二回路鈉表的預維與優化

呂曉棟，諸海川，俞嘉成，常滿意

（中核核電運行管理有限公司 技術三處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

某重水核電廠二回路取樣系統主要是用來監測凝汽器傳熱管和蒸汽發生器傳熱管的完整性，通過監測凝結水中的鈉離子濃度和蒸汽發生器排污水中的氚水平判斷傳熱管是否發生破損，并根據現場儀表的讀數情況協助定位破損的大致位置和破口的大小。通過監視凝結水、主給水蒸汽的pH 值、溶解氧、電導率等各項化學指標，確保其管道良好的運行環境，防止腐蝕的產生，保持核電廠安全、高效和經濟運行。

具體實現以下功能：在就地儀表盤上提供在線參數指示功能；在就地取樣柜中對二回路的各監測點提供集中的手動取樣途徑；提供鈉離子、溶解氧、pH 值等參數超標時報警的功能；當蒸汽發生器的傳熱管或者凝汽器的鈦管破損時，可通過在線鈉表判斷哪列凝汽器水室泄漏并進行隔離。

在就地取樣控制盤盤臺上安裝有報警指示窗，1 臺多點記錄儀和4 臺取樣泵操作手柄及以下儀表：排污總管電導表，凝汽器1A/1B/2A/2B 電導表，凝泵出口溶解氧表，6號高加出口pH 表，凝泵出口鈉表，凝汽器1A/1B/2A/2B鈉表。

1 鈉表監測控制要求

由于鈉離子在小孔內或縫隙處發生濃集會對傳熱管造成腐蝕，根據電廠運行手冊要求，鈉表正常運行期間報警設定值為＜1ppb，取樣流量為40mL/min。在機組正常運行期間，若凝汽器鈦管泄漏，海水中鈉、氯、硫酸根離子進入二回路，會對蒸發器傳熱管和二回路管道造成腐蝕。發生凝汽器鈦管泄漏時，必須迅速判斷并隔離發生鈦管泄漏的凝汽器水室，故鈉表準確性對機組安全運行具有重要意義。

2 鈉表測量原理

二回路取樣系統使用的ORION 鈉表，運行多年后鈉表主板、報警、輸出等卡件工作不穩定，影響運行和化學人員正常監盤，已于2013 年從1811 型升級為2111 型，具有測量精度高、范圍寬及響應速度快等特點，能夠快速、準確地反映被測介質的鈉含量指標。

鈉離子的在線定量分析采用原電池法[1]，即將對鈉離子敏感的玻璃電極、參比電極和溫度電極同時浸入測量溶液中構成測量電池，通過獲知的電動勢來求得溶液中鈉離子的濃度。該電池電動勢符合能斯特方程，即：E=E0+2.3RT/nFlg(C/Ciso)

C——鈉離子的有效濃度（即離子活度）。

Ciso——電位E 不隨溫度變化時的鈉離子濃度。

E——測量的電極電位值（mV）。

E0——等電勢的電極電位，該值不隨溫度變化。

F——法拉第常數。

n——被測離子的價態（鈉離子為+1 價）。

R——理想氣體常數。

T——樣水的絕對溫度（K）。

3 預防性維修策略

蒸發器傳熱管的腐蝕爆管，會造成帶有輻射的一回路水泄漏到二回路，因而在核電站，在線鈉表除了在常規電站防腐防垢、保護熱力系統設備安全的作用外，還與核安全有關[2]。預防性維修策略的制定，就是在設備失效以前采取行動，減少因設備失效帶來的糾正性維修。

表1 鈉表預防性維護項目表Table 1 Preventive maintenance items of sodium meter

結合歷史缺陷處理實踐和其他行業內經驗，鈉表常見故障有：

1）測量回路臟污導致標定時標液污染，標定結束后測量值不準確。

2）電極老化損壞、參比電極堵塞，影響測量結果。

3）流通池密封圈破損漏水，導致樣水流量低。

4）堿化劑二異丙胺不足，二異丙胺易揮發，在試劑瓶中形成堿性環境，二異丙胺分子通過擴散管調節樣水pH值，以此減少H+離子對測量帶來的干擾。

5）擴散管破裂，因長期處于堿性環境中，擴散管易老化變脆。

6）通訊卡件故障、接線松動、信號傳輸異常[3]。

當前某重水核電廠針對鈉表進行的預防性維護項目見表1。

鈉表日常檢查內容包括：①清洗鈉電極；②清洗參比電極；③補充參比電極內充液；④檢查參比電極的微孔陶瓷透水性；⑤清洗過濾器；⑥添加堿化劑二異丙胺；⑦檢查擴散管；⑧使用標準溶液對鈉表進行標定；⑨檢查流通池確認樣水流量。年度檢查內容除以上內容之外，增加更換電極、檢查報警輸出和控制參數。最初預防性維修項目僅月度日常檢查和年度檢查，以確保儀表讀數準確，后續根據實際運行經驗補充大修停機前儀表保護、大修啟機前投用檢查、更換擴散管等項目。

大修期間需要將二回路取樣系統進行停運，由于長時間斷電、取樣池斷水，未將鈉電極和參比電極進行保護經常導致啟機后才發現電極損壞、儀表讀數漂移。同時，堿化劑二異丙胺易揮發，在斷水情況下，擴散管在堿性環境中2 ～3 天就會變脆。故后續通過優化預維策略，補充大修停機前儀表保護、大修啟機前投用檢查。

4 輸出優化

某重水核電廠通過將就地儀表模擬量信號統一傳輸至PI 系統，以達到實時監視就地儀表設備讀數的功能。但在PI 系統中，在線鈉表顯示數據與PI 系統對應數據差異很大，造成無法準確知道系統實際水質狀況，給水質監視和行動判斷依據帶來很大不確定性，從而在凝汽器出現泄漏時不能為正確處理行動提供準確依據。具體差異體現在：水質正常期間，在線鈉表本體顯示為0.1ppb 以下至0.001ppb 時，PI 上只能顯示0.1ppb 以上的數據，兩者之間相差10 ～100倍。

通過對差異原因進行分析，鈉表量程是0ppb ～100ppb，對應輸出電流4mA ～20mA，輸出類型為線性輸出。鈉表正常運行期間值約為0.025ppb 左右，接近量程的下限。就地儀表顯示與主控顯示有偏差的問題，主要就是因為各個部件的精度，特別是鈉表里面的擴展模塊精度偏差引起。由于該電流信號要通過擴展模塊擴展和取樣電阻電壓轉換，信號傳輸存在固有偏差。以就地鈉表顯示0.025ppb 與PI 系統顯示值0.1ppb 為例，兩個數值的輸出電流僅差0.0024mA。

通過將輸出設置由線性輸出修改為對數輸出，即原4mA ～20mA 對應0.001ppb ～100ppb 換算為4mA ～20mA對應log0.001 ～log500（因log0 無數學意義，選取鈉表的最小指示精度0.001 作為量程的起點），其對應函數關系為：

其中：x 為指示鈉含量。

這樣設置以后，小信號就進行了對數倍的放大，固定誤差電流帶來的干擾影響就被大大縮小了。

在PI 系統中進行原函數的反對數運算即可還原鈉表指示值，其對應量程仍為0.001 ppb ～100ppb。其對應函數關系如下：

以輸出電流固有偏差0.0024mA 進行計算，理論最大偏差不超過0.17 ppb，其數據對比見表3。

優化設置于2020 年3 月完成實施，設置完成后，鈉表就地指示值0.036 ppb，PI 系統對應顯示值0.037 ppb，兩者誤差0.001ppb，符合理論計算結果。以此證明，通過將輸出設置由線性輸出修改為對數輸出，可以解決低量程區域時鈉表就地指示值與模擬量顯示系統不一致問題。

5 結束語

鈉表屬于核電廠重要的化學在線儀表之一，提高化學監督水平，嚴格控制水汽品質，可防止和減緩熱力設備腐蝕、結垢。通過對鈉表制定合理的預防性維護策略，根據實際經驗優化設備參數，可以提升設備測量的準確性和可靠性，延長使用壽命，提高機組運行的經濟性。

表2 電流值對比表Table 2 Comparison of current values

表3 誤差對比表Table 3 Error comparison table