福清核電站冷源海生物控制問題分析

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

濱海核電站設(shè)計(jì)上一般采用海水作為循環(huán)冷卻水，海水中的海生物在循環(huán)水系統(tǒng)中附著生長，會造成系統(tǒng)堵塞。近年來，國內(nèi)核電站冷源因海生物堵塞導(dǎo)致非計(jì)劃停堆停機(jī)的事件不斷發(fā)生，不僅影響電力生產(chǎn)安全，還給核安全帶來巨大挑戰(zhàn)。冷源可靠性成為制約核電發(fā)展的一重要瓶頸[1]。基于提升核電站冷源安全性考慮，結(jié)合福清核電站對冷源的海生物控制情況，通過分析原因與總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從而不斷提高冷源的可靠性。

1 福清核電站循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與眾多的濱海核電站相似，福清核電站機(jī)組冷源采用直流循環(huán)冷卻設(shè)計(jì)，取水系統(tǒng)包括：取水明渠，循環(huán)水過濾系統(tǒng)(以下簡稱CFI)。取水系統(tǒng)可攔截海水中的大型浮游海生物、雜物，攔截設(shè)備有：攔污網(wǎng)、粗格柵、細(xì)格柵、格柵除污機(jī)和旋轉(zhuǎn)鼓網(wǎng)、反沖洗裝置等。

按照設(shè)計(jì)，取水系統(tǒng)配置了循環(huán)水處理系統(tǒng)(以下簡稱CTE)，CTE系統(tǒng)管線布置到CFI系統(tǒng)粗格柵上，通過CTE系統(tǒng)電解制氯、重力加藥，從而控制海水過濾系統(tǒng)中海水的有效氯濃度，抑制或殺死海生物的幼蟲或孢子[2]。

福清核電站1～4機(jī)組冷源的主要用戶有循環(huán)水系統(tǒng)(以下簡稱CRF)、輔助冷卻水系統(tǒng)(以下簡稱SEN)和重要廠用水系統(tǒng)(以下簡稱SEC)。其中CRF系統(tǒng)通過CFI系統(tǒng)取水，經(jīng)循環(huán)水泵加壓后由循環(huán)水進(jìn)水廊道(以下簡稱GD管溝)供給凝汽器和SEN系統(tǒng)，凝汽器鈦管入口設(shè)置有二次濾網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對海水的二道過濾。整體流程見圖1。

圖1 福清核電站M310機(jī)組CFI、CRF以及SEN系統(tǒng)流程簡圖Fig.1 The flow chart of CFI,CRF and SENsystem for M310 unit of Fuqing NPP

SEC系統(tǒng)通過板式熱交換器(簡稱板換)冷卻設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(以下簡稱RRI)，SEC系統(tǒng)分A/B兩個系列，設(shè)計(jì)上定期切換運(yùn)行；同時在SEC海水泵入口通過CTE系統(tǒng)對運(yùn)行列進(jìn)行二次加氯，從而提高SEC系統(tǒng)海水有效氯濃度；每列的海水泵后出水管上，進(jìn)入板換前，設(shè)置有貝類捕集器(簡稱貝捕)，從而降低海水中貝類等海生物堵塞板換的風(fēng)險，整體流程見圖2。

圖2 福清核電M310機(jī)組SEC系統(tǒng)流程簡圖Fig.2 The flow chart of SEC systemfor M310 unit of Fuqing NPP

2 海生物控制問題

近年來，國內(nèi)同行電站發(fā)生多起因水母、魚蝦襲擊，堵塞取水口、CFI系統(tǒng)導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停堆的事件[3]，雖然目前為止福清核電站未發(fā)生類似的問題，但CFI系統(tǒng)以及下游用戶的海生物控制問題也越顯突出。

2.1 海生物污染問題

2015年，福清核電站1號機(jī)組首次大修，CFI系統(tǒng)粗格柵吊起后檢查發(fā)現(xiàn)，格柵上附著大量的貝類海生物，見圖3。

圖3 101大修CFI系統(tǒng)2號粗格柵上海生物Fig.3 Marine organisms on the coarse grid 2 of CFIsystem during the No.101 overhaul of Fuqing NPP

2017年，福清核電站1、2號機(jī)組103、202大修，鼓網(wǎng)泵房間以及鼓網(wǎng)下腔室內(nèi)海生物滋生嚴(yán)重，且GD管溝、SEN系統(tǒng)以及CRF系統(tǒng)凝汽器入口均有不同程度的海生物污染，見圖4。

圖4 202大修CFI系統(tǒng)鼓網(wǎng)腔室以及SEN系統(tǒng)熱交換器海生物Fig.4 Marine organisms in the drum net chamber ofCFI system and heat exchanger of SEN systemduring the No.202 overhaul of Fuqing NPP

CFI系統(tǒng)受污染設(shè)備區(qū)域的海生物種類統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 CFI系統(tǒng)海生物附著種類統(tǒng)計(jì)

2015年起，福清核電站1、2號機(jī)組RRI/SEC板換在機(jī)組正常運(yùn)行期間，頻繁因兩端壓差高而閃發(fā)報警，機(jī)械人員對板換解體檢查，發(fā)現(xiàn)引起壓差高的原因是板換中碎貝殼、沙石堵塞流道，且通過對板換進(jìn)行人工清理未能根本解決壓差高的問題。

2.2 海水加氯管道污堵問題

2014—2015年，福清核電站1、2號機(jī)組CTE系統(tǒng)多次出現(xiàn)加氯管道污堵，加氯流量計(jì)無示數(shù)。檢修人員檢查發(fā)現(xiàn)，堵塞的加氯管道中有大量的沉淀，見圖5。部分管道中因沉淀殘留時間長而硬化結(jié)垢，通過人工清理也很難疏通。

圖5 CTE-CFI/SEC系統(tǒng)加氯管線中的堵塞物Fig.5 Blockage in the chlorinationpipeline of the CTE-CFI/SEC system

而經(jīng)過加氯管道內(nèi)異物清理，CTE-SEC系統(tǒng)的加氯管線堵塞的問題仍然會頻繁發(fā)生。

3 海生物控制問題原因分析

以上問題不僅增加了運(yùn)行、維修的工作量，而且嚴(yán)重威脅到機(jī)組的安全運(yùn)行，2017年專項(xiàng)組對冷源出現(xiàn)的問題進(jìn)行了歸納、總結(jié)和分析原因。

3.1 海生物污染問題原因分析

3.1.1 加氯失效

控制海生物生長的最有效手段之一是化學(xué)加氯控制[4]，而加氯的失效將導(dǎo)致海生物滋生。

福清核電站機(jī)組取水明渠未設(shè)前池，CFI系統(tǒng)前加氯通過粗格柵上的加氯框添加到鼓網(wǎng)泵房吸入口，而加氯框在設(shè)計(jì)上安裝在粗格柵靠近鼓網(wǎng)泵房側(cè)，隨著CRF泵運(yùn)行，大量海水通過粗格柵的同時，次氯酸鈉也隨著海水進(jìn)入鼓網(wǎng)泵房，粗格柵迎水側(cè)有效氯作用時間短，因此貝類等海生物容易在此位置滋生。

2017年2月，福清核電站9CTE系統(tǒng)完成變更改造，參考同行電站采用間斷沖擊加藥的運(yùn)行方式，但加藥量的控制未充分考慮到不同電站間海域的海水差異以及海生物生長的特性，間斷沖擊加藥頻率從剛開始的3次/周調(diào)整到1次/天，實(shí)質(zhì)上未明顯增加加氯時長或加氯濃度，加氯量不足導(dǎo)致各海水系統(tǒng)中海生物幼蟲、孢子生長，特別在2017年3—7月份綠貝、牡蠣、藤壺等生長和繁殖較快[5]。因此針對2017年福清核電站1、2號機(jī)組大修期間，海水系統(tǒng)中貝類海生物控制不佳的問題，對比了福清核電站3、4號機(jī)組控制情況，判斷與海水系統(tǒng)加氯失效有關(guān)。

3.1.2 設(shè)備缺陷

針對福清核電站1、2號機(jī)組RRI/SEC板換頻繁觸發(fā)壓差高的報警問題，從設(shè)備上分析，其中貝類捕集器未能有效地起到過濾作用。2016年9月對1號機(jī)組RRI/SEC-A列檢查發(fā)現(xiàn)貝類捕集器濾芯與盲板連接處縫隙約20 mm，見圖6，碎貝殼較容易地通過該間隙進(jìn)入板換中，圖7為板式熱交換器中收集到的貝殼。

圖6 1號機(jī)組SEC系統(tǒng)A列貝捕濾芯與盲板縫隙Fig.6 The gap between the filter element row Aand the blind plate in the SEC system

圖7 1號機(jī)組RRI001RF板換清理下來的貝殼Fig.7 Shells cleaned from RRI001RF plate

另外，福清核電站1、2號機(jī)組SEC的貝類捕集器濾孔為3 mm×15 mm的矩形設(shè)計(jì)，如圖6所示，而板式熱交換器中板片間的間隙4 mm，較大的碎貝殼通過貝類捕集器后容易卡在板換中，如圖8所示，導(dǎo)致海水流道污堵，兩端壓差升高。

圖8 1號機(jī)組RRI系統(tǒng)A列板式熱交換器中污堵情況Fig.8 Fouling in the row A plateheat exchanger of the RRI system

3.2 海水加氯問題原因分析

CTE系統(tǒng)電解海水制氯，電解產(chǎn)生的次氯酸鈉與海水中少量的鈣、鎂等離子發(fā)生副反應(yīng)，如：Mg2++2ClO-+2H2O→Mg (OH)2↓+2HClO產(chǎn)生氫氧化鎂沉淀；Ca2++2ClO-+2H2O→Ca(OH)2+2HClO，Ca(OH)2與二氧化碳反應(yīng)，產(chǎn)生碳酸鈣等沉淀。

而容易發(fā)生以上副反應(yīng)的設(shè)備位置有次氯酸鈉儲罐，以及下游的加氯管線，如SEC系統(tǒng)定期切換備用列運(yùn)行，未運(yùn)行的一列停止加氯后，CTE-SEC的加藥管線中殘留的次氯酸鈉溶液容易發(fā)生堿化和碳酸化產(chǎn)生沉淀。另外，CTE-SEC加藥流量計(jì)前后管道變徑后為DN25，加上管道襯膠后通流直徑更小，相對于CTE加氯母管或CFI加氯管更容易發(fā)生堵塞。

2016年1月，對CTE系統(tǒng)檢查時發(fā)現(xiàn)，CTE次氯酸鈉儲罐投運(yùn)至今未定期執(zhí)行排污。運(yùn)行人員打開次氯酸鈉儲罐底部排污閥，有大量的沉淀物瀉出，如圖9所示。因此，運(yùn)行過程未定期排污，儲罐中大量的沉淀物隨加氯溶液進(jìn)入下游管道，也是誘發(fā)加氯管線容易堵塞的原因之一。

圖9 1號機(jī)組CTE系統(tǒng)次氯酸鈉儲罐底部排污情況Fig.9 Bottom discharge of sodium hypochloritestorage tank in the CTE system

4 海生物控制改進(jìn)措施和討論

總結(jié)國內(nèi)外良好的海生物控制經(jīng)驗(yàn)，物理過濾與化學(xué)控制手段缺一不可，同時提高核電站冷源應(yīng)急響應(yīng)水平，建立多道、可靠安全屏障，持續(xù)維護(hù)冷源的安全狀態(tài)。

4.1 海生物攔截與過濾

攔截海生物第一道屏障在取水明渠，因此在攔網(wǎng)的選用上需充分調(diào)查和掌握攔網(wǎng)所需要防治的海生物種類和特征，結(jié)合電站取水工程的特點(diǎn)以及攔網(wǎng)設(shè)置區(qū)域海流等情況選用合適的攔網(wǎng)[6]。福清核電站前期攔網(wǎng)經(jīng)常因浮筒傾斜導(dǎo)致攔截失效，針對該問題進(jìn)行了變更，增加數(shù)道攔網(wǎng)，通過永久+臨時的模式，確保攔網(wǎng)的有效性。

第二道屏障是粗格柵，針對福清核電站粗格柵海生物附著問題，對設(shè)備上的防污漆進(jìn)行了選型優(yōu)化。選用雙組分有機(jī)硅不黏性防污漆，較好地抑制海生物的附著，該效果也在后續(xù)大修中得到驗(yàn)證。

旋轉(zhuǎn)鼓網(wǎng)作為循環(huán)水系統(tǒng)的又一道屏障，為提高鼓網(wǎng)攔截能力和減少其兩端壓差，福清核電站在鼓網(wǎng)反沖洗系統(tǒng)擬增加高壓泵沖洗回路，計(jì)劃在2019年進(jìn)行變更改造。

SEC系統(tǒng)作為核島廠房的最終冷源，針對其出現(xiàn)的問題，福清核電站對SEC系統(tǒng)貝類捕集器進(jìn)行優(yōu)化，通過橡膠材料修補(bǔ)了貝類捕集器的連接縫，從而縮小間隙，同時對貝類捕集器3 mm×15 mm的濾網(wǎng)進(jìn)行變更，改造為3 mm×3 mm方型濾網(wǎng)。

4.2 化學(xué)加藥控制

海水過濾系統(tǒng)的過濾手段是無法攔截海生物細(xì)小的幼蟲、孢子，通過循環(huán)水處理系統(tǒng)加藥，抑制海生物在下游各用戶上滋生和堵塞。

福清核電站調(diào)研國內(nèi)各電站的加藥運(yùn)行方式發(fā)現(xiàn)，南北各電站海域的海水和海生物生長等均有較大差別，如大唐呂四港電站[7]、秦山核電站等采用沖擊式加氯的運(yùn)行方式，而江浙以南的核電站均采用CTE系統(tǒng)電解海水連續(xù)加氯的運(yùn)行模式，因此福清核電站保留CTE系統(tǒng)電解制氯功能設(shè)計(jì)，同時為提高設(shè)備加氯的可靠性，擬在次氯酸鈉儲罐后增設(shè)沖洗管線和加藥泵，系統(tǒng)將具備添加外購成品次氯酸鈉、非氧化性殺貝劑的功能。

另外，福清核電站總結(jié)2017年間斷沖擊加氯的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，建議應(yīng)結(jié)合東南沿海海洋環(huán)境因素特征，進(jìn)行必要的海生物控制的研究性實(shí)驗(yàn)，在原控制的經(jīng)驗(yàn)上適當(dāng)提高加氯量和加氯時間，可選方案列于表2。

表2 福清核電站循環(huán)水系統(tǒng)加藥控制方案

4.3 其他措施

通過系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化，減少循環(huán)水系統(tǒng)缺陷數(shù)量，如定期對CTE系統(tǒng)儲罐進(jìn)行排污、SEC系統(tǒng)的加藥方式由停泵停藥改為停泵不停藥或先停藥再停泵的運(yùn)行方式，從而防止次氯酸鈉溶液沉淀堵塞加氯系統(tǒng)。在海水用戶系統(tǒng)海生物滋生嚴(yán)重的情況下，通過臨時調(diào)整SEN系統(tǒng)濾水器、CRF系統(tǒng)二次濾網(wǎng)以及SEC系統(tǒng)貝類捕集器反沖洗頻率等，降低貝殼異物堵塞冷源的風(fēng)險。

與此同時，吸取各電站的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，建立完整的運(yùn)行文件，不斷優(yōu)化冷源各類應(yīng)急預(yù)案，定期組織運(yùn)行規(guī)程培訓(xùn)，加強(qiáng)檢修策略和工作控制，提高響應(yīng)能力。

5 結(jié)束語

電站冷源安全關(guān)系到核電站安全運(yùn)行，是不容忽視的系統(tǒng)，不斷提升冷源安全性能，是核電工作者努力的方向之一。本文對福清核電站M310機(jī)組運(yùn)行過程中冷源海生物控制經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了分析與討論，希望能給同行一些參考。