AP1000核電站新型凝結水精處理疊加臥式精密過濾器設計

劉炳偉，徐秀萍

(國核電力規(guī)劃設計研究院有限公司，北京 100095)

AP1000核電機組對二回路汽水品質要求非常嚴格，而凝結水精處系統(tǒng)破碎樹脂分解容易造成二回路硫酸根超標；同時AP1000核電機組啟動時間長、沖洗水量大，縮短機組啟動時間能夠很好的提高核電站的經濟效益，減少沖洗水消耗。

1 目前核電站相關技術存在的不足

1.1 凝結水精處理系統(tǒng)硫酸根離子超標

目前國內已運行的核電站中，二回路凝結水精處理始終是個難題，其主要技術特點是處理水量龐大、出水水質要求高，特別是對超臨界火電機組并不做控制的硫酸根離子有嚴格的要求，即控制核島蒸汽發(fā)生器排污水中硫酸根離子≤10ppb[1]，折算到二回路凝結水精處理出水，則需控制硫酸根離子≤0.5ppb，指標非常苛刻。我國的大亞灣核電站一期，就是因為凝結水精處理出水硫酸根超標，不得已只在機組啟動或事故泄漏時才投入運行，成為困擾其高水平運行的瓶頸。在開展AP1000核電凝結水精處理系統(tǒng)設計時，根據核島提出的設計控制文件，經過計算，當凝汽器發(fā)生泄漏時，首先超過核島水化學控制導則要求、迫使核電站降功率運行或停堆的指標就是硫酸根離子。可見，采取可行有效的措施，來降低凝結水精處理出水的硫酸根離子含量具有重要意義。

分析硫酸根離子超標的原因主要包括：(1)破碎樹脂粉末進入二回路后發(fā)生分解后產生硫酸根；(2)設備襯膠層運行過程中緩慢析出硫酸根；(3)其它不可預見因素。其中破碎樹脂進入二回路分解產生硫酸根被水處理行業(yè)普遍認為是主要原因。

樹脂破碎的原因有[2]：(1)樹脂質量不過關；(2)由于樹脂始終處在運行、失效、再生、再運行的循環(huán)使用過程中，再生時轉型膨脹時容易造成樹脂破碎；(3)樹脂運行過程中始終處于2.5～4.0MPa的水壓下會造成破碎；(4)由于核電站處理水量龐大，使得樹脂床(高速陽床和高速混床)直徑較大，容易發(fā)生進水配水不均而引起樹脂擾動，導致樹脂破碎；(5)其它不可預見因素。

由上述分析可以看出：凝結水精處理系統(tǒng)的運行工況決定總是或多或少的有破碎樹脂進入二回路系統(tǒng)，從而增加硫酸根離子的含量，影響核電站安全穩(wěn)定運行。

1.2 啟動時間長，啟動用沖洗水量大

通過近年來國內核電站調試發(fā)現(xiàn)，機組首次啟動沖洗水量大，沖洗時間長，主要原因是凝結水精處理系統(tǒng)對進水水質要求比火電機組更嚴格(火電一般要求懸浮物<1000mg/L時即可進入精處理系統(tǒng)，而核電通常要求懸浮物<500mg/L時才能進入精處理系統(tǒng))，導致機組啟動時間延長，經濟性差。

2 凝結水精處理精密過濾器方案設計

2.1 設計方案的主要目的和內容

2.1.1 避免破碎樹脂進入二回路汽水系統(tǒng)

針對破碎樹脂分解造成硫酸根超標，在凝結水精處理高速混床后設“后置”精密過濾器，過濾精度5μm，以截留破碎的樹脂粉末，提高二回路汽水品質，保證核電站安全穩(wěn)定運行。

2.1.2 縮短機組啟動時間。

針對啟動時間長、沖洗水量大，在凝結水精處理高速陽床前設“前置”精密過濾器，以縮短機組啟動時間，提高核電站的經濟效益

2.1.3 前置與后置過濾器的整合

“后置”精密過濾器、“前置”精密過濾器為同一設備，通過旁路切換運行，啟動時 “前置”使用，正常運行時 “后置”使用。

2.2 方案流程

根據凝結水精處理精密過濾器的設計目的和前、后置過濾器的公用特點，對凝結水精處理系統(tǒng)與精密過濾器進行整體設計，其流程圖圖1。

圖1 凝結水精處理及精密過濾器流程圖

精密過濾器可選用臥式、疊加布置，以減少主廠房占地面積。濾元采用大流量不可反洗式濾元，過濾精度為5μm，既減少設備投資，又可保證出水水質。以下從兩個方面闡述本工藝的運行原理。

2.2.1 機組正常運行期間

V1，V2，V3自動閥門均打開，V4，V5，V6自動閥門均關閉，此時工藝流程為：凝結水泵來凝結水→高速陽床+高速混床→疊加臥式精密過濾器→凝結水升壓泵→軸封加熱器凝結水，即為圖中實線所表示的流程。

2.2.2 機組啟動期間

V1，V2，V3自動閥門均關閉，V4，V5，V6自動閥門均打開，此時工藝流程為：凝結水泵來凝結水→疊加臥式精密過濾器→高速陽床+高速混床→凝結水升壓泵→軸封加熱器凝結水，即為圖中虛線所表示的流程。

2.3 疊加臥式精密過濾器的運行控制

疊加臥式精密過濾器不設備用，當過濾器進出口壓差超過設定值時，即退出運行，更換濾芯，此時部分凝結水經過疊加臥式精密過濾器旁路。濾芯更換完畢后，重新投運。除人工更換濾芯外，其它操作為程序控制，自動實現(xiàn)。

過濾器初始正常運行壓降小于0.02MPa，在最大流量負荷時過濾器進、出口的最大壓差不得超過0.15MPa。每支濾芯總截污容量按破碎樹脂計應不小于1.0kg，對5μm以上的固體顆粒去除率為99.99%。

過濾器的殼體和內部多孔板應以不銹鋼304制作，設計、建造和試驗、按照GB150-1998《鋼制壓力容器》標準。

3 技術經濟分析

3.1 保證核電站安全可靠運行

采用該后置過濾器工藝，主要從系統(tǒng)的安全可靠角度考慮。該后置過濾器可有效的防止破碎樹脂粉末進入二回路系統(tǒng)后分解產生硫酸根離子，在提高凝結水精處理出水品質的同時，延緩了蒸汽發(fā)生器傳熱管腐蝕破裂，保證了整個核電站的安全運行。

3.2 經濟效益

采用該前置過濾器工藝，可大大縮短機組啟動時間、減少機組啟動時的沖洗水量；并可有效保護高速陽床內昂貴的樹脂免受污染，延長其使用壽命等優(yōu)點。

(1)據現(xiàn)場有關調試數(shù)據表明，設前置過濾器后，機組每次啟動可縮短的時間因不同的工程而不同，從幾個小時到幾天不等。按12小時計，則每臺機組(AP1000單臺機組容量1250MW)每次啟動因早發(fā)電而增加的經濟效益525萬元(按每度電0.35元計)。而且，今后每次機組大小修后重新啟動時，同樣節(jié)約525萬元/次，而每臺機組該過濾器的投資費用僅為450萬左右。

(2)設該前置過濾器后，每次啟動減少的沖洗水量～10000 噸(沖洗水流量～900t/h)，折合5.0萬元(按沖洗水的制水成本5.0元計)。

(3)如果不設前置過濾器，那么機組啟動時，為縮短機組啟動時間通常都是將高速陽床充當過濾器用，陽床內的樹脂必然遭到嚴重破壞，陽床樹脂再生擦洗水甚至象污油狀，當機組正常運行后，陽床樹脂就需要更換。AP1000單臺機組容量1250MW，每臺機組高速陽床樹脂裝填量為58m3,需要費用～230萬元。

4 結論

本工藝利用同一個設備，通過旁路切換實現(xiàn)在機組正常運行期間，精密過濾器具有后置過濾器功能，從而減少破碎樹脂進入二回路進而引起硫酸根超標；而在機組啟動期間，精密過濾器具有前置過濾器功能，大大減少了啟動運行時間，既節(jié)約了啟動用水，又具有良好的經濟效益。綜合考慮，通過凝結水精處理精密過濾器的設計，無論從技術和經濟上都對AP1000核電站產生良好的效益，可以再其他核電站設計中推廣。