核電廠用水流程設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)例

于 淼，顧 鈺，楊振宇，萬(wàn)維進(jìn)，桂璐廷

核電廠用水流程設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)例

于 淼，顧 鈺，楊振宇，萬(wàn)維進(jìn)，桂璐廷

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233）

針對(duì)核電廠總體用水量大，用水去向不明確，廢水綜合利用不徹底等問(wèn)題，本文以某核電廠初可研階段用水設(shè)計(jì)為研究基礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)用水排水流程進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)對(duì)全廠采用高效節(jié)水措施和廢水綜合利用工藝，實(shí)現(xiàn)廢水的梯級(jí)利用、分類(lèi)處理、分質(zhì)回用。用水流程優(yōu)化后，降低了核電廠淡水取水量，保證了全廠節(jié)水及廢水的綜合利用，為該核電廠后續(xù)水工、化學(xué)設(shè)計(jì)提供參考。

核電廠；節(jié)水；化學(xué)設(shè)計(jì)；廢水綜合利用

核電廠廠址的選擇有較大局限性，必須在特定的區(qū)域內(nèi)選擇合適的廠址。目前，許多缺水或供水能力不足的地區(qū)需要建設(shè)核電廠，當(dāng)?shù)厮Y源不能滿足常規(guī)核電對(duì)用水量的需求[1]。因此，如何通過(guò)優(yōu)化用水流程實(shí)現(xiàn)節(jié)水及廢水回用，直至最終全廠廢水的零排放，是核電規(guī)劃建設(shè)中必須解決的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于優(yōu)化電廠的用水流程，火電廠研究頗多，核電廠鮮有報(bào)道。

本研究結(jié)合某核電廠初可研階段用水流程實(shí)例，分析了核電廠節(jié)水措施和廢水綜合利用工藝在具體工程實(shí)踐中的應(yīng)用，為該核電廠后續(xù)水工、化學(xué)設(shè)計(jì)提供參考。

1 某核電廠初可研階段用水設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

該電廠采用城市污水處理廠及再生水廠中水作為全廠工業(yè)水源，經(jīng)廢水處理站深度處理后用于冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水、除鹽水制備等。采用水庫(kù)水作為施工和運(yùn)行期間生活用水。凝汽器采用表凝式間接空冷系統(tǒng)冷卻。輔機(jī)冷卻及重要廠用水采用二次循環(huán)的機(jī)械通風(fēng)冷卻塔冷卻。

含油廢水經(jīng)除油處理裝置處理后返回廢水處理站處理；精處理再生廢水，空冷島回水，部分生活污水處理系統(tǒng)出水返回廢水處理站處理，除鹽水系統(tǒng)廢水全部返回廢水處理站處理；冷卻塔排污水進(jìn)入廢水處理站，處理達(dá)標(biāo)后再次作為工業(yè)水源。水量平衡圖如圖1所示，各用排水工藝在初可研階段尚未給出。

圖1　四臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)設(shè)計(jì)水量平衡圖

水平衡圖顯示，輔機(jī)冷卻塔平均日補(bǔ)水量為 7 200 m3/d，蒸發(fā)及風(fēng)吹損失水量為5 280 m3/d，冷卻塔排污水量為1 920 m3/d，該系統(tǒng)循環(huán)水總量為4×3 850 m3/d，按風(fēng)吹損失率 0.05%計(jì)，風(fēng)吹損失水量計(jì)算值約為185 m3/d，蒸發(fā)損失水量約為5 095 m3/d，據(jù)此計(jì)算可知輔機(jī)冷卻塔循環(huán)水設(shè)計(jì)濃縮倍率約為3.42倍，計(jì)算公式如下：

重要廠用水系統(tǒng)冷卻塔平均日補(bǔ)水量為4 800 m3/d，蒸發(fā)及風(fēng)吹損失水量為3 360 m3/d，冷卻塔排污水量為1 440 m3/d，該系統(tǒng)循環(huán)水總量為4×2 700 m3/d，按風(fēng)吹損失率0.05%計(jì)，風(fēng)吹損失水量計(jì)算值約為130 m3/d，蒸發(fā)損失水量約為3 230 m3/d，據(jù)此計(jì)算可知重要廠用水冷卻塔循環(huán)水設(shè)計(jì)濃縮倍率為3.06倍，計(jì)算公式如下：

目前該設(shè)計(jì)方案中存在的主要問(wèn)題：

（1）原設(shè)計(jì)中城市污水處理廠及再生水廠中水、冷卻塔排污水、除鹽水系統(tǒng)回水、精處理再生廢水、含油廢水及其他生產(chǎn)廢水，部分生活污水處理系統(tǒng)出水，空冷島回水等均在一座廢水處理站進(jìn)行集中處理。但這些水的水源和水質(zhì)各有不同，該設(shè)計(jì)僅考慮了水量的平衡，沒(méi)有考慮廢水“分類(lèi)收集，分質(zhì)處理回用”的原則和鹽量平衡問(wèn)題。

（2）根據(jù)原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，重要廠用水系統(tǒng)冷卻塔和輔機(jī)冷卻塔的設(shè)計(jì)濃縮倍率分別為3.06倍和3.42倍，濃縮倍率偏低，可根據(jù)實(shí)際水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果確定是否可以進(jìn)一步提高濃縮倍率。

（3）各系統(tǒng)用排水工藝沒(méi)有給出。

2　用水流程優(yōu)化

2.1　用水流程優(yōu)化原則及方案的確定

針對(duì)初可研用水設(shè)計(jì)方案的問(wèn)題，將用水流程優(yōu)化原則確定為：提高循環(huán)水濃縮倍率，對(duì)工業(yè)廢水分類(lèi)回收、分質(zhì)處理，實(shí)現(xiàn)階梯用水，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)水及廢水的綜合利用[2]。

因此，廢水處理站應(yīng)設(shè)置不同的廢水處理系統(tǒng)，可進(jìn)行如下優(yōu)化：

中水處理系統(tǒng)：處理城市污水處理廠及再生水廠來(lái)中水，以及相似水質(zhì)的廢水，如含油廢水處理系統(tǒng)出水及生產(chǎn)廢水、除鹽水系統(tǒng)過(guò)濾設(shè)備自用水、空冷島回水等。出水作為冷卻塔補(bǔ)水、除鹽水制備系統(tǒng)水源及生產(chǎn)用水；

冷卻塔排污水處理系統(tǒng)：處理重要廠用水系統(tǒng)冷卻塔排污水、輔機(jī)冷卻塔排污水，以及相似水質(zhì)的其他廢水，如除鹽水制備系統(tǒng)反滲透濃水、離子交換器再生廢水。出水作為冷卻塔補(bǔ)水；

精處理再生廢水處理系統(tǒng)：處理凝結(jié)水精處理再生廢水；

雨水處理系統(tǒng)：將廠區(qū)雨水收集系統(tǒng)收集的雨水進(jìn)行深度處理，出水回用于冷卻塔補(bǔ)水；

零排放系統(tǒng)：對(duì)末端廢水進(jìn)行濃縮、固化處理；

污泥處理系統(tǒng)：設(shè)置污泥池收集各系統(tǒng)排出的污泥，上清液回至相應(yīng)系統(tǒng)入口，濃縮污泥用壓濾機(jī)分別進(jìn)行壓濾，濾液分別回至相應(yīng)系統(tǒng)入口，泥餅外運(yùn)處理。

2.2　冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化及冷卻塔排污水回用

2.2.1冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，重要廠用水系統(tǒng)冷卻塔和輔機(jī)冷卻塔的設(shè)計(jì)濃縮倍率分別為3.06倍和3.42倍，耗水量8 640 m3/d。通過(guò)對(duì)城市污水處理廠中水水質(zhì)分析，結(jié)果如表1所示。

表1　城市污水處理廠中水主要水質(zhì)分析結(jié)果

表1中水質(zhì)分析數(shù)據(jù)表明水為中等含鹽量水，堿度、硬度也較高；COD、氨氮和總磷含量未達(dá)到城鎮(zhèn)污水排放一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求[3]。該水質(zhì)的水必須經(jīng)過(guò)深度處理后才能用作冷卻塔補(bǔ)水[4]。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，中水采用石灰-混凝工藝處理后，預(yù)計(jì)冷卻塔濃縮倍率可提高至5倍（具體濃縮倍率建議通過(guò)模擬試驗(yàn)確定）。冷卻塔補(bǔ)水及排水水質(zhì)預(yù)測(cè)指標(biāo)如表2所示。

表2　冷卻塔補(bǔ)水及排水水質(zhì)預(yù)測(cè)

續(xù)表

水質(zhì)指標(biāo)單位冷卻塔補(bǔ)水冷卻塔排水 溶解總固體mg/L≤800≤4 000 CODmg/L≤40— 氨氮mg/L≤5— 總磷（以P計(jì)）mg/L≤0.50—

通過(guò)對(duì)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，將冷卻塔濃縮倍率提高至5倍，輔機(jī)冷卻塔排污水量將由設(shè)計(jì)值1 920 m3/d降低至1 089 m3/d，重要廠用水冷卻塔排污水量將由設(shè)計(jì)值1 440 m3/d降低至678 m3/d。與優(yōu)化前相比，冷卻塔排污水量可減少1 593 m3/d。

2.2.2冷卻塔排污水回用

冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化后，冷卻塔排污水量為1 767 m3/d，其經(jīng)過(guò)循環(huán)、濃縮，含鹽量、硬度、COD等有機(jī)污染物含量均較高，其水質(zhì)與除鹽水制備系統(tǒng)再生廢水和除鹽水制備系統(tǒng)反滲透濃水水質(zhì)類(lèi)似，可共同預(yù)處理后經(jīng)過(guò)反滲透脫鹽回用。具體工藝方案如圖2所示。

吹牛！我也用這個(gè)詞回敬她。我干了六年，從來(lái)就沒(méi)碰上美女同事。拋光這活兒忒臟，上班時(shí)要戴口罩系圍裙，哪個(gè)女孩愿意做？何況她這么漂亮的女孩，干拋光豈不是暴殄天物了？

圖2　冷卻塔排污水處理工藝方案

排污水和反滲透濃水混合后通過(guò)臭氧—生物活性炭工藝降低有機(jī)物含量。臭氧生物活性炭出水與除鹽水制備系統(tǒng)再生廢水混合后進(jìn)入高密度沉淀池進(jìn)行軟化，軟化后出水采用超濾進(jìn)行過(guò)濾，超濾系統(tǒng)自用水率為10%。高密度沉淀池排泥采用污泥脫水機(jī)脫水，脫出水與超濾系統(tǒng)自用水回至高密度沉淀池前，脫水后干泥外運(yùn)。超濾出水進(jìn)入反滲透系統(tǒng)濃縮脫鹽，反滲透回收率80%，反滲透產(chǎn)水作為冷卻塔補(bǔ)水，反滲透濃水進(jìn)入納濾系統(tǒng)進(jìn)一步濃縮。納濾系統(tǒng)控制回收率為50%，納濾產(chǎn)水回至反滲透系統(tǒng)，納濾濃水送至零排放系統(tǒng)。

該工藝方案能有效降低來(lái)水有機(jī)物含量，有利于提高后續(xù)軟化工藝混凝澄清效果。通過(guò)高密度沉淀池使軟化后出水致垢離子含量小于10 mg/L，有利于提高后續(xù)反滲透系統(tǒng)回收率。整體工藝可達(dá)到回收率90%。

2.3　除鹽水系統(tǒng)廢水回用

除鹽水制備系統(tǒng)廢水包括過(guò)濾設(shè)備自用水、反滲透濃水、混床再生廢水。除鹽水制備系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)水水量為7 700 m3/d，按照反滲透回收率75%、過(guò)濾設(shè)備自用水率10%[5]計(jì)算，過(guò)濾設(shè)備自用水水量為1 141 m3/d；反滲透濃水水量為2 567 m3/d。再生廢水離子主要由陰樹(shù)脂、陽(yáng)樹(shù)脂再生過(guò)程帶入，混合后主要為NaCl鹽溶液，不同種類(lèi)廢水主要水質(zhì)預(yù)測(cè)指標(biāo)如表3所示。

表3　除鹽水制備系統(tǒng)不同種類(lèi)廢水主要水質(zhì)估算結(jié)果

除鹽廢水回收工藝方案如圖3所示，將除鹽水制備系統(tǒng)中含鹽量相近的反滲透濃水和再生廢水回至冷卻塔排污水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，過(guò)濾設(shè)備自用水水質(zhì)懸浮物含量會(huì)有所增高，因此將該部分廢水回至中水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

圖3　除鹽水制備系統(tǒng)廢水處理工藝方案

2.4　精處理再生廢水回用

精處理再生用水水源為除鹽水，水量為1 360 m3/d。該部分高鹽廢水所占比例為30%，其余70%再生廢水為低鹽廢水。按此計(jì)算，高鹽廢水水量為408 m3/d，低鹽廢水水量為952 m3/d。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，精處理再生廢水水質(zhì)預(yù)測(cè)如表4所示。

表4　精處理再生廢水水質(zhì)

再生過(guò)程中樹(shù)脂輸送、樹(shù)脂清洗以及陰、陽(yáng)樹(shù)脂分離及正洗等階段的排水均為低含鹽廢水，有潛在放射性污染的工業(yè)廢水應(yīng)送至常規(guī)島廢液排放系統(tǒng)進(jìn)行放射性檢測(cè)[6]，若總γ小于2.24 Bq/L，可以分段回收，直接回用；陰、陽(yáng)樹(shù)脂再生進(jìn)酸堿及置換階段的排水為高含鹽廢水，送至常規(guī)島廢液排放系統(tǒng)進(jìn)行放射性檢測(cè)，若總g小于2.24 Bq/L，可收集后進(jìn)一步處理。精處理再生廢水回用工藝如圖4所示。

圖4　精處理再生廢水處理工藝方案

精處理再生廢水高鹽廢水及低鹽廢水分段回收，低鹽廢水進(jìn)入低鹽廢水池，由于其水質(zhì)與除鹽水水質(zhì)接近，但懸浮物含量增高，因此將其回至除鹽水制備系統(tǒng)過(guò)濾設(shè)備前。高鹽廢水進(jìn)入高鹽廢水池調(diào)節(jié)pH后，經(jīng)砂濾、超濾進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾系設(shè)備自用水率為15%。過(guò)濾后出水進(jìn)入反滲透系統(tǒng)進(jìn)行濃縮脫鹽，設(shè)計(jì)反滲透回收率為70%，反滲透產(chǎn)水部分用于本系統(tǒng)過(guò)濾設(shè)備自用水，部分回至冷卻塔作為冷卻塔補(bǔ)水，反滲透濃水進(jìn)入零排放系統(tǒng)。過(guò)濾設(shè)備自用水回至中水處理系統(tǒng)。

2.5　生活污水回用

生活污水的特點(diǎn)是COD、BOD5、細(xì)菌及氮、磷含量較高，其他水質(zhì)指標(biāo)與水源接近。該廠水庫(kù)水的水質(zhì)分析結(jié)果如表5所示。

表5　水庫(kù)水主要水質(zhì)指標(biāo)[7]分析結(jié)果

2.6　生產(chǎn)廢水回用

該核電廠生產(chǎn)廢水主要有含油廢水和其他非放射性生產(chǎn)廢水。

2.6.1含油廢水回用

含油廢水處理系統(tǒng)處理達(dá)標(biāo)后，其主要水質(zhì)指標(biāo)與中水相近，僅石油類(lèi)含量（≤5 mg/L）高于中水（一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)要求≤1 mg/L）可送回中水處理系統(tǒng)，200 m3/d的含油廢水與大流量的中水混合均質(zhì)后，石油類(lèi)含量遠(yuǎn)低于一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，再經(jīng)過(guò)中水深度處理系統(tǒng)處理，預(yù)計(jì)出水完全可以滿足冷卻塔補(bǔ)水、生產(chǎn)用水等系統(tǒng)的水質(zhì)要求。

2.6.2其他非放射性生產(chǎn)廢水回用

生產(chǎn)用水主要用作重要廠用水設(shè)備軸承冷卻水、地面沖洗水及消防水池補(bǔ)水等。其他非放射性生產(chǎn)廢水主要來(lái)源是實(shí)驗(yàn)室排水、消防演練排水、衛(wèi)生間及洗衣房排水、重要廠用水設(shè)備軸承冷卻排水[8]等，這些水通過(guò)底坑或相應(yīng)收集管道進(jìn)行收集，其水源均為中水，與水源相比，主要水質(zhì)變化是懸浮物含量或水溫有所升高，或者與生活污水水質(zhì)相近，可回收至中水深度處理系統(tǒng)進(jìn)一步處理。

2.7　雨水回用

雨水水質(zhì)與集流面材料、土壤地質(zhì)條件等因素都有關(guān)系。降雨初期空氣中大量的灰塵等物質(zhì)被雨水洗滌，雨水中各項(xiàng)指標(biāo)濃度均較高，不適合收集。經(jīng)過(guò)初期雨水截污、棄流處理后收集的雨水相對(duì)比較潔凈，但仍含有一定量的COD、懸浮物顆粒及硬度離子等，預(yù)計(jì)含鹽量將高于中水，建議在廢水處理站設(shè)置雨水處理系統(tǒng)，將收集后的雨水進(jìn)行處理。

根據(jù)雨水的水質(zhì)特點(diǎn)，雨水處理系統(tǒng)可采用生物—混凝澄清—過(guò)濾—超濾—反滲透處理工藝，反滲透產(chǎn)水回用至冷卻塔，反滲透濃水送至冷卻塔排污水處理系統(tǒng)處理；考慮節(jié)水，生物處理單元、過(guò)濾器及超濾反洗水均回至澄清池，澄清池排泥水可送至廢水處理站的污泥處理系統(tǒng)處理。

2.8　優(yōu)化后全廠用水流程圖

通過(guò)優(yōu)化，全廠用水流程如圖5所示。

3 結(jié)論與建議

（1）以節(jié)水及廢水綜合利用為目的的用水流程優(yōu)化在國(guó)內(nèi)尚屬先例，通過(guò)控制好循環(huán)水濃縮倍率和廢水階梯利用、分類(lèi)處理、分質(zhì)回用，可實(shí)現(xiàn)了一定的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

（2）本優(yōu)化的基礎(chǔ)是初可研階段全廠水量平衡圖，其中常規(guī)島水量損耗與筆者經(jīng)驗(yàn)相差較大，常規(guī)島水量損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際運(yùn)行機(jī)組的水量損耗，此處對(duì)全廠節(jié)水量的影響也很大，建議在適當(dāng)條件下開(kāi)展同類(lèi)型已投運(yùn)核電廠全廠水量平衡測(cè)試與研究，為修正水量設(shè)計(jì)值提供依據(jù)。

（3）本設(shè)計(jì)優(yōu)化將重要廠用水冷卻塔和輔機(jī)冷卻塔濃縮倍率由約3倍提高到了5倍，降低了補(bǔ)水量和排污水量。然而，考慮到冷卻水系統(tǒng)可采用高等級(jí)的耐腐蝕金屬材料，冷卻塔濃縮倍率仍有進(jìn)一步提高的可能性，但需通過(guò)模擬試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估論證，建議在后續(xù)設(shè)計(jì)階段開(kāi)展相應(yīng)工作。

圖5　優(yōu)化后全廠用水流程圖

［1］ 劉達(dá)，黃本勝，邱靜，等. 內(nèi)陸核電水資源管理政策的初步探討［J］. 水利發(fā)展研究，2012（5）：39-41.

［2］ 劉炳偉，徐秀萍，陳周燕，等. 某發(fā)電廠節(jié)水及廢水綜合利用改造實(shí)例［J］. 工業(yè)水處理，2019，39（9）：111-115.

［3］ 城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)：GB 18918—2002［S］. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［4］ 工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50050—2017［S］. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017.

［5］ 發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范：DL/T 5068—2014［S］. 北京：中國(guó)電力出版社，2014.

［6］ 核電廠常規(guī)島設(shè)計(jì)規(guī)范：GB/T 50958—2013［S］. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.

［7］ 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：GB 3838—2002［S］. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［8］ 火力發(fā)電廠廢水治理設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程：DL/T 5046—2006［S］. 北京：中國(guó)電力出版社，2006.

Optimization Example of Water Flow Design in Nuclear Power Plant

YU Miao，GU Yu，YANG Zhenyu，WAN Weijin，GUI Luting

（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co.，Ltd，Shanghai 200233，China）

Nuclear power plants face problems such as the large water consumption, unclear water destination and utilization deficiency of wastewater. Based on the water design in the initial feasibility study stage and production experience, the water use and drainage process is optimized in this paper. High efficiency water-saving methods and comprehensive utilization technologies of wastewater are applied to achieve the step utilization, classification and reuse of wastewater. After the optimization of the water use process, the fresh water intake of the nuclear power plant is reduced, and the water saving methods and comprehensive utilization of the wastewater are applied in the whole plant. The paper provides a reference for the subsequent hydraulic and chemical design of the nuclear power plant.

Nuclear power plant; Water saving; Plant chemical design; Comprehensive utilization of wastewater

TL329

A

0258-0918（2023）05-1027-07

2022-08-17

于 淼（1983—），男，吉林扶余人，工程碩士，現(xiàn)主要從事核電廠化學(xué)環(huán)保方面研究