核電廠一回路水化學在線自動監測系統設計

林清湖 徐天鳳

（海南核電有限公司 海南昌江）

一、引言

核電廠化學監督主要監督核電廠水、汽、氣、油、放化和三廢樣品監督，包括一、二回路水化學、放射化學和油質監督、取樣系統和加藥系統運行、水處理系統設備狀況監督、化學品管理和實驗室管理等各個方面。一回路水化學監督，通常采用人工取樣和實驗室儀器儀表離線分析，部分分析指標采用在線化學分析儀表實時分析。M310機組一回路水質監測在線化學分析儀表設計有在線硼濃度分析儀和在線溶解氫表，其硼濃度和溶解氫濃度采用定期人工取樣分析與在線儀表比對，其在線硼濃度分析儀伴隨著反應堆的運行，尤期是壽期末，顯示分析結果與實際濃度偏差較大，且隨著運行年限的增長，在線硼濃度分析儀中子源強度減弱，分析結果偏差越大，分析結果置信度有限，需定期人工校準，以增加在線儀表分析結果的可信度。

隨著公眾對核安全的關注和核安全的特殊性，對核電廠水質監督和控制提出了更高的要求。由于一回路水質指標信息具有時效性強、準確性高的特點，尤其是一回路水質指標預警預報和趨勢分析要求快速、準確、實時地采集和傳遞監測信息，而常規的人工取樣分析工作量大、時間長，取樣、送樣過程樣品沾污可能性大，不能實時了解一回路水質情況，不能滿足快速、準確和實時測報的需要，引發了一回路水化學在線自動監測系統產生和發展，系統實時分析一回路各項水化學指標，利用控制系統實時顯示一回路水化學指標，利用數據分析系統實時分析趨勢情況，利用智能診斷系統診斷系統狀態和行動建議。

二、系統介紹

1.設計思想

一個有效的核電廠一回路化學在線自動監測系統應該具備自動控制、實時監測和顯示、遠程傳輸和控制、異常報警、趨勢分析、智能分析和診斷、行動跟蹤和建議、顯著減少人力干預等功能。系統根據核電廠一回路水化學取樣點、監測對像，自動選擇取樣點及自動分析，遠程傳遞分析結果，系統控制軟件自動保存分析結果，自動趨勢分析和異常響應，智能判斷和給出行動建議，建立良好的、有機的人機交互系統。

2.在線自動監測方案

一回路水化學在線自動監測系統是一套以在線自動分析儀器儀表為核心，運用遠程自動控制技術、自動測量技術、傳感器技術、計算機應用技術以、相關的專用分析控制軟件、智能診斷系統和通信網絡所組成的一個綜合性的在線自動監測系統。實施一回路水化學在線自動監測，可以實現一回路水質的實時連續監測、遠程監控和智能分析，達到及時掌握一回路系統的水質變化狀況、預警預報突發性災害和污染事故（比如化學試劑的誤添加、硼濃度的誤稀釋等）、監督一回路水質控制制度落實情況等目的。一回路水化學在線自動監測系統，具有最佳的實時監測使用效果，實現了一回路水質的自動、連續監測和數據遠程自動傳輸，提高了監測的效率和效益。在水質發生異常時，系統能自動響應進行報警，進行連續跟蹤監測，掌握異常事件的發生、發展和終結過程，在預防和預報異常事件的發生或惡化中具有重大作用。對于提高化學監督水平，嚴格控制一回路水質指標，防止和減緩一回路設備腐蝕、結垢，提高系統和設備的安全性，延長機組使用壽命，提高機組運行的經濟性具有重要意義。

圖1 核電廠一回路化學在線自動監測系統流程示意圖

核電廠一回路化學在線自動監測系統包括取樣接口系統、在線分析儀器儀表、遠程傳遞控制系統、化學分析控制軟件，其系統流程如圖1所示，為在線監測系統直接從核取樣系統取樣，經多位樣品選擇閥流經在線儀表，通過控制系統自動定時切換樣品來源進行分析，系統自動記錄在線儀表分析結果，傳遞至核電廠集散控制系統，在主控制室直接讀取在線儀表顯示結果，同時數據傳遞至化學信息管理系統進行自動記錄、趨勢分析和智能診斷，并提供行動建議。用戶通過硬件終端設備（如手機）遠程實時查看在線儀表分析結果及系統狀態。

3.樣品來源

在線自動監測系統樣品直接來源于核取樣系統，高溫高壓的一回路流體經核取樣系統降溫降壓，其流體介質的溫度、壓力、流量可以滿足在線自動監測系統對樣品的要求。核取樣系統超溫超壓保護裝置可用用于保護一回路在線自動監測系統對在線儀器儀表的保護，有利于在線自動監測系統在線儀器儀表的維護和保養，樣品來源主要有：主冷卻劑系統一環路；主冷卻劑系統二環路；余熱排出系統熱交換器上游；余熱排出系統熱交換器下游；化學與容積控制系統凈化上游；化學與容積控制系統凈化下游。

本系統除在線自動監測外，具備手動人工取樣功能。且系統預留備用接口，可以根據實際情況或臨時取樣點拓展分析。手動取樣管線設在回流管線上，故隨時能夠提供具有代表性的樣品。在線儀器定期標定、通過樣水返回管線的人工取樣進行儀表標定比對。

三、在線化學分析儀器儀表

核電廠一回路水化學在線自動監測系統的在線儀器儀表系統是系統核心，包含pH計、電導率儀、雙通道溶解氧/氫表、雙通道離子色譜儀、硼濃度儀、硅表，各儀表連接系統來源如下。

（1）pH計。RCP-Ⅰ環、RCP-Ⅱ環各有1臺pH計，用于實時監測主系統pH值，該表用標準pH緩沖液定期標定。

（2）電導率儀。RCP-Ⅰ環、RCP-Ⅱ環各有1臺電導率儀，用于實時監測電導率值，該表用電導標準溶液定期標定。

（3）雙通道溶解氧/氫表。RCP-Ⅰ環設計有1臺雙通道溶解氧/溶解氫表，用于分析冷卻劑中的溶解氧、溶解氫

（4）雙通道離子色譜儀。RCP-Ⅰ環、RCP-Ⅱ環、RRA熱交換器上游、RRA熱交換器下游、RCV凈化上游、RCV凈化下流共用1臺雙通道離子色譜儀，其6路樣品通過多位樣品選擇閥，定期切換分析各流路中樣品的陰、陽離子含量，其陽離子可監測Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca+、NH4+等陽離子，陰離子可監測 F-、Cl-、SO42-、NO2-、NO3-、PO43-、甲酸根離子、乙酸根離子、草酸根離子等陰離子。

（5）硼濃度滴定儀。RCP-Ⅱ環、RRA熱交換器上游、RCV凈化上游共用1臺在線硼濃度滴定儀，通過多位選擇閥定期切換，分析各流路樣品中的硼溶液，其滴定原理與離線人工硼濃度滴定儀原理相同，采用酸酸滴定方式，避免由中子源硼濃度分析儀分析結果偏差較大引起誤差。

（6）硅表。RCP-Ⅱ環連接有一臺在線硅酸根分析儀，用于分析主系統的二氧化硅含量。

系統取樣管線設計有回流管線到化學與容積控制系統的容積控制箱，電導率表、在線溶解氫濃度分析表和溶解氧濃度分析表的樣品流入化學容積與控制系統；pH計、離子色譜儀、硅表、在線硼濃度監測表樣品回收到核島疏水排氣系統，以減少廢液產生量。

1.系統運行

系統正常運行方式為自動在線連續運行，在反應堆功率運行期間全部可用。同時，可根據機組不同工況，投用或關閉相應的測量流路，保證系統高效運轉。不同流路樣品分析，通過多位選擇閥和控制系統，定期切換流路，在線儀表自動分析記錄相應流路的樣品并遠程傳至集散控制系統（Distribution Control System，簡稱DCS系統），進而在主控制室和化學信息管理系統中顯示和記錄、分析、診斷。

特殊運行方式下，如測量流路分析結果超標等異常情況，系統自動報警，且系統自動切換為單一流路分析，重復分析該流路樣品，驗證分析結果。

2.智能診斷系統與系統控制

在線分析儀器儀表分析結果通過DCS系統傳輸到主控制室，在主控制室直接讀取儀器儀表分析結果，同時分析結果傳輸至化學信息管理系統軟件，通過化學系統管理系統定期自動記錄分析結果，顯示分析結果趨勢，軟件人工智能診斷模塊功能自動判斷分析結果，異常情況報警，給出行動建議及糾正行動。如通過系統的在線硼濃度滴定儀自動分析一回路硼濃度，利用離子色譜儀自動分析一回路鋰離子濃度，分析結果通過DCS傳至主控制室和化學信息管理系統，通過化學信息管理系統硼-鋰協調曲線管理模塊，自動顯示分析結果情況，并根據分析結果系統自動給出行動建議，反饋除鋰或加鋰，并自動計算除鋰離子時間或加鋰量。

四、結論

核電廠一回路水化學在線自動監測系統在線自動監測一回路的pH、電導率、陰離子、陽離子、溶解氫、溶解氧、可溶性硅含量和硼濃度等水化學指標，在化學監督中起著至關重要的作用，其準確性、穩定性決定著化學監督的可靠性和可信性。在線自動監測系統連續、及時的監測功能以及消除疏漏、虛報、主觀誤差與準確可靠的技術特點。同時，系統診斷功能提供的監測數據充分發揮作用，對水質質量有惡化的跡象或趨勢進行預測，對可能發生的事故/事件進行預報，以及事故追憶并提示處理措施等指導性意見，系統已應用于國內某核電廠一回路水質在線自動監測，具有自動化、智能化、顯著降低人工分析頻率，減少人力干預等特點。