三門核電廠蒸汽發(fā)生器隱藏鹽返回評估

苗 麗,胡苧尹,鐘 鐵,聶雪超

(1.三門核電有限公司,浙江 臺州317112;2.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司,湖北 武漢430223)

三門核電廠一號機(jī)組是全球首個采用先進(jìn)非能動AP1000壓水堆技術(shù)的核電機(jī)組,換料周期為18個月,每機(jī)組設(shè)計有兩臺蒸汽發(fā)生器(SG),SG傳熱管材料為Inconel 690合金。

核電廠二回路化學(xué)控制目的之一為最小化局部腐蝕和均勻腐蝕,減少腐蝕產(chǎn)物向SG的遷移,確保SG傳熱管的完整性[1]。然而,機(jī)組實際運(yùn)行過程中,在SG傳熱管二次側(cè),由于水的沸騰蒸發(fā)導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)“隱藏”濃縮,另外在流動性較差的區(qū)域,由于熱量累積出現(xiàn)局部過熱,使這些區(qū)域的雜質(zhì)進(jìn)一步濃縮,導(dǎo)致局部區(qū)域(特別是狹縫內(nèi))含有大量侵蝕性離子,形成惡劣的局部化學(xué)環(huán)境,從而引起傳熱管腐蝕并影響SG的安全運(yùn)行[2]。SG二次側(cè)隱藏物主要來自機(jī)組啟動及正常運(yùn)行期間隨給水進(jìn)入的各種雜質(zhì)離子,進(jìn)入SG后,其會在SG二次側(cè)管板、支撐板等狹縫區(qū)域濃縮或在傳熱管表面結(jié)垢沉積。在機(jī)組降功率、降溫過程中,由于溫度、壓力、水力條件以及水化學(xué)條件變化等,會導(dǎo)致沉積在SG二次側(cè)管板、支撐板等狹縫或垢下區(qū)域的部分或全部雜質(zhì)重新返回到爐水中,這種現(xiàn)象稱為隱藏返回。

目前尚無有效技術(shù)可以監(jiān)測SG縫隙內(nèi)化學(xué)環(huán)境,通常在機(jī)組大修期間通過熱浸泡和冷浸泡方法獲得隱藏鹽返回數(shù)據(jù),以了解SG縫隙內(nèi)的化學(xué)環(huán)境。美國電力研究院(EPRI)開發(fā)的壓水堆二回路水化學(xué)導(dǎo)則中,已將隱藏返回分析評估技術(shù)列入其9項水化學(xué)控制策略評估技術(shù)中[3]。三門核電廠在首循環(huán)101大修期間,對2#SG進(jìn)行熱浸泡,并開展了隱藏鹽返回試驗(以下簡稱隱藏返回試驗)。根據(jù)試驗結(jié)果,計算了SG狹縫區(qū)域雜質(zhì)隱藏返回總量和高溫p HT,在此基礎(chǔ)上評價SG水化學(xué)控制工況。

1 試驗方法

通常,隱藏返回試驗評估流程主要包括雜質(zhì)隱藏返回總量計算和縫隙化學(xué)計算。因此,針對三門核電廠101大修2#SG雜質(zhì)隱藏返回評估內(nèi)容主要包括:利用EPRI Chem-Works軟件HR Project模塊計算101大修各個階段SG雜質(zhì)隱藏返回量以及合計總量;利用EPRI Chem Works軟件MULTEQ模塊計算不同濃縮因子狀況下SG傳熱管垢層底部及狹縫區(qū)域的高溫p HT。

1.1 試驗方案確定

隱藏返回主要研究的是隱藏的可溶性雜質(zhì)離子,即易/微溶解性離子和低揮發(fā)性離子。通常情況下,溶解性雜質(zhì)的隱藏返回可以分為傳熱管結(jié)垢層下雜質(zhì)的快速返回和狹縫區(qū)里受擴(kuò)散控制雜質(zhì)的慢速返回兩個階段。第一階段通常發(fā)生在降功率期間,隨著一二次側(cè)熱流密度降低,SG傳熱管結(jié)垢層下方因為溶液蒸發(fā)而濃縮的各種可溶性雜質(zhì)將快速返回到SG大空間水環(huán)境中。第二階段通常發(fā)生在停堆降溫期間,SG狹縫(包括管板上方泥渣堆下、傳熱管與支撐板狹縫和傳熱管與管板狹縫)濃縮的雜質(zhì)將通過擴(kuò)散的方式緩慢地返回到SG大空間[4]。

因此,大修前結(jié)合大修計劃及在各個功率平臺停留時間,化學(xué)人員制定了SG隱藏返回試驗實施方案,其中試驗準(zhǔn)備階段重點關(guān)注取樣瓶準(zhǔn)備、確認(rèn)實驗室隱藏返回試驗需用到的分析儀器在檢定有效期內(nèi)且可用、停堆前一周對二回路取樣系統(tǒng)在線化學(xué)儀表進(jìn)行校驗等。具體隱藏返回試驗取樣安排除表1中明確的降功率階段、熱態(tài)零功率平臺、降溫階段取樣要求外,在疏水階段SG液位降至20%對SG排污取樣。各個取樣點分析參數(shù)如表2所示。

表1 SG隱藏返回試驗取樣安排Table 1 The sampling of the SG hideout return experiment

續(xù)表

表2 SG隱藏返回分析參數(shù)Table 2 The species tested for the SG hideout return experiment

SG隱藏雜質(zhì)返回實驗共歷時91.75 h。在隱藏返回取樣過程中,分別記錄一、二回路的溫度、壓力、SG水位、給水流量、排污水流量等參數(shù),結(jié)合取樣分析結(jié)果,這為雜質(zhì)隱藏返回計算提供了原始數(shù)據(jù)。

1.2 SG雜質(zhì)隱藏返回總量的計算

SG進(jìn)出的雜質(zhì)輸送控制關(guān)系可以根據(jù)SG中的物料平衡來建立,如圖1所示。物料平衡關(guān)系如公式(1)所示。

圖1 立式SG雜質(zhì)物料平衡關(guān)系Fig.1 The mass balance of impurities in vertical SG

機(jī)組在穩(wěn)定功率正常運(yùn)行時,任何時間間隔Δt內(nèi)的雜質(zhì)隱藏以增量公式(2)來計算[4,5]:

在大修停堆期間,在時間間隔Δt內(nèi)雜質(zhì)隱藏返回量計算方法如公式(3)所示。

其中,在各個階段根據(jù)機(jī)組不同狀態(tài)特點進(jìn)行簡化處理計算;例如在降功率期間由于排污水中的隱藏返回十分顯著,蒸汽和給水中濃度的準(zhǔn)確測量值無法得到,因此,可以將公式(3)簡化為公式(4)。

公式(1)～公式(4)中:

C——雜質(zhì)濃度(μg/kg);

W——質(zhì)量流量(kg/h);

H——功率運(yùn)行時雜質(zhì)隱藏量(g);

A——隱藏區(qū)域雜質(zhì)濃縮量(g);

t——時間(h);

M——SG水裝量(kg);

S——蒸汽;

R——大修期間隱藏返回量(g);下角標(biāo):

FW——給水;

BD——排污水;帶橫線的變量為Δt時間段內(nèi)的平均值。

EPRI Chem Works軟件HR Project模塊依據(jù)SG雜質(zhì)物料平衡關(guān)系,根據(jù)公式(4)計算各雜質(zhì)隱藏返回總量。

1.3 縫隙化學(xué)p H的計算

一般來說,核電廠SG在運(yùn)行過程中,其二次側(cè)大空間水環(huán)境一直保持堿性,但在流動性較差的狹縫內(nèi),局部過熱會使這些區(qū)域的雜質(zhì)發(fā)生濃縮,致使局部區(qū)域含有大量侵蝕性離子,形成惡劣的局部化學(xué)環(huán)境,甚至可能會導(dǎo)致狹縫內(nèi)形成酸性環(huán)境,因此需要根據(jù)雜質(zhì)隱藏量計算縫隙化學(xué)高溫p HT[5]。

EPRIChem Works軟件MULTEQ模塊是一個標(biāo)準(zhǔn)、獨(dú)立程序,用于計算150～350℃,不同濃縮倍數(shù)水溶液p H。因此,輸入本文1.2部分計算出的降功率期間、降溫停堆期間隱藏返回總量,結(jié)合對應(yīng)水裝量,分別計算降功率期間和降溫停堆期間雜質(zhì)隱藏返回對應(yīng)的雜質(zhì)濃度后,通過MULTEQ模塊模擬計算縫隙化學(xué)高溫p HT。

2 結(jié)果與討論

2.1 隱藏返回試驗期間SG水質(zhì)分析

三門核電廠二回路采用聯(lián)氨-氨水化學(xué)控制模式,在機(jī)組調(diào)試及正常運(yùn)行期間,嚴(yán)格執(zhí)行電站水質(zhì)控制規(guī)范及設(shè)備保養(yǎng)規(guī)程,二回路水質(zhì)控制良好。2018年9月21日,1號機(jī)組具備商運(yùn)條件,10月8日,1號機(jī)組WANO化學(xué)有效性指標(biāo)(WANO-CPI指標(biāo))首次達(dá)到1.0,達(dá)到世界先進(jìn)水平,創(chuàng)造了國內(nèi)電廠WANO-CPI指標(biāo)達(dá)到世界先進(jìn)水平的最快紀(jì)錄。1號機(jī)組首循環(huán)期間WANO-CPI指標(biāo)一直保持在1.0。

正常運(yùn)行及101大修隱藏返出試驗期間,2號SG排污Na+、Cl-、SO42-含量隨機(jī)組功率、溫度變化趨勢如圖2所示。

圖2 SG排污水質(zhì)隨機(jī)組功率/溫度變化趨勢圖Fig.2 The variation trend of hideout return of impurities vs.time

從圖2可以看出,即使正常功率運(yùn)行期間二回路水質(zhì)控制良好,在機(jī)組降功率、降溫期間隱藏返回現(xiàn)象也很明顯,因此,有必要持續(xù)進(jìn)行隱藏返回評估,建立SG健康評估的基準(zhǔn)。

2.2 各雜質(zhì)隱藏返回總量計算結(jié)果與分析

結(jié)合不同取樣點的對應(yīng)熱工參數(shù),及SG排污/給水取樣分析結(jié)果,輸入Chem Works軟件HR Project模塊進(jìn)行隱藏返回量計算。本次SG隱藏返回試驗化學(xué)人員采用ICP儀器分析給水、排污水中陽離子,受制于該儀器檢測限影響,給水和排污水中某些離子的檢測結(jié)果因為低于檢測限而不能給出確定值,為保守起見采用參數(shù)檢測限值的一半作為計算數(shù)據(jù),因此會增大雜質(zhì)隱藏返回量及狹縫區(qū)域p HT值計算誤差,建議后續(xù)采用檢測限更低的分析儀器,進(jìn)一步確保隱藏返回試驗計算及評估的準(zhǔn)確性。表3為計算得到的SG雜質(zhì)隱藏返回量。

表3 大修各個階段SG雜質(zhì)隱藏返回量Table 3 The hideout return of impurities in the SG at different stages

表3 中可以看出,SG雜質(zhì)隱藏返回量總體較少,總體上小于某核電站2008年、2009年及2010年3次隱藏返回試驗結(jié)果,遠(yuǎn)小于法國核電廠80次隱藏返回試驗得到的典型值[6];整個試驗期間,熱態(tài)零功率至冷停堆期間大部分雜質(zhì)離子的隱藏返回量明顯大于100%功率至熱停堆期間的雜質(zhì)隱藏返回量,因此有理由認(rèn)為隱藏雜質(zhì)的返回主要出現(xiàn)在熱態(tài)至冷態(tài)期間,特別是Ca2+離子、Mg2+離子、SO42-離子。

根據(jù)SG雜質(zhì)隱藏返回的機(jī)理和特點,一般情況下,從100%功率到熱停堆階段,隱藏返回的雜質(zhì)主要來自傳熱管垢層底部;從熱停堆到冷停堆階段,隱藏返回的雜質(zhì)主要來自SG狹縫(包括管板上方泥渣堆處、傳熱管與支撐板狹縫和傳熱管與管板狹縫),這說明雜質(zhì)隱藏主要出現(xiàn)在SG狹縫中。對于Ca2+、Mg2+隱藏返回量及對應(yīng)濃度隨SG隱藏返回研究時間而增加的原因進(jìn)行分析,可以認(rèn)為隨著熱停堆至冷停堆過程,Ca2+、Mg2+是微溶性離子且溶解度隨溫度的降低而增加,以至于形成的結(jié)垢物質(zhì)溶解從SG狹縫中返回。

SG隱藏返回試驗時間對雜質(zhì)隱藏返回總量的影響如圖3所示,大修期間某些化學(xué)物質(zhì)的隱藏返回量表現(xiàn)為減少趨勢,通常是由于質(zhì)量平衡不完全和取樣不具有代表性造成的,而不完全的質(zhì)量平衡是因為傳熱管表面的結(jié)垢導(dǎo)致雜質(zhì)離子向大空間水體返回不夠充分[5]。根據(jù)圖3可以清晰地看出,陰離子中F-的隱藏返回量最小,Cl-次之,SO42-較大,SiO2最大;陽離子中Cu和Pb的隱藏返回量最小,Na+次之,而Ca2+最大。其中Ca2+和SO42-等離子在疏水階段的隱藏返回量增加趨勢仍然明顯,因此,大修期間延長機(jī)組降溫的時間可以使雜質(zhì)離子完全返回進(jìn)入大空間溶液并通過排污水系統(tǒng)排出。

圖3 離子隱藏返回曲線Fig. 3 The hideout return of impurities vs.time

2.3 SG傳熱管結(jié)垢垢層底部、狹縫內(nèi)部高溫p HT計算結(jié)果與分析

結(jié)合對應(yīng)水裝量,計算SG雜質(zhì)隱藏返回降功率階段和熱態(tài)零功率階段對應(yīng)的雜質(zhì)濃度,作為模擬計算高溫p HT的輸入值。圖4為利用軟件模擬計算SG傳熱管結(jié)垢垢層底部和狹縫內(nèi)部在不同濃縮因子(CF)條件下的高溫p HT。

根據(jù)EPRI研究成果,正常運(yùn)行狀況下,SG傳熱管結(jié)垢垢層底部的最大濃縮因子(CF)為103,而SG狹縫雜質(zhì)的最大濃縮因子(CF)為106,即雜質(zhì)質(zhì)量濃度可以從大空間的10-6級最大濃縮到%級。當(dāng)狹縫里出現(xiàn)大量的泥渣堆積,且泥渣堆積厚度高,空隙率小時,表現(xiàn)為最嚴(yán)重的雜質(zhì)濃縮,此時達(dá)到最大的濃縮因子,伴隨的是局部狹縫將會出現(xiàn)局部蒸干現(xiàn)象,即SG二次側(cè)局部溫度與一次側(cè)溫度相同。因此在計算高溫縫隙化學(xué)p HT時降功率期間對應(yīng)的傳熱管結(jié)垢垢層底部雜質(zhì)的濃縮因子取值范圍設(shè)為10～103,熱零功率階段對應(yīng)的狹縫內(nèi)部的濃縮因子設(shè)為104～106。

根據(jù)圖4模擬結(jié)果,SG傳熱管結(jié)垢垢層底部在CF=10～103時高溫p HT值為5.99～7.13(對應(yīng)中性p HT為5.60～5.58),結(jié)垢層底部呈弱堿性環(huán)境。SG狹縫內(nèi)部在CF=104～106時高溫p HT為6.01～5.25(對應(yīng)中性p HT為5.56～5.31),表明SG狹縫內(nèi)部呈現(xiàn)弱堿至中性環(huán)境。另外,沉淀移除與否對SG傳熱管垢層底部的p HT基本無影響,而對于SG狹縫內(nèi)部移除沉淀p HT較高。

圖4 SG傳熱管結(jié)垢垢層底部以及狹縫內(nèi)部高溫p H T值Fig.4 The p H T modeling results of deposit on thetube surface and crevice in the SG

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果,p HT在3.5～10.5范圍內(nèi)690合金發(fā)生腐蝕的可能性小[4]。

綜上所述,SG傳熱管垢層底部和SG狹縫內(nèi)部高溫p HT在推薦的安全范圍之內(nèi),水質(zhì)狀態(tài)較好,發(fā)生腐蝕的概率很低。

3 結(jié)論與建議

根據(jù)SG大修雜質(zhì)隱藏返回試驗監(jiān)測數(shù)據(jù),對SG雜質(zhì)隱藏返回量進(jìn)行了計算并對其傳熱管局部區(qū)域狹縫化學(xué)環(huán)境進(jìn)行了模擬預(yù)測,結(jié)果表明:

(1)SG正常工況運(yùn)行期間二次側(cè)存在較少量的雜質(zhì)隱藏,隱藏物主要為SiO2、Fe,其隱藏返回量分別為9.19 g、4.52 g、8.33 g、2.18 g和2.02 g;

(2)在不同的濃縮環(huán)境下傳熱管結(jié)垢垢層底部高溫p HT為5.99～7.13,呈弱堿性環(huán)境;SG狹縫區(qū)域內(nèi)高溫p HT為6.01～5.25,呈弱堿至中性環(huán)境,均在推薦的安全范圍內(nèi),說明水質(zhì)狀態(tài)較好,SG腐蝕風(fēng)險較低;

(3) 試驗結(jié)果也表明,通過降低功率和采取零功率熱浸泡的方法,可減少縫隙內(nèi)雜質(zhì)離子的累積,降低傳熱管的腐蝕風(fēng)險。建議在后續(xù)大修期間持續(xù)對SG開展隱藏返回評估,密切跟蹤各種雜質(zhì)離子的隱藏狀態(tài)及變化趨勢,保障良好水化學(xué)工況控制。