行電壓范圍0～120V，運(yùn)行電流范圍0～7200A，海水流量34m3/h×3，流速0.6m/s，次氯酸鈉出口濃度1600ppm。

1 電解槽組成及工作原理

1.1 電解海水工作原理

電解海水的工作原理是通過(guò)將整流變壓器和整流器變壓整流的直流電，施加到海水電解槽的陰陽(yáng)極上，利用天然海水中含有的氯化鈉成分，使海水發(fā)生電解反應(yīng)產(chǎn)生次氯酸鈉溶液[1]。

海水中的氯酸鈉以離子狀態(tài)存在，通過(guò)電解槽的海水，在電解槽內(nèi)直流電場(chǎng)的作用下發(fā)生電解反應(yīng)，在陽(yáng)極生成氯氣，在陰極生成氫氧化鈉，氯氣與氫氧化鈉反應(yīng)生成次氯酸鈉，反應(yīng)式如下。

1.2 電解槽組成

三門核電制氯系統(tǒng)共有4組共88個(gè)單獨(dú)電解槽，每組2列，每列11個(gè)SC400A/1型電解槽，每組的2列22個(gè)電解槽在水路上分成3路并聯(lián)（分別為7個(gè)、7個(gè)、8個(gè)電解槽）。電解槽直立放置，海水由下向上一次性高速流過(guò)，主要組成部件有電解槽蓋、電解槽殼體、陽(yáng)極網(wǎng)、陰極板、密封、隔離釘。

電解槽內(nèi)的電極結(jié)構(gòu)為單極式電極，12片陽(yáng)極網(wǎng)與11片陰極板交錯(cuò)安裝，用PVDF隔離釘保持2.5mm間距。同極性電極與電源并聯(lián)連接，電極兩面的極性相同，同一組電解槽在電路上通過(guò)導(dǎo)電母排串聯(lián)連接，如圖2所示。

電解槽陽(yáng)極采用板網(wǎng)式鈦涂貴金屬氧化物涂層的DSA陽(yáng)極，和板式陽(yáng)極相比，增加了海水的湍流，提高了電流效率，陽(yáng)極的有效活性面積大，產(chǎn)氯量高。但同時(shí)陽(yáng)極不穩(wěn)定性增加，振動(dòng)加劇。

陰極采用哈氏合金，在海水和次氯酸鈉溶液中比鈦有更強(qiáng)的耐腐蝕性。

2 故障現(xiàn)象

自2018年7月1日至2018年12月27日，制氯系統(tǒng)4組電解槽共發(fā)生10次有記錄的電解槽陽(yáng)極網(wǎng)與陰極板打火現(xiàn)象，均發(fā)生在升電流操作時(shí)。雖然記錄的10次電解槽打火事件均發(fā)生在電解槽啟動(dòng)期間，但在后續(xù)電解槽解體檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)其余電解槽也存在不同程度的陽(yáng)極板燒融、陰陽(yáng)極板變形等現(xiàn)象，因此合理推測(cè)在電解槽功率運(yùn)行期間也有發(fā)生陰陽(yáng)極板打火，只是未被運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)記錄。

3 原因分析

三門核電制氯系統(tǒng)2015年投運(yùn)后運(yùn)行電流為4000-5000A，海水流量20-30m3/h，后因制氯系統(tǒng)產(chǎn)氯量不滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求（1500ppm），2018年2月提高運(yùn)行電流至7000A，海水流量33-35m3/h?，F(xiàn)場(chǎng)觀察運(yùn)行中的電解槽，槽內(nèi)海水流速高氣泡含量大，陰陽(yáng)極板在水流作用下高頻振動(dòng)。

電解槽現(xiàn)場(chǎng)解體發(fā)現(xiàn)，陰陽(yáng)極板表面結(jié)垢嚴(yán)重，陰陽(yáng)極板變形（幾乎每個(gè)電解槽內(nèi)均有陰極板均有不同程度的變形現(xiàn)象，陽(yáng)極板發(fā)生變形情況較少），但陽(yáng)極板有局部燒融現(xiàn)象，陽(yáng)極板涂層有大量不同程度的脫落現(xiàn)象，陰陽(yáng)極板間隔離釘有缺失脫落現(xiàn)象。

打火（電擊穿）的根本原因是極板之間局部產(chǎn)生了足夠高的電場(chǎng)強(qiáng)度。結(jié)合故障現(xiàn)象和電解槽解體維修的檢查結(jié)果，分析電解槽發(fā)生打火的原因?yàn)殚L(zhǎng)期大電場(chǎng)力作用下的陰陽(yáng)極板變形和酸洗隔離釘溶解脫落，在高速水流沖擊作用下晃動(dòng)的陽(yáng)極板與陰極板短路打火。

3.1 陰陽(yáng)極板變形

電解槽長(zhǎng)期運(yùn)行在一個(gè)較高的電流水平（7000A），電解槽入口水流為0.6m/s，大場(chǎng)強(qiáng)的不均勻電場(chǎng)力和高速水流的共同作用，導(dǎo)致陰陽(yáng)極板發(fā)生不同程度的變形，尤其是陰極板變形較為嚴(yán)重（部分極板已變形成S形），極板間距減小。變形的陰陽(yáng)極板在高速水流沖擊下持續(xù)晃動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生極板間短路。

安裝質(zhì)量不過(guò)關(guān)也是導(dǎo)致陰陽(yáng)極板變形的原因。電解槽底部部分鈦墊片漏裝導(dǎo)致極板側(cè)傾，極板間距過(guò)近。陰極原材料成卷購(gòu)買，裁剪壓平后安裝，在安裝時(shí)未剔除不平的陰極板，導(dǎo)致部分陰極板在安裝時(shí)即不合格。

3.2 隔離釘脫落

電解槽陰極和陽(yáng)極用一排PVDF隔離釘保持2.5mm間距。隔離釘安裝在陽(yáng)極網(wǎng)最外側(cè)位置，為熱壓成型，固定形式不可靠，且在酸洗條件下會(huì)溶解脫落。當(dāng)僅有的一排隔離釘脫落，陽(yáng)極網(wǎng)在水流作用下晃動(dòng)加劇，陰陽(yáng)極板2.5mm間距無(wú)法保障，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生陰陽(yáng)極板短路打火。

3.3 極板表面結(jié)垢

電解槽電解過(guò)程中，海水中的鈣鎂離子與電解液中氫氧根反應(yīng)，產(chǎn)生鈣鎂垢，同時(shí)海水中原本存在的細(xì)小的泥沙等沉淀物附著在電極和極板表面，產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象。結(jié)垢主要發(fā)生在陰陽(yáng)極板的出水口和極板兩側(cè)，即水流量較小的地方。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)電解槽解體觀察發(fā)現(xiàn)，極板間結(jié)垢多的部位與發(fā)生電打火多的部位一致。

極板表面結(jié)垢將導(dǎo)致極板的有效工作面積減少，電流效率下降，電解槽槽電壓升高，平行電場(chǎng)發(fā)生畸變，極板所受的電場(chǎng)力不均勻，長(zhǎng)期的不均勻受力導(dǎo)致極板變形，電極間距減小，嚴(yán)重時(shí)易于發(fā)生極間短路。

3.4 陽(yáng)極板老化失活

陽(yáng)極網(wǎng)會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間增加而老化失活，每隔5年，需對(duì)電解槽的陽(yáng)極進(jìn)行更換，三門制氯系統(tǒng)自2015年投運(yùn)已運(yùn)行4年時(shí)間。鈦涂貴金屬氧化物涂層的DSA陽(yáng)極電解功能實(shí)現(xiàn)依靠貴金屬氧化物涂層，涂層一方面具有導(dǎo)電性使電解反應(yīng)穩(wěn)定發(fā)生[2]，另一方面具有一定的催化活性，能夠提高電極的產(chǎn)氯量。隨著海水的電解反應(yīng)，涂層的催化活性會(huì)逐漸減弱，直至失去催化活性。另外涂層會(huì)在電解液中緩慢溶解，陽(yáng)極產(chǎn)生的氧氣與鈦基體發(fā)生氧化反應(yīng)在鈦基板和涂層之間生成不導(dǎo)電的二氧化鈦，涂層發(fā)生脫落，電極真實(shí)表面積減少，電場(chǎng)不均勻度變大，陽(yáng)極壽命減少。

低溫海水會(huì)加劇陽(yáng)極失活。海水的電導(dǎo)率隨溫度的降低而降低，電導(dǎo)率降低會(huì)導(dǎo)致電流效率下降。因此，電解槽在低于10℃海水溫度時(shí)，會(huì)引起電解槽運(yùn)行槽電壓較高，如果長(zhǎng)時(shí)間低溫運(yùn)行，會(huì)破壞陽(yáng)極網(wǎng)涂層，導(dǎo)致陽(yáng)極壽命縮短。根據(jù)廠家的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)建議，當(dāng)海水溫度在10℃時(shí)，溫度偏低，為防止陽(yáng)極網(wǎng)涂層過(guò)度損耗消耗，建議降負(fù)荷運(yùn)行，待海水溫度升高到15℃以上，可以提高到滿負(fù)荷運(yùn)行。

泥沙含量高的高速水流加劇涂層脫落。電解槽進(jìn)水的海水中含有大量過(guò)濾器和除砂器無(wú)法去除粒徑極小的污泥，長(zhǎng)期以較高的流速?zèng)_擊陽(yáng)極板涂層，導(dǎo)致陽(yáng)極板涂層老化加劇，脫落嚴(yán)重，縮減了陽(yáng)極板壽命。

酸洗也會(huì)對(duì)陽(yáng)極板的表面涂層造成損傷脫落。

3.5 電解液氣泡含量大

每組電解槽在水路上分成3路并聯(lián)（分別為7個(gè)、7個(gè)、8個(gè)電解槽），示意圖如圖4。由電化學(xué)反應(yīng)式可知，在電解槽內(nèi)除生成次氯酸鈉以外，同時(shí)也生成氫氣。氫氣隨著水流在電解槽內(nèi)向上流動(dòng)，并流入水路的下一個(gè)電解槽，電解液中氣液比例與水路流向不斷增加。氣體的加入會(huì)導(dǎo)致電解液電阻增大，電解液與極板接觸面積減少，陰陽(yáng)極板間電場(chǎng)發(fā)生畸變，且氣體本身介電系數(shù)？著較小，氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)更低，更容易在氣泡處發(fā)生擊穿。這一點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果相吻合，即水路的后半段發(fā)生打火次數(shù)高于水路前半段。

4 處理措施

第一次打火故障發(fā)生后，結(jié)合廠家意見對(duì)發(fā)生打火的電解槽解體檢查，更換了變形的陰陽(yáng)極板，補(bǔ)足了陽(yáng)極板最外側(cè)脫落的隔離釘。處理完成后，電解槽打火故障在4列再次發(fā)生，后續(xù)又陸續(xù)采取了增加隔離釘數(shù)量，在電解槽底部增設(shè)分水器等處理措施。截至目前，針對(duì)三門電解槽打火故障已采取的處理措施如下：

1）更換變形的陰陽(yáng)極板。對(duì)打火的電解槽組進(jìn)行解體維修，因全部更換老化的陽(yáng)極成本太大，故僅更換變形和老化嚴(yán)重的陰陽(yáng)極板，共更換75塊陰極板，72塊陽(yáng)極板。

2）增加陽(yáng)極板隔離釘數(shù)量。增加最外側(cè)陽(yáng)極網(wǎng)靠近陰極板邊緣的隔離釘數(shù)量并將整列隔離釘外移，同時(shí)在每層陽(yáng)極板上分兩列均勻安裝15～20顆隔離釘，避免氫氧化鈣等附著在隔離釘上造成結(jié)垢情況惡化。

3）電解槽底部增設(shè)分水器。故障前，僅每列電解槽的第一個(gè)進(jìn)水口設(shè)有分水器。在第4組每一個(gè)電解槽的底部進(jìn)水口增設(shè)分水器，使水流和氣泡在電解槽內(nèi)均勻分布，分散其對(duì)極板的沖擊力，觀察對(duì)極板變形改善。

4）優(yōu)化海水低溫時(shí)運(yùn)行方式。為防止陽(yáng)極網(wǎng)涂層過(guò)度損耗消耗，根據(jù)廠家建議，升版了運(yùn)行規(guī)程，當(dāng)海水溫度在10℃至15℃時(shí)，制氯系統(tǒng)降負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行電流約2000A。海水低于10℃時(shí)，制氯系統(tǒng)停止運(yùn)行。

5）提高酸洗頻度。針對(duì)污垢過(guò)多，將30天酸洗一次改為20天酸洗一次。增加巡檢頻率，通過(guò)槽蓋板觀察電解槽結(jié)垢情況，如果結(jié)垢較多，立刻酸洗。

6）電解槽啟動(dòng)時(shí)加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)控。電解槽啟動(dòng)時(shí)在每列的兩端各安排一人觀察電解槽打火現(xiàn)象，如有發(fā)生，立即停止升壓，避免電解槽設(shè)備故障運(yùn)行。

5 小結(jié)

綜上所述，三門核電廠制氯系統(tǒng)電解槽發(fā)生打火的原因是制氯系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行在高電流、大電場(chǎng)力作用下的陰陽(yáng)極板變形和酸洗隔離釘溶解脫落，在高速水流沖擊作用下晃動(dòng)的陽(yáng)極板與陰極板短路打火。因此解決打火問(wèn)題的關(guān)鍵是提高制氯系統(tǒng)產(chǎn)量，更換老化的陽(yáng)極，降低系統(tǒng)運(yùn)行電流，降低電解槽海水流速。

電解槽制氯產(chǎn)量和運(yùn)行電流正相關(guān)，如降低運(yùn)行電流則制氯產(chǎn)量無(wú)法滿足制氯系統(tǒng)要求，目前不具備降低電流運(yùn)行的條件。而一次性更換老化的陽(yáng)極經(jīng)濟(jì)成本太大，公司無(wú)法承受。因此采取以上措施處理電解槽打火故障，并不能從根本上解決電解槽打火問(wèn)題，但為此類故障的消缺積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

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