壓水堆核電廠蒸汽濕度測(cè)量方法分析與比較

鄭 偉， 鄭欽原

（1.山東核電有限公司系統(tǒng)設(shè)備處，山東 煙臺(tái) 265116；2.山東核電有限公司大修處，山東 煙臺(tái) 265116）

0 引言

隨著國(guó)家大力發(fā)展核電政策的實(shí)施，各大電力集團(tuán)都投入到建設(shè)核電的浪潮中。近幾年開建的核電堆型都是壓水堆核電，這也是國(guó)際核電發(fā)展的趨勢(shì)。

與同等級(jí)燃煤電站的汽輪機(jī)相比，壓水堆核電站汽輪機(jī)的特點(diǎn)是主蒸汽參數(shù)低，主蒸汽和抽汽幾乎都帶濕度，容積流量大[1]。核電站中透平的全部級(jí)都在濕蒸汽狀態(tài)下工作。蒸汽濕度不但會(huì)降低汽輪機(jī)的效率，還會(huì)引起葉片水蝕，使葉片表面變得粗糙，出現(xiàn)凹坑。汽輪機(jī)入口蒸汽濕度高，水分夾帶的硅酸鹽會(huì)在汽輪機(jī)葉片上形成沉積，這將導(dǎo)致汽輪機(jī)振動(dòng)增大，嚴(yán)重威脅汽輪機(jī)的安全運(yùn)行[2]。由此可見，汽輪機(jī)蒸汽濕度測(cè)量對(duì)于保證核電廠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。隨著核電機(jī)組容量設(shè)計(jì)越來越大，對(duì)汽輪機(jī)入口濕度要求也越來越嚴(yán)格，核電廠要嚴(yán)格控制蒸汽發(fā)生器出口蒸汽的濕度，設(shè)計(jì)要求不大于0.25%[3]。

1 蒸汽濕度測(cè)量方法簡(jiǎn)介

蒸汽濕度的測(cè)量方法主要有以下幾種：分別是氯根法、熱力學(xué)法、光學(xué)法、電導(dǎo)率法、放射性化學(xué)示蹤劑法和非放射性化學(xué)示蹤劑法。國(guó)內(nèi)壓水堆核電廠主要采用的是示蹤劑法。示蹤劑法的原理是通過向二回路給水中添加示蹤劑，根據(jù)示蹤劑易溶于水不溶于蒸汽的特性，通過測(cè)定蒸汽發(fā)生器汽水分離界面處示蹤劑濃度和飽和蒸汽中水帶走的示蹤劑含量，經(jīng)過理論計(jì)算就可得出飽和蒸汽濕度。與其他方法相比，示蹤劑技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不需要取得具有代表性的汽水混合樣，只需要進(jìn)行液相取樣即可。示蹤劑技術(shù)關(guān)鍵在于高精度分析設(shè)備的應(yīng)用，以及示蹤劑在二回路汽水循環(huán)中進(jìn)行充分混合，在各取樣點(diǎn)獲得具有代表性的樣品。

目前國(guó)內(nèi)壓水堆核電廠主要采用非放射性示蹤劑（碳酸銫） 法，碳酸銫在取樣容器中存在吸附效應(yīng)，需要向樣品中添加硝酸酸化處理，降低樣品分析的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差[4]。國(guó)外核電廠有采用放射性示蹤劑24Na 法，但是24Na 的半衰期太短，僅有15 h，且必須有放射性物質(zhì)持有和使用中所需要的特別許可證明和相應(yīng)的必要防護(hù)及危害處理程序，在實(shí)際使用過程中，放射性同位素示蹤物質(zhì)的選用、運(yùn)輸、配置、注入和取樣都需要專門的人員和設(shè)備，運(yùn)行成本昂貴[5]。與放射性示蹤劑法相比，非放射性示蹤劑能夠克服放射性示蹤劑的不足。非放射性示蹤劑法分析、取樣方便，分析結(jié)果準(zhǔn)確，測(cè)量精確度較高。蒸汽濕度可表示為

式中：C1為主蒸汽中的示蹤劑濃度；C2為蒸汽發(fā)生器氣液相界面處示蹤劑濃度。

用作非放射性示蹤劑的化學(xué)物質(zhì)需要具備以下特點(diǎn)：極易溶解于水，基本不溶解于蒸汽；具有不揮發(fā)的性質(zhì)；在二回路汽水循環(huán)中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；不在金屬材料表面沉積或吸收。

國(guó)內(nèi)二代壓水堆核電廠M310 機(jī)組采用碳酸銫作為示蹤劑，西屋公司設(shè)計(jì)的三代核電AP1000 機(jī)組采用的是高富集度6LiOH 作為示蹤劑。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)壓水堆核電廠的濕度測(cè)量試驗(yàn)過程，對(duì)比這2種試驗(yàn)方法的異同。圖1 為蒸汽發(fā)生器運(yùn)行原理圖。

圖1 蒸汽發(fā)生器運(yùn)行原理圖

2 試驗(yàn)前機(jī)組狀態(tài)確認(rèn)

2 種堆型在試驗(yàn)期間都必須保持機(jī)組在100%滿功率穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。示蹤劑注入點(diǎn)的主給水泵和凝結(jié)水泵在試驗(yàn)期間要保持穩(wěn)定運(yùn)行，不能出現(xiàn)較大的流量波動(dòng)。蒸汽發(fā)生器窄量程液位控制在名義液位。蒸汽發(fā)生器排污流需要在線至廢水收集系統(tǒng)，不能進(jìn)行回收，否則將影響示蹤劑濃度無法達(dá)到平衡狀態(tài)。通過凝汽器檢漏系統(tǒng)確認(rèn)凝汽器有無泄漏，如果存在微漏，就需要在凝結(jié)水處增加取樣，在進(jìn)行最終試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算時(shí)，需要扣除海水中的示蹤劑對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響。提前2 h 在各取樣點(diǎn)建立穩(wěn)定取樣流，維持取樣流速在1.8～2 m/s。

3 試驗(yàn)期間系統(tǒng)在線和隔離對(duì)比

不同點(diǎn)：一是在AP1000 機(jī)組試驗(yàn)期間，將蒸汽發(fā)生器排污流量調(diào)節(jié)至一定流量，并將系統(tǒng)在線至非放廢水處理系統(tǒng)；M310 機(jī)組需要將蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)隔離。二是M310 機(jī)組不需要隔離二回路加藥系統(tǒng)；AP1000 機(jī)組在試驗(yàn)期間需要隔離二回路加藥系統(tǒng)。

相同點(diǎn)：一是將除鹽水向凝結(jié)水系統(tǒng)的補(bǔ)水隔離，凝結(jié)水液位升至高限位；二是將凝結(jié)水精處理系統(tǒng)隔離，以保證加入的示蹤劑不會(huì)被脫除；三是主給水泵和前置泵的疏水已經(jīng)隔離；四是隔離二回路短循環(huán)和長(zhǎng)循環(huán)，其主要目的是保證二回路汽水循環(huán)中的示蹤劑濃度在試驗(yàn)期間保持穩(wěn)定，減少不必要的示蹤劑損失，避免引入環(huán)境中的示蹤劑。

4 試驗(yàn)期間系統(tǒng)加藥和取樣對(duì)比

不同點(diǎn)：第一，加藥位置不同。M310 機(jī)組通過二回路加藥系統(tǒng)向凝結(jié)水泵出口管線加注示蹤劑；AP1000 機(jī)組采用臨時(shí)加藥管線在主給水泵出口加注示蹤劑。通過對(duì)2 個(gè)加藥點(diǎn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，從主給水泵出口加藥，可以縮短加藥路徑，避免示蹤劑在管線內(nèi)由于疏水排氣等造成損失，使添加的示蹤劑快速地注入蒸汽發(fā)生器，縮短示蹤劑達(dá)到溶解平衡的時(shí)間。第二，向二回路添加的藥品不同。AP1000 機(jī)組加入的化學(xué)藥品是高富集度的氫氧化鋰，M310 機(jī)組采用的是碳酸銫。第三，取樣位置不同。AP1000 機(jī)組在5 個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行取樣，分別是2 列蒸汽發(fā)生器排污管線，主給水泵入口管線，2 列主蒸汽管線；M310 機(jī)組取樣位置為2 列蒸汽發(fā)生器排污管線，主給水泵出口管線，凝結(jié)水泵出口管線。取樣位置的不同主要是因?yàn)榧铀幬恢貌煌５谒?，試?yàn)期間在線化學(xué)監(jiān)督。示蹤劑都是強(qiáng)電解質(zhì)，加入二回路后，必然會(huì)導(dǎo)致二回路電導(dǎo)率升高，所以試驗(yàn)期間需要密切關(guān)注相關(guān)化學(xué)參數(shù)。AP1000 機(jī)組在試驗(yàn)期間需要確認(rèn)蒸汽發(fā)生器排污流中Na 離子含量滿足化學(xué)監(jiān)督大綱的要求（如圖2 所示），示蹤劑注入后每隔5 min 需要讀取蒸汽發(fā)生器排污管線的在線鈉表讀數(shù)，通過跟蹤鈉表讀數(shù)的趨勢(shì)，判斷示蹤劑已在二回路汽水循環(huán)中達(dá)到平衡狀態(tài)，之后可以開展正式取樣。M310 機(jī)組在試驗(yàn)期間需要關(guān)注在線電導(dǎo)表，如果出現(xiàn)超標(biāo)需要采取措施或停止試驗(yàn)。第五，進(jìn)行試驗(yàn)樣品采集時(shí)，M310 機(jī)組的取樣容器不需要進(jìn)行額外處理；AP1000 機(jī)組需要提前在取樣瓶?jī)?nèi)加入兩滴鹽酸，用于對(duì)樣品中氫氧化鋰進(jìn)行固定處理。

圖2 AP1000 蒸汽發(fā)生器排污在線鈉表趨勢(shì)

5 試驗(yàn)后電廠系統(tǒng)恢復(fù)

試驗(yàn)取樣完成后，盡快將二回路系統(tǒng)恢復(fù)至正常運(yùn)行模式。第一，將凝結(jié)水精處理系統(tǒng)投運(yùn)，盡快將注入的示蹤劑脫除，防止二回路化學(xué)參數(shù)超過《化學(xué)監(jiān)督大綱》的要求。第二，將蒸汽發(fā)生器排污、凝結(jié)水補(bǔ)水、二回路長(zhǎng)循環(huán)和短循環(huán)、二回路加藥系統(tǒng)和主給水泵及其前置泵疏水恢復(fù)在線狀態(tài)。

6 試驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素總結(jié)

非放射性示蹤劑法具有較高的測(cè)量精度，可以滿足國(guó)內(nèi)壓水堆核電廠對(duì)蒸汽濕度測(cè)量的要求。根據(jù)國(guó)內(nèi)AP1000 電廠蒸汽濕度測(cè)量試驗(yàn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了試驗(yàn)過程的關(guān)鍵因素。

a） 本試驗(yàn)執(zhí)行的關(guān)鍵是樣品取樣時(shí)間的一致性，由于各取樣管線的長(zhǎng)度、管徑、管道布置及走向等不一致，導(dǎo)致各取樣點(diǎn)取樣時(shí)間不一致。根據(jù)長(zhǎng)期工業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，取樣管線流量達(dá)到1.5 L/min時(shí)，即可獲得具有代表性的樣品。在正式試驗(yàn)開始前，通過清洗管線過濾器和調(diào)整減壓閥壓力，最終使得取樣流量滿足上述要求。如果經(jīng)過上述調(diào)整之后流量依舊不能滿足要求，就需要在取樣管線上游取樣點(diǎn)處加裝臨時(shí)取樣裝置，確保獲得具有代表性的樣品。

b） 向二回路添加氫氧化鋰示蹤劑的方法是第一次在國(guó)內(nèi)核電廠應(yīng)用，由于鋰的化學(xué)性質(zhì)和鈉類似，試驗(yàn)過程中必須密切關(guān)注二回路水化學(xué)工況，嚴(yán)格控制在運(yùn)行限值之內(nèi)。

c） 試驗(yàn)期間需要密切關(guān)注機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，機(jī)組狀態(tài)不能出現(xiàn)大的波動(dòng)，如果機(jī)組出現(xiàn)重大異常，需要立即終止試驗(yàn)。

d） 蒸汽濕度試驗(yàn)都是安排在電廠首次滿功率運(yùn)行期間執(zhí)行，主要是考慮機(jī)組經(jīng)過幾個(gè)運(yùn)行循環(huán)后，系統(tǒng)管道內(nèi)難免會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢等現(xiàn)象，這些多孔性的水垢會(huì)吸附示蹤劑，將影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果機(jī)組進(jìn)行大的設(shè)計(jì)變更，如更換蒸汽發(fā)生器，或蒸汽發(fā)生器傳熱管堵管，或汽輪機(jī)進(jìn)行重大改造后，就需要重新進(jìn)行蒸汽濕度測(cè)量試驗(yàn)。