設(shè)備冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)異常解決方案優(yōu)化

朱亞超，梁 魁，蘭萬里，余 濤，溫振洲，陳 宜

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川成都 610213）

0 引言

反應(yīng)堆作為一個(gè)復(fù)雜高效的能量發(fā)生系統(tǒng)，在能源、軍工、科研等方面承擔(dān)著重要角色，應(yīng)用前景廣闊。反應(yīng)堆一回路冷卻劑系統(tǒng)作為導(dǎo)出反應(yīng)堆堆芯熱能的關(guān)鍵，在反應(yīng)堆長期運(yùn)行中發(fā)揮著不可替代的作用，必須引起足夠的重視。設(shè)備冷卻水系統(tǒng)作為反應(yīng)堆一回路的輔助系統(tǒng)之一，主要用來冷卻一回路中的設(shè)備，發(fā)揮著舉足輕重的作用。該系統(tǒng)主要由設(shè)備冷卻水泵、波動(dòng)箱、熱交換器以及其他閥門、管道、儀表等器件組成，在正常運(yùn)行工況下向接觸一回路帶放射性介質(zhì)的設(shè)備提供除鹽冷卻水，與相應(yīng)設(shè)備發(fā)生熱交換，將熱量傳送至最終熱阱。另外，本系統(tǒng)屬于閉式循環(huán)回路，介于被冷卻設(shè)備和環(huán)境原生冷源之間，是防止放射性物質(zhì)向環(huán)境泄漏的重要屏障。設(shè)備冷卻水系統(tǒng)長時(shí)間循環(huán)冷卻后，會(huì)出現(xiàn)水質(zhì)污染、離子過飽和，進(jìn)而形成大量晶核吸附于換熱器表面，時(shí)間一長就會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢，影響設(shè)冷水與設(shè)備之間的熱交換效率，甚至?xí)a(chǎn)生設(shè)備管道腐蝕、漏水等現(xiàn)象，不利于反應(yīng)堆的長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。因此，監(jiān)測設(shè)備冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)，確保設(shè)備冷卻水水質(zhì)合格就顯得尤為重要。

2015 年，蔣大東[1]針對(duì)田灣核電站設(shè)備冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)異?，F(xiàn)象，分析了造成水質(zhì)異常的具體原因，并詳細(xì)地介紹了技術(shù)改造和優(yōu)化的過程，為我國核電廠在控制核島設(shè)備冷卻水水質(zhì)方面提供了一定經(jīng)驗(yàn)。2019 年，金益強(qiáng)[2]等人對(duì)核電廠設(shè)備冷水結(jié)垢、造成腐蝕等水質(zhì)問題進(jìn)行了一一分析，并分享了其公司在pH 值控制、氯離子控制、微生物控制等方面的方法。2013 年，楊廷[3]等人分析了重要廠用水系統(tǒng)（SEC）水力學(xué)設(shè)計(jì)和RRI/SEC換熱計(jì)算的邊界條件和設(shè)計(jì)輸入，計(jì)算了熱負(fù)荷區(qū)的邊界值為低溫場址條件下，RRI/SEC 傳熱運(yùn)行方式提供了重要的設(shè)計(jì)參考。2020 年，歸東偉[4]針對(duì)秦山核電站設(shè)備冷卻水系統(tǒng)在冬季運(yùn)行中遇到的問題做了充分的分析與探討，并最終給出了合理的運(yùn)行方案。截至目前，關(guān)于核電等商用反應(yīng)堆設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的研究已有很多，但是針對(duì)研究堆的設(shè)備冷卻水系統(tǒng)，卻鮮有報(bào)告。因此，總結(jié)研究堆水質(zhì)問題，優(yōu)化水質(zhì)問題解決方案，就顯得尤為必要。

1 設(shè)備冷卻水再充水問題

根據(jù)研究堆水質(zhì)監(jiān)督運(yùn)行規(guī)程，每月都會(huì)有取樣人員在現(xiàn)場對(duì)本系統(tǒng)水質(zhì)進(jìn)行檢測。而現(xiàn)場人員測得的設(shè)備冷卻水水質(zhì)檢測分析單表明，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)經(jīng)常出現(xiàn)電導(dǎo)率偏高等情況，見表1。

表1 設(shè)備冷卻水水質(zhì)檢測分析單

1.1 設(shè)備冷取水異常原因排查

電導(dǎo)率的大小主要取決于溶質(zhì)鹽在水中的離解度及離子的遷移速度，而離解度及遷移速度會(huì)受溫度的影響，電解質(zhì)溶液不變的情況下，溫度越高，電導(dǎo)率越大。

針對(duì)此種情況，現(xiàn)場運(yùn)行人員多次進(jìn)行排查分析驗(yàn)證，主要包括：①設(shè)備冷卻水溫度干擾；②與一次屏蔽水系統(tǒng)的連接閥門內(nèi)漏導(dǎo)致設(shè)備冷卻水被污染；③逆變電源應(yīng)急冷卻水的銅質(zhì)管路腐蝕等。

針對(duì)設(shè)備冷卻水的溫度影響因素，現(xiàn)場工作人員分別測量了不同負(fù)荷狀態(tài)下設(shè)備冷卻水的電導(dǎo)率情況，通過查閱記錄發(fā)現(xiàn)，不同負(fù)荷狀態(tài)下設(shè)備冷卻水溫度變化不大，并且檢測結(jié)果表明溫度對(duì)設(shè)備冷卻水電導(dǎo)率的影響并不明顯。

針對(duì)一次屏蔽水系統(tǒng)閥門內(nèi)漏的可能性，考慮到一次性屏蔽水中添加了鉻酸鉀作為系統(tǒng)水的緩蝕劑，如果閥門內(nèi)漏，那么設(shè)備冷卻水中的CrO42-必將大幅超標(biāo)，現(xiàn)場工作人員通過檢測設(shè)備冷卻水中鉻酸根離子，發(fā)現(xiàn)其含量微乎其微，這表明鉻酸根離子并不是影響電導(dǎo)率的主要原因，見表2。

表2 設(shè)備冷卻水水質(zhì)檢測結(jié)果

設(shè)備冷卻水系統(tǒng)銅質(zhì)管路腐蝕因素對(duì)電導(dǎo)率的影響，根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，銅離子含量與設(shè)備冷卻水電導(dǎo)率關(guān)系無明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，見表3。

表3 設(shè)備冷卻水水質(zhì)檢測結(jié)果

1.2 現(xiàn)有設(shè)備冷卻水系統(tǒng)換水方案的弊端

若無法判斷是何原因引起的設(shè)備冷卻水電導(dǎo)率超標(biāo)，就要對(duì)整個(gè)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行換水：根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)指示，此時(shí)應(yīng)該先打開去反應(yīng)堆放射性廢水箱閥門，將系統(tǒng)水排放至此；然后，通過引入二回路備用水艙的備用水源，為系統(tǒng)重新充滿水。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際操作情況，這種操作存在以下缺點(diǎn)。

（1）換水耗時(shí)過長。設(shè)備冷卻水排放過程中，為保證系統(tǒng)管路不合格的冷卻水完全排空，不僅要打開放射性廢水貯存箱手動(dòng)閥門，還要打開各個(gè)被冷卻設(shè)備的低點(diǎn)放水閥。在確保不合格冷卻水放空后，逐一關(guān)閉低點(diǎn)放水閥，再打開各被冷卻設(shè)備的高點(diǎn)放氣閥，才能將二回路備用水艙的水引入系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水。當(dāng)各被冷卻設(shè)備的高點(diǎn)放氣閥有連續(xù)水流出時(shí)再將其對(duì)應(yīng)放氣閥關(guān)閉，直至最高處控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的高點(diǎn)放氣閥有水流連續(xù)溢出，關(guān)閉其對(duì)應(yīng)高點(diǎn)放氣閥，此時(shí)系統(tǒng)管路已充滿水，關(guān)閉系統(tǒng)充水閥。然后需要將兩臺(tái)設(shè)備冷卻泵輪流啟動(dòng)，使系統(tǒng)內(nèi)冷卻水沿管道循環(huán)流動(dòng)，并間隔打開系統(tǒng)各高點(diǎn)放氣閥排放管路殘余氣體，然后再次充水至高點(diǎn)放氣閥出水為止。之后還需對(duì)設(shè)備冷卻水波動(dòng)箱充氣建壓，以便維持系統(tǒng)運(yùn)行壓力，調(diào)節(jié)設(shè)備冷卻水體積波動(dòng)，整個(gè)操作下來耗費(fèi)大量時(shí)間。

（2）耗費(fèi)項(xiàng)目資金。此系統(tǒng)管道內(nèi)不合格的冷卻水排放至反應(yīng)堆放射性廢水箱，并將按照放射性廢水進(jìn)行處理，而放射性廢水處理成本相比普通廢水要高很多?？紤]到管道內(nèi)充水量大，并且放射性并沒有超標(biāo)，因此，這將耗費(fèi)大量放射性廢水處置資金。

（3）存在放射性危害。整個(gè)再充水過程，操作人員需要在反應(yīng)堆放射性區(qū)域和非放射性區(qū)域內(nèi)觀察各個(gè)被冷卻設(shè)備的排氣情況，考慮到放射性區(qū)域系統(tǒng)布局復(fù)雜，操作人員在里面來回走動(dòng)，會(huì)受到放射性照射。

2 水質(zhì)處理優(yōu)化方案的提出

針對(duì)以上設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的再充水方案，運(yùn)行組相關(guān)人員結(jié)合本系統(tǒng)及相關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)備和管道的實(shí)際布局情況，提出了利用補(bǔ)水系統(tǒng)串洗設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的解決方案。

2.1 水質(zhì)處理優(yōu)化方案

設(shè)備冷卻水系統(tǒng)如圖1 所示，若從S1 閥門引入補(bǔ)水系統(tǒng)，將會(huì)有5 個(gè)放水位置，分別為閥門S2、S4、S7、S10、S12 處，考慮到應(yīng)盡可能使補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)水流經(jīng)設(shè)備冷卻水管道替換原有不合格水質(zhì)，且不向放射性廢水貯存箱排放沒必要的廢水，所以最終提出關(guān)閉S11 閥門，從S7 閥門處排放不合格水質(zhì)，這樣補(bǔ)水系統(tǒng)來水先后經(jīng)S1、設(shè)備冷卻水泵、設(shè)備冷卻水熱交換器、被冷卻設(shè)備，最后從S7 排到非放射性廢水箱，整個(gè)換水過程除了設(shè)備冷卻水波動(dòng)箱，幾乎全部不合格水質(zhì)都將被排換。所以為更加全面地排換不合格水質(zhì)，最終排換水方案確定為：首先排換設(shè)備冷卻水波動(dòng)箱內(nèi)不合格水質(zhì)，即先打開S10 閥門，排放波動(dòng)箱內(nèi)不合格水質(zhì)到非放射性廢水箱，一邊排放一邊觀察波動(dòng)箱內(nèi)壓力下降情況，待波動(dòng)箱內(nèi)壓力達(dá)到0.1 MPa，關(guān)閉S10，打開S1 并啟動(dòng)補(bǔ)水駁運(yùn)系對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水，待波動(dòng)箱內(nèi)壓力上漲到0.2 MPa，關(guān)閉S1 并停止補(bǔ)水駁運(yùn)泵，繼續(xù)打開S10 進(jìn)行波動(dòng)箱排換水。如此重復(fù)2 到3 次，確保波動(dòng)箱內(nèi)水合格，然后開后S7 閥門，將S6 和S8 管道間的存水放干凈，關(guān)閉S11 打開S6 閥門，同時(shí)打開S1 閥門引入補(bǔ)水系統(tǒng)水流，并啟動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)的補(bǔ)水駁運(yùn)泵，開始對(duì)循環(huán)管路進(jìn)行排換水作業(yè)，換水過程同樣注意將波動(dòng)箱內(nèi)氣壓控制在0.1～0.2 MPa即可。

圖1 設(shè)備冷卻水系統(tǒng)

考慮在此過程中，S7 閥門排水速率慢于S1 閥門補(bǔ)水速率，因此，當(dāng)波動(dòng)箱壓力達(dá)到0.2 MPa 時(shí)，應(yīng)該關(guān)閉補(bǔ)水駁運(yùn)泵和S1 閥門，波動(dòng)箱壓力會(huì)在排換水過程不斷下降，而當(dāng)波動(dòng)箱壓力快要到達(dá)0.1 MPa 時(shí)，打開閥門S1 并啟動(dòng)補(bǔ)水駁運(yùn)泵送水至波動(dòng)箱壓力再達(dá)到0.2 MPa。如此反復(fù)4～5 次，即可將設(shè)備冷卻水排換完成。換水過程需要注意，設(shè)備冷卻水泵和設(shè)備冷卻水熱交換器都為一備一用設(shè)備，因此，換水過程中在某一路水質(zhì)合格后，要切換至另外一路設(shè)備。

優(yōu)化后方案的設(shè)冷水電導(dǎo)率隨換水時(shí)間變化關(guān)系如圖2 所示，換水25 min 后，設(shè)冷水電導(dǎo)率下降明顯且已合格，之后電導(dǎo)率上升，是因?yàn)榇藭r(shí)將管路切換至備用設(shè)備冷卻水泵和設(shè)冷水熱交換器。而后設(shè)冷水電導(dǎo)率快速下降至合格。

圖2 優(yōu)化后方案的設(shè)冷水電導(dǎo)率隨換水時(shí)間變化關(guān)系

2.2 優(yōu)化方案的優(yōu)點(diǎn)

與之前排放水方案相比較，該方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：①節(jié)約時(shí)間，原來方案換水可能需要14 h 才能完成，該優(yōu)化方案整個(gè)換水過程只需要2 h，每次可以省去不少處置時(shí)間，為項(xiàng)目工程節(jié)約了一定時(shí)間；②減少向放射性廢水貯存箱的排水量，節(jié)省放射性廢液處置資金；③該方案操作簡單，節(jié)約人工成本，可操作性更強(qiáng)；④操作人員不用進(jìn)放射性區(qū)域進(jìn)行操作，不用穿防護(hù)服，減少了職工受放射性輻射劑量，保護(hù)職工人身安全。

3 結(jié)語

通過對(duì)設(shè)備冷卻水異常水質(zhì)前后解決方案對(duì)比，可以看到，相比之前解決方案，優(yōu)化后的方案明顯減少了處理時(shí)間，避免了繁瑣的操作步驟，減少了不必要的放射性廢水產(chǎn)生量，節(jié)省了大量放射性廢水處置資金，運(yùn)行人員也不用進(jìn)入反應(yīng)堆放射性區(qū)域操作，避免了不必要的放射性照射。因此，有理由相信優(yōu)化后方案是值得肯定與執(zhí)行的。