ASG 除氧裝置制水氧含量異常的原因分析及處理

周興凱

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

ASG 系統(tǒng)除氧裝置，用于將pH 值為9 的SER 系統(tǒng)的除鹽水除氧后為輔助給水水箱ASG001BA 的初次充水和補(bǔ)水，也用于處理pH 為7 的SED 水為反應(yīng)堆補(bǔ)給水箱初次充水和補(bǔ)水。

秦山第二核電廠對(duì)反應(yīng)堆補(bǔ)給水箱及輔助給水水箱水質(zhì)的氧含量要求為溶解氧＜0.1 mg/kg， 而除氣裝置能使水中溶解氧的總含量保持在0.1 ppm 以下，但投運(yùn)以來，除氧裝置運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)氧含量偏高的情況，尤其是在長(zhǎng)期備用狀態(tài)后重新啟動(dòng)時(shí)，氧含量超標(biāo)現(xiàn)象顯著。

1 除氣裝置的組成

兩臺(tái)機(jī)組共用一套除氧裝置，它布置在一號(hào)機(jī)組的常規(guī)島廠房。 這項(xiàng)設(shè)備包括一套除氧裝置，其中有：

（1）兩臺(tái)除氧器給水泵（9ASG005PO/006PO）用于泵送除氧水。 一臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)， 另一臺(tái)泵備用。 此外，006PO 還用于對(duì)ASG 水箱的水進(jìn)行再處理。 9ASG00 5PO 由一號(hào)機(jī)組從配電盤LLA 供電，9ASG006PO 由二號(hào)機(jī)組從配電盤LLA 供電。柴油發(fā)電機(jī)作為泵的應(yīng)急電源。 如果是在運(yùn)行中失去LLA 電源，則9ASG005PO 和9ASG006PO 所屬的啟動(dòng)接觸器仍保持接通狀態(tài)， 泵停運(yùn)，一直持續(xù)到柴油 發(fā)電機(jī)提供的應(yīng)急電源使電源恢復(fù)。

（2）一臺(tái)除氧器（9ASG001DZ）；

（3）一臺(tái)再生熱交換器（9ASG001EX）；

（4）一臺(tái)冷凝水冷卻器（9ASG001RF）；

（5）一臺(tái)非再生熱交換器（9ASG002RF）。

2 除氣裝置的運(yùn)行流程

除氧裝置運(yùn)行流程主要包括升溫、除氧、生產(chǎn)三種模式，其流程原理圖如圖1 所示。

圖1 除氧裝置流程原理圖

（1）升溫：這一工況的目的是蒸汽進(jìn)入管束使除氧裝置內(nèi)的水升溫。 除氧裝置在空氣覆蓋下充水到正常水位，按下啟動(dòng)按鈕后，打開蒸汽入口閥門，使蒸汽緩慢進(jìn)入除氧裝置的加熱管束，對(duì)除氧裝置內(nèi)的水進(jìn)行加熱，為了獲得均勻加熱的效果，循環(huán)泵啟動(dòng)從除氧裝置中吸水，然后經(jīng)過三通閥進(jìn)行裝置內(nèi)水的再循環(huán)，直到除氧器內(nèi)溫度加熱至80℃時(shí)，除氧器發(fā)出除氧指令，開始向除氧模式轉(zhuǎn)變。

當(dāng)除氧裝置內(nèi)的溫度較低時(shí)， 其空氣的分壓較大，造成除氧裝置內(nèi)的氣體中空氣的含量也較高。 為了保證在盡量短的時(shí)間內(nèi)使除氧裝置內(nèi)的水升溫和使其內(nèi)部的空氣釋放，需要利用控制器將蒸汽的入口閥保持全開，并開啟該裝置的排氣閥。

（2）除氧：除氧指令發(fā)出后，蒸汽持續(xù)進(jìn)行除氣裝置的加熱，并開始計(jì)時(shí)，在發(fā)出除氧指令17 分鐘后除氧裝置將向生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)換， 需保證在17 分鐘內(nèi)將除氧器內(nèi)溫度由80℃加熱至105℃。 直到除氣裝置內(nèi)部壓力維持在0.12 Mpa、溫度升高至105℃后維持，此時(shí)排氣閥打開，完成裝置內(nèi)水的循環(huán)除氧，此過程持續(xù)17 分鐘，然后向生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)換。

值得注意的是，水溫達(dá)到額定溫度后，并不代表著氧含量已經(jīng)合格，此時(shí)水仍需要進(jìn)行約5 次左右的再循環(huán)，保證氧含量滿足要求。 這個(gè)過程中，溶解水中的氧氣被蒸汽流不斷的排放出去。

（3）生產(chǎn)：除氧指令在發(fā)出17 分鐘后，生產(chǎn)三通閥開始由循環(huán)位置向生產(chǎn)位置轉(zhuǎn)換， 此過程需要10分鐘，此時(shí)裝置由再循環(huán)加熱轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)方式，即向外輸送除氧水，而補(bǔ)水通過熱交換初步加熱后從除氧裝置的頂部噴灑而出，完成加熱除氧。

（4）保養(yǎng)：保養(yǎng)模式是將除氧裝置的蒸汽管束側(cè)處于氮?dú)飧采w之下，以保證長(zhǎng)期停運(yùn)時(shí)有最佳的保養(yǎng)條件，防止氧氣等物質(zhì)對(duì)設(shè)備的腐蝕。 當(dāng)蒸汽壓力已降到0.15 MPa 時(shí)，由運(yùn)行人員在控制臺(tái)上給出這個(gè)信號(hào)。 此種模式是針對(duì)設(shè)備的使用壽命考慮的，與除氧裝置運(yùn)行除氧沒有絕對(duì)關(guān)系。

3 除氧裝置除氧的運(yùn)行原理

常見的給水除氧的方法有化學(xué)除氧和熱力除氧兩種。 化學(xué)除氧的優(yōu)點(diǎn)是可以徹底除氧，但由于加藥價(jià)格高， 只能除去一種氣體及要生成鹽類等缺點(diǎn)，故電廠中較少單獨(dú)采用這種方法。 熱力除氧雖然不能徹底除氧，但它除去氧氣的同時(shí)也除去了其他各種活性氣體，它不需要加藥又無鹽類生成，故在電廠中被廣泛采用。

3.1 化學(xué)除氧

化學(xué)除氧是向水中加入化學(xué)藥劑，使水中的溶解氧與它發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 生成無腐蝕性的穩(wěn)定化合物，達(dá)到除氧的目的。 該方法能夠徹底除氧，但不能除去其他氣體，且價(jià)格昂貴，還會(huì)生成鹽類，故在電廠中極少單獨(dú)采用這種方法。 目前，廣泛采用的是在給水中加聯(lián)氨（NH）， 它不僅能除氧， 還能提高給水的pH值，同時(shí)有鈍化鋼銅表面的優(yōu)點(diǎn)。

聯(lián)胺（NH）除氧原理： NH＋O→N+2HO。

3.2 熱力除氧

熱力除氧的原理是將水加熱至沸點(diǎn)，使氧的溶解度減小，水中的氧不斷逸出。 熱力除氧原理是根據(jù)氣體溶解定律建立亨利定律和道爾頓定律來除掉水中溶解的氧及其他氣體的。 為了保證熱力除氧裝置具有可靠的效果，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行上還應(yīng)滿足下列條件：（1）增加水與蒸汽的接觸面積，水流分配要均勻；（2）保證氧氣在水中的溶解壓力與水面上它的分壓之間有壓力差；（3） 保證使水被加熱到除氧裝置工作壓力下的沸騰溫度，一般采用105℃。

亨利定律：

亨利定律反映了氣體的溶解和離析規(guī)律，若無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，在一定的溫度下，液體溶解氣體的量與液體上方該氣體的平衡壓力成正比。 氣體在溶液中的溶解和離析是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，若水面上某氣體的實(shí)際分壓力低于水中溶解氣體所對(duì)應(yīng)的平衡狀態(tài)壓力，則該氣體就會(huì)在不平衡壓差△P 作用下自水中離析出來，直至達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)為止。 反之，將會(huì)發(fā)生該氣體繼續(xù)溶于水中的過程。 如果能使水面上某氣體的實(shí)際分壓力為零，在不平衡壓差作用下就可把該氣體從水中完全除掉。

道爾頓分壓定律：

某一氣體在氣體混合物中產(chǎn)生的分壓等于在相同溫度下它單獨(dú)占有整個(gè)容器時(shí)產(chǎn)生的壓力相同；而氣體混合物的總壓強(qiáng)等于其中各氣體分壓之和，即氣體分壓定律，用公式表示為：

Pd=Ps+Pa。

式中：Pd，Ps，Pa 分別為除氧器中氣體總壓力，蒸汽分壓力，空氣分壓力。

因此，熱力除氧必須具備以下幾個(gè)條件：（1）快速將水加熱到相應(yīng)壓力下的飽和溫度的傳熱條件，并在除氧器內(nèi)有一定的滯留時(shí)間。（2）給水應(yīng)有足夠與加熱蒸汽接觸的表面積，保證良好加熱效果。 （3）保證給水在除氧器內(nèi)為紊流狀態(tài)，增加氣體的擴(kuò)散速度。 （4）使氣體從水中迅速離析并排走的傳動(dòng)、傳質(zhì)條件，降低除氧器內(nèi)氣體的分壓力。（5）保持加熱蒸汽與給水逆向流動(dòng)，使給水中的氣體加速分離。

實(shí)踐表明：前三個(gè)條件較易滿足，而后兩個(gè)條件是徹底除氧的關(guān)鍵，也是除氧裝置能否正常工作的主要因素。

秦山第二核電廠的ASG 除氣裝置采用的是噴霧式除氧裝置，就是基于亨利定律和道爾頓定律，依靠一個(gè)調(diào)節(jié)加熱蒸汽的壓力調(diào)節(jié)器對(duì)除氧器本體進(jìn)行加熱，噴嘴以霧的形式將水噴出，使除氧器的絕對(duì)壓力維持一個(gè)定值； 需要除氧的除鹽水被送到除氧器的頂部，噴嘴以霧的形式將水噴出，液相霧滴與加熱蒸汽接觸，蒸汽和霧滴進(jìn)行接觸傳熱，由于霧滴的換熱系數(shù)為13～15 kW/（m*℃）， 瞬間可將霧滴加熱至飽和溫度，除鹽水被加熱后析出不凝氣體，從排氣管線排走。

4 AS G 除氣裝置運(yùn)行異常原因分析及處理

4.1 ASG 除氣裝置運(yùn)行異?，F(xiàn)象

自2018 年至2021 年期間，秦山第二核電廠在啟動(dòng)除氧裝置為下游水箱制除氧水時(shí)，發(fā)生十余次氧含量超標(biāo)的情況， 并且在達(dá)到生產(chǎn)位置后40 分鐘氧含量依舊在200 ppb～400 ppb 之間波動(dòng)且無下降趨勢(shì)，其中氧含量最高時(shí)達(dá)到1 200 ppb， 造成下游水箱水質(zhì)變差，被迫緊急將除氣裝置停運(yùn)。

4.2 氧含量不合格的原因及處理

4.2.1 補(bǔ)水溫度低及補(bǔ)水流量大

補(bǔ)水的溫度低以及補(bǔ)水流量過大時(shí)，蒸汽流量不能滿足加熱需求，除氧裝置內(nèi)的水未能加熱至壓力下的飽和溫度，氧氣不能有效去除，此種情況在冬季時(shí)尤為明顯。

處理方式：冬季補(bǔ)水溫度較低時(shí)啟動(dòng)除氣裝置需要將除氣裝置的制水流量調(diào)小，保證補(bǔ)水能快速被加熱至飽和并排除溶解氧。

4.2.2 蒸汽流量波動(dòng)大，除氧裝置內(nèi)部壓力波動(dòng)大

在除氧裝置觸發(fā)生產(chǎn)指令后，三通閥由循環(huán)位置轉(zhuǎn)為向生產(chǎn)位置所需的動(dòng)作時(shí)間為十分鐘，而在生產(chǎn)指令發(fā)出五分鐘時(shí)，氣動(dòng)的排氣閥會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，若此時(shí)入口蒸汽調(diào)節(jié)閥動(dòng)作緩慢，或由于慣性原因造成除氧裝置內(nèi)的壓力劇烈的變化；在手動(dòng)控制期間以及自動(dòng)控制初期， 除氧器內(nèi)部壓力往往由于控制原因，導(dǎo)致內(nèi)部壓力波動(dòng)較大，由于溫度的慣性相比壓力的慣性要大，造成除氧裝置內(nèi)的水的溫度跟不上壓力的變化，即水溫低于氣壓對(duì)應(yīng)的飽和溫度，除氧水中排出的氧出現(xiàn)復(fù)溶的現(xiàn)象，水的氧含量增加。 因此，保證除氧裝置壓力的平穩(wěn)，是保證氧含量合格的重要基礎(chǔ)。

處理方式：在手動(dòng)控制期間緩慢調(diào)節(jié)蒸汽流量調(diào)節(jié)閥，并在壓力穩(wěn)定后進(jìn)行無擾切換，以及在生產(chǎn)階段的前期，需要進(jìn)行生產(chǎn)水的沖洗，在除氧裝置運(yùn)行穩(wěn)定且氧含量合格后切換至接收罐。

4.2.3 排氣不足，離析出的氣體復(fù)溶

秦山第二核電廠在ASG 除氣裝置投運(yùn)期間多次出現(xiàn)氧含量不合格的情況，并且在持續(xù)運(yùn)行40 分鐘左右后氧含量依然保持在400 ppb 左右不下降， 氧含量最高為1 200 ppb，對(duì)除氧器啟動(dòng)后的溫度、壓力、氧含量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見表1 中除氧器運(yùn)行參數(shù)。

表1 除氧器運(yùn)行參數(shù)

由運(yùn)行參數(shù)可以看出，在除氧器溫度和壓力滿足飽和水的壓力溫度值時(shí)，水中的氧含量值最低，滿足水質(zhì)要求；在水中氧含量過高時(shí)，主要原因在于水的溫度低于除氣塔運(yùn)行時(shí)壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度。

這是近年來除氧裝置除氧不合格的主要原因，通過對(duì)除氧裝置運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析，可以看出，除氧裝置達(dá)到生產(chǎn)狀態(tài)時(shí)，除氧水的溫度未達(dá)到內(nèi)部壓力下的飽和溫度，內(nèi)部壓力過高，通過對(duì)排氣閥及排氣管線的排查，發(fā)現(xiàn)排氣管線由于管線布置原因，在某一段位置上存在水封的可能性， 在除氧裝置長(zhǎng)期備用后，冷凝水不斷積聚最終形成水封，導(dǎo)致排氣不足。

處理方式： 臨時(shí)消除水封的方式主要有兩種：正壓法排水和負(fù)壓法排水。 下面分別對(duì)兩種方法的可行性進(jìn)行分析。

（1）正壓法排水。

現(xiàn)場(chǎng)排氣管線上水封管線部分的長(zhǎng)度約9 m，排氣管線經(jīng)過水封管線部分后向上延伸約30 m 后與大氣相同，所以要想通過正壓方式將水封排除，需要克服最少9 m 水柱形成的壓力，下面對(duì)正壓法將水排除所需要的壓力進(jìn)行計(jì)算。

除氧裝置所需內(nèi)部壓力計(jì)算：

P=P+ρgh

P=1.013×10Pa+1×10kg/m×9.8 N/kg×9 m

P=1.895×10Pa

式中：P為除氣塔壓力；P為大氣壓力；ρ 為水的密度；g 為重力加速度；h 為水柱高度。

通過上式計(jì)算， 在忽略管線的阻力的情況下，排除水柱所需的除氧器壓力為2.483×10Pa。

設(shè)計(jì)上為了提供除氧裝置的超壓保護(hù)，在除氧裝置底部安裝有一個(gè)安全閥，安全閥的設(shè)定值為1.4×10Pa，即除氧裝置能提供的最大壓力不能滿足將水封排除的壓力要求。

（2）負(fù)壓法排水。

負(fù)壓法排水法是通過對(duì)除氧裝置進(jìn)行排水，使其內(nèi)部形成微負(fù)壓，從而將水吸入除氧裝置內(nèi)部。 現(xiàn)場(chǎng)排氣管線上水封管線部分的長(zhǎng)度約9 m， 但水封所在高度與除氧裝置排氣管線安裝位置相差約1 m， 即水封管的水若想回到除氧裝置內(nèi)部，只需克服1 m 的水柱所形成的壓力，下面對(duì)負(fù)壓法將水排除所需要的壓力進(jìn)行計(jì)算分析。

除氧裝置所需內(nèi)部壓力計(jì)算：

P=P-ρgh

P=1.013×10Pa-1×10kg/m×9.8 N/kg×1 m

P=0.915×10Pa

式中：P為除氣塔壓力；P為大氣壓力；ρ 為水的密度；g 為重力加速度；h 為水柱高度。

排水量的計(jì)算：

整個(gè)除氧裝置的容積為7 m，正常水容積為3 m，氣容積為4 m由理想氣體狀態(tài)方程可得：

P×V=P×V

1.013×10Pa×4m=0.915×10Pa×V

V=4.428 m

V=V-V=0.428 m

式中：P為排水前除氧裝置內(nèi)壓力，為常壓；P為排除水封所需除氧裝置內(nèi)部壓力；V為除氧裝置正常氣容積；V為排水后除氧裝置氣容積；V為所要排水體積。

通過上面計(jì)算知，只需將除氧裝置內(nèi)部壓力降低至0.915×10Pa 即可將水封消除，且滿足除氧裝置的設(shè)計(jì)承壓要求，而實(shí)際的排水量為0.428 m。

通過上述計(jì)算，通過手動(dòng)對(duì)除氧裝置排水0.428 m，將壓力由常壓降至微小負(fù)壓，從而使水封吸回到除氧裝置內(nèi)部的方法可行，并經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證效果明顯，能很好地解決除氧裝置運(yùn)行異常的問題。

5 運(yùn)行建議

（1）根據(jù)運(yùn)行實(shí)踐表明，除氧裝置排氣管線堵塞主要發(fā)生在長(zhǎng)期熱備用狀態(tài)之下，在此狀態(tài)之下除氧器內(nèi)的水蒸氣進(jìn)入管線會(huì)在管線內(nèi)發(fā)生冷凝，從而導(dǎo)致水封，建議優(yōu)化除氧裝置的運(yùn)行方式，減少熱備用時(shí)間。

（2）雖然通過上述方式可以解決水封問題，但給實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行帶來了負(fù)擔(dān)，建議將排氣管線進(jìn)行重新布置，設(shè)置成慢坡狀態(tài)避免U 型管線的存在，從而避免形成水封，或在可能形成水封的排氣管線上增加疏水裝置，保證凝結(jié)水的有效排除防止水封形成，從而防止復(fù)溶現(xiàn)象。

（3）由除氧裝置運(yùn)行原理可知，循環(huán)除氧狀態(tài)向生產(chǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換是由時(shí)間控制的，若在發(fā)出生產(chǎn)指令時(shí)溫度不能達(dá)到對(duì)應(yīng)壓力的飽和溫度105℃時(shí)， 氧含量不合格的水就會(huì)流入下游罐子，造成罐子中的水氧含量超標(biāo)， 建議在向生產(chǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件中增加溫度要求，可以避免上述情況的發(fā)生。

6 結(jié)語

本文通過對(duì)ASG 系統(tǒng)的除氧裝置運(yùn)行時(shí)的氧含量異常進(jìn)行分析， 確認(rèn)了造成氧含量高的根本原因，找到了有針對(duì)性的解決方案，并通過計(jì)算論證得出排除水封所需要的壓力值及需要排水的體積，為故障的排除提供了理論基礎(chǔ)，并提出增加疏水管線的方式徹底消除水封及增加生產(chǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，提高了除氧裝置的運(yùn)行可靠性，同時(shí)對(duì)其他除氧裝置的運(yùn)行具有一定的借鑒作用。