M310機(jī)組硼回收系統(tǒng)V0值設(shè)置的初步研究

劉超杰 林佳

（中國核電工程有限公司 北京 100048）

M310機(jī)組硼回收系統(tǒng)為兩個(gè)反應(yīng)堆共用，具有下列功能：收集化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（RCV）下泄管線和核島疏水排氣系統(tǒng)（RPE）［1］的反應(yīng)堆冷卻劑排水槽來的含氫反應(yīng)堆冷卻劑；處理含氫的反應(yīng)堆冷卻劑，以得到反應(yīng)堆級的補(bǔ)給水和重量百分比為4%［2］的硼酸溶液，復(fù)用于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)；對來自化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（RCV）系統(tǒng)的含硼濃度較低的反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)行除硼處理。由上述功能系統(tǒng)可分為3 個(gè)部分，即凈化部分、蒸發(fā)單元、除硼部分。

1 蒸發(fā)單元概述

蒸發(fā)單元用于將除氣后的堆冷卻劑分離成硼酸（濃縮液）和反應(yīng)堆級補(bǔ)給水（蒸餾液）。硼回收系統(tǒng)設(shè)有兩套相同的蒸發(fā)單元，每個(gè)單元包括一臺(tái)蒸發(fā)器EV、一臺(tái)加熱器RE、一臺(tái)蒸發(fā)器蒸餾液冷凝器CS、一臺(tái)強(qiáng)制循環(huán)泵PO、一臺(tái)蒸發(fā)器蒸餾液泵PO 等設(shè)備。蒸發(fā)單元流程圖如圖1所示。

圖1 TEP蒸發(fā)單元流程簡圖

根據(jù)《除氣及蒸發(fā)單元設(shè)備技術(shù)規(guī)格書》的要求，蒸發(fā)單元應(yīng)具有如下性能參數(shù)：蒸發(fā)能力3.85t/h、內(nèi)部去污系數(shù)≥5×106、處理流體及不凝氣體出口溫度≤103℃、除氧系數(shù)≥1×102、蒸餾液硼含量≤5ppm、濃縮液硼含量7000～7700ppm、SVA 加熱蒸汽消耗量偏差+10%、額定流量下熱交換器（TEP001/002RE）的壓降≤0.012MPa。

蒸發(fā)單元的啟動(dòng)、運(yùn)行、停運(yùn)是通過如下9個(gè)狀態(tài)進(jìn)行定義的：狀態(tài)0 長期停運(yùn)，蒸汽裝置的長期停運(yùn)；狀態(tài)1 進(jìn)料，向蒸發(fā)器和循環(huán)管線中加入料液；狀態(tài)2升溫，蒸發(fā)器開始由SVA 加熱蒸汽升溫；狀態(tài)3 全回流，蒸發(fā)器、加熱器和冷凝器運(yùn)行；狀態(tài)4 濃縮液批量排放到濃縮液監(jiān)測箱；狀態(tài)5生產(chǎn)，蒸餾液批量排放到蒸餾液監(jiān)測箱；狀態(tài)6 熱備用，蒸發(fā)單元熱態(tài)隔離，循環(huán)泵運(yùn)行，蒸餾液全回流；狀態(tài)7 強(qiáng)制冷卻，在蒸發(fā)器和循環(huán)管線內(nèi)的料液被快速冷卻，當(dāng)蒸發(fā)器在狀態(tài)6時(shí)，采用這個(gè)程序；狀態(tài)8 疏排，需要檢修時(shí)將蒸發(fā)器內(nèi)的液體輸送到濃縮液監(jiān)測箱，當(dāng)蒸發(fā)器處于狀態(tài)0或狀態(tài)7 時(shí)，采用這個(gè)程序。本文涉及狀態(tài)3、狀態(tài)4、狀態(tài)5、狀態(tài)6，其狀態(tài)切換圖如圖2所示。

圖2 蒸發(fā)單元狀態(tài)3、狀態(tài)4、狀態(tài)5、狀態(tài)6切換圖

針對狀態(tài)4（濃縮液批量排放）的運(yùn)行參數(shù)，又有如下要求。

TEP001/002RE：堆冷卻劑流量=115t/h；堆冷卻劑入口溫度=101℃；SVA加熱蒸汽進(jìn)汽：最大流量=4.4t/h、來氣溫度=139℃；TEP003/004EX：至硼濃縮環(huán)路的堆冷卻劑 為2.1t/h；TEP003/004RF：蒸 餾 液 流 量=3.5t/h；TEP001/002EV：汽、氣混合物流量=3.85t/h；回流量=3.85t/h；頂部壓力=0.11MPa（絕壓）（相當(dāng)于102.3℃純水的飽和蒸氣壓）；蒸發(fā)器出口二次蒸汽的溫度為102.6℃。

2 VO值的定義

本文涉及的參數(shù)做如下定義（取一號蒸發(fā)器討論）：TEP002/003/004BA 硼濃度C0、蒸發(fā)單元回路取樣濃度Cev、501QD計(jì)量值V0（由403MD計(jì)量）、503QD計(jì)量值V（由403MD計(jì)量）、蒸發(fā)器回路體積Vt、505QD計(jì)量值W（由405MD 計(jì)量）、目標(biāo)平均硼濃度C、硼濃度變化值ΔC、批量排放硼濃度最大值Cmax。

蒸發(fā)單元將除氣后的廢液進(jìn)行硼水分離得到蒸餾水和7000～7700ppm 的濃縮液的過程是通過交替排放蒸餾液和濃縮液實(shí)現(xiàn)的。第一次蒸餾液產(chǎn)量VO和隨后分批排放蒸餾液產(chǎn)量V是由計(jì)算得出并由累計(jì)流量計(jì)501QD 和503QD 累計(jì)。濃縮液產(chǎn)量W由累計(jì)流量計(jì)505QD進(jìn)行累計(jì)并設(shè)定值250L。

蒸發(fā)單元第一次排硼瞬間濃縮液含硼量VtCmax，蒸發(fā)器內(nèi)初始的濃縮液含硼量為VtC0（啟動(dòng)前蒸發(fā)單元為空）或VtCev（啟動(dòng)前蒸發(fā)單元已有硼酸溶液）。在蒸發(fā)開始到排硼瞬間，蒸發(fā)器內(nèi)濃縮液含硼增加量V0C0。VtC0或VtCev與V0C0之和也是第一次排硼瞬間濃縮液含硼量，得到V0值計(jì)算公式：

而Cmax=C+ΔC/2，ΔC=W（C-C0）/Vt，可見V0值與C0及Cev有關(guān)。另外，通過硼酸質(zhì)量守恒，也可以計(jì)算得到分批排放階段的體積蒸餾液產(chǎn)量V=W（C-C0）/C0，V值僅與C0有關(guān)。

3 VO值的異常分析

由上述對V0值的定義式可知，在“狀態(tài)5—狀態(tài)4—狀態(tài)5—狀態(tài)4”循環(huán)過程中，只需要在生產(chǎn)之前根據(jù)化學(xué)化驗(yàn)結(jié)果C0、Cev人為設(shè)定V0、V，蒸發(fā)器可以自動(dòng)完成整個(gè)生產(chǎn)過程。狀態(tài)5 濃縮階段V0、V分別由KSN 系統(tǒng)內(nèi)置的計(jì)數(shù)器501QD、503QD 通過對蒸餾液排放流量計(jì)TEP403MD 累計(jì)計(jì)數(shù)，狀態(tài)4 批量排放階段W=250L由KSN系統(tǒng)內(nèi)置的計(jì)數(shù)器505QD通過對濃縮液排放流量計(jì)TEP405MD 累計(jì)計(jì)數(shù)。而MD 能否正常工作［3］對于蒸發(fā)單元是否產(chǎn)出合格硼酸至關(guān)重要，過低濃度的產(chǎn)出硼酸不滿足復(fù)用要求，過高濃度產(chǎn)出硼酸則有很大可能結(jié)晶［4］。對蒸發(fā)單元V0、V常見的異常情況進(jìn)行如下分析。

3.1 V0、V 設(shè)定值計(jì)數(shù)器501QD、503QD 還未走完，V0、V實(shí)際值計(jì)數(shù)器TEP403MD突然停止不走

實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于SVA 通過RE 對蒸發(fā)器進(jìn)行加熱并不能達(dá)到100%的熱效率，實(shí)現(xiàn)蒸餾液流量3.5m3/h 需要的SVA 蒸汽流量約3.9t/h。SVA 流量值設(shè)置得過小，導(dǎo)致蒸餾液流量也變小，并且在SVA流量較低的情況下，熱效率更低，蒸餾液排放流量計(jì)TEP403MD 在流量過小的情況下有一定死區(qū)，在死區(qū)范圍內(nèi)，即使有蒸餾液流過，實(shí)際值計(jì)數(shù)器并不計(jì)數(shù)，設(shè)定值計(jì)數(shù)器501QD、503QD也不增加，這種情況會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)產(chǎn)出的硼酸濃度高于期望值。因此，在注意到這種情況發(fā)生時(shí)，優(yōu)先觀察SVA流量值是否過小，蒸發(fā)器是否在額定工況下工作。

3.2 V0、V 設(shè)定值計(jì)數(shù)器501QD、503QD 走完了，而V0、V實(shí)際值計(jì)數(shù)器TEP403MD繼續(xù)走

如果V0、V實(shí)際值計(jì)數(shù)器接著剛剛開始走（可通過KSN已組態(tài)好的趨勢圖看出），可手動(dòng)將蒸餾液槽進(jìn)口閥TEP069VD/070VD 手動(dòng)關(guān)死，強(qiáng)制避免蒸餾液的排放。但是實(shí)際上這種方法可操作性不大，考慮到走W值（250L）的流量為2.1m3/h（041DI孔板［5］流量值），整個(gè)505QD走完約僅需7min。所以多應(yīng)按下述操作執(zhí)行。

如果V0、V實(shí)際值計(jì)數(shù)器接著繼續(xù)走了很久，估計(jì)蒸發(fā)器內(nèi)硼濃度已經(jīng)超出正常值，那么進(jìn)行蒸發(fā)器排硼操作時(shí)應(yīng)慎之又慎：將蒸發(fā)器置于“狀態(tài)3”并報(bào)告主控，通知儀表人員處理故障，通知化學(xué)人員對蒸發(fā)器取樣分析硼濃度，根據(jù)硼酸溶解度曲線查出硼結(jié)晶的溫度值。

如果其硼濃度小于10 000ppm（硼結(jié)晶溫度大約28℃），因?yàn)檎Ｅ排疬^程中的濃硼溫度最低為40℃，不存在硼結(jié)晶，所以可將V值適當(dāng)減小，轉(zhuǎn)至“狀態(tài)5”，這樣即可使蒸發(fā)器內(nèi)硼濃度回到正常值（7200ppm）。如果硼濃度大于10 000ppm 時(shí)，蒸發(fā)器排硼操作變得稍微復(fù)雜。通知儀表人員閉鎖蒸發(fā)器的高高液位開關(guān)（以便能使進(jìn)料閥在蒸發(fā)器高高液位仍能開啟以及防止蒸發(fā)器返回“狀態(tài)6”）。從中間貯存箱中硼濃度較低的一個(gè)箱取水（以便稀釋蒸發(fā)器內(nèi)硼溶液更具有效性），將蒸發(fā)器充至高高液位（490mm），但不應(yīng)高于最高液位（650mm），防止硼進(jìn)入冷凝器，千萬不能用SED水來稀釋（因?yàn)镾ED 未經(jīng)預(yù)熱）。再次取樣分析硼濃度，蒸發(fā)器內(nèi)硼濃度仍大于10 000ppm，可將V0、V值調(diào)到一個(gè)很小值（10 左右），進(jìn)行反復(fù)排硼，且在濃硼排出時(shí)，將005RF 的冷卻水控制閥407VN 手動(dòng)關(guān)小。保持其傳出的濃硼溫度大于其對應(yīng)硼結(jié)晶溫度至少15℃（監(jiān)視TEP427MT）。

如果排出的濃硼溫度需大于60℃時(shí)，通知儀表人員解除TEP407MT 在大于60℃時(shí)對濃硼排放閥TEP087VB禁止開啟的閉鎖，但注意不能將TEP407VN全關(guān)，否則排出的濃硼溫度將達(dá)到98℃左右，對TEP007BA 膠皮浮頂［6］老化壽命縮短將造成影響。最后，由化學(xué)人員來確認(rèn)硼濃度達(dá)到7200ppm，即可恢復(fù)至正常狀態(tài)。切記在這種情況下不能強(qiáng)制排放，極易造成硼結(jié)晶。

3.3 根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出V0值為負(fù)值

如果回路原來的硼濃度偏高（7200～10 000ppm），則計(jì)算出V0為負(fù)值。為了使蒸發(fā)器排出硼濃度達(dá)到正常值，將V0、V值設(shè)置為較小正值（10 左右），然后啟動(dòng)蒸發(fā)器，由于蒸發(fā)回路的容積為1500L，每次排放的濃縮液體積為250L，經(jīng)過6次排放后，蒸發(fā)回路中的硼濃度便降了下來，然后將蒸發(fā)器置于狀態(tài)3，重新化驗(yàn)計(jì)算V0、V值。如果V0＞0，則可進(jìn)行蒸發(fā)處理工作［7］。

4 對調(diào)試及運(yùn)行的建議

4.1 建立硼回收系統(tǒng)V0、V計(jì)算表

蒸發(fā)單元在生產(chǎn)狀態(tài)以額定流量生產(chǎn)時(shí)，對于硼酸的濃縮效率較高，為避免過高濃度的硼酸引起意外結(jié)晶，快速得到所需要的設(shè)置的V0值及V值，減少異常狀況的響應(yīng)時(shí)間具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。而通過定義式，可將蒸發(fā)單元生產(chǎn)前所需設(shè)定的參數(shù)值做成Excel電子計(jì)算表格，如表1所示，可以實(shí)現(xiàn)上述目的。

表1 硼回收系統(tǒng)V0、V 計(jì)算表

在某核電3、4號機(jī)組硼回收系統(tǒng)蒸發(fā)單元的調(diào)試過程中應(yīng)用該表格，減少了多次計(jì)算的工作量，提高了工作效率。

某核電運(yùn)行一處也做了類似的計(jì)算表，如表2所示，不過他們的計(jì)算表未對計(jì)算中涉及的過程量予以顯示，也說明在調(diào)試和運(yùn)行期間對于蒸發(fā)單元的參數(shù)關(guān)注側(cè)重點(diǎn)的不同。

表2 TEP 系統(tǒng)蒸餾液排放V0和V 值計(jì)算

4.2 關(guān)于取樣點(diǎn)改進(jìn)建議

在某核電1、2號機(jī)組及3、4號機(jī)組硼回收系統(tǒng)蒸發(fā)單元的調(diào)試過程中，如果需要獲取批量排放硼濃度最大值Cmax或者蒸發(fā)單元回路濃度Cev，需要在TEP002/003ED處通過TEP593/594VB取樣，并需連接移動(dòng)式冷卻器001ED進(jìn)行冷卻。濃縮液監(jiān)測槽TEP007BA的硼濃度監(jiān)測也是需要通過罐體相連的191VB 進(jìn)行取樣。通過取樣瓶手動(dòng)接取后，到NX廠房的化學(xué)取樣間通過硼表［8］測量（約20min）后獲得所需濃度，整個(gè)取樣過程大概需要30min。考慮到減小化學(xué)取樣的工作量并節(jié)省時(shí)間，可以將上述取樣點(diǎn)引至取樣間并對管線敷設(shè)硼伴熱電纜，編制相應(yīng)的取樣分析典型操作票，以規(guī)避人因失誤。

上述改進(jìn)建議僅從生產(chǎn)角度出發(fā)，未考慮管線布置、輻射防護(hù)等因素，因此，如需進(jìn)行技術(shù)改造，技術(shù)方案還需獲得原設(shè)計(jì)單位認(rèn)可后方可實(shí)施。

5 結(jié)語

在TEP 蒸發(fā)單元的生產(chǎn)過程中，獲得合格濃度的硼酸是蒸發(fā)單元乃至硼回收系統(tǒng)的重要功能之一，而通過取樣的結(jié)果計(jì)算得到正確的V0、V值是生產(chǎn)得到合格硼酸的必要條件。本文就V0、V值的定義、設(shè)置及異常后分析及處理措施進(jìn)行了初步探討，同時(shí)，結(jié)合調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，編制了可用于生產(chǎn)實(shí)踐的硼回收系統(tǒng)V0、V計(jì)算表，并對取樣點(diǎn)改進(jìn)提出了相關(guān)建議，旨在為今后TEP蒸發(fā)單元的調(diào)試、運(yùn)行提供一定的借鑒和參考。