核电厂凝结水精处理系统的调试与运行张武武

核电厂凝结水精处理系统的调试与运行张武武

张武武

（山东核电有限公司烟台265116）

摘要：详细介绍了国内某核电厂凝结水精处理系统的调试以及调试过程中发现的问题和处理办法，并提出必要的技术改进和经验反馈，另外本文将对凝结水精处理系统的运行提出一定的指导意见。

关键词：凝结水精处理系统；阳床；混床；水帽；树脂；再生

引言

凝结水精处理系统能够在机组启动、运行、停运、二回路水化学异常以及凝汽器发生微量泄漏期间，有效去除凝结水系统中的腐蚀产物和离子杂质，提高给水和蒸汽品质，从而达到蒸汽发生器安全运行和延长其使用寿命的目的，同时缩短了机组的启动时间，在凝汽器传热管泄漏时确保在一定时间内有计划地停机。

国内某核电厂每台机组配备一套全流量处理凝结水精处理系统，采用无阀旁路的连接方式，系统可以随时投运或退出。凝结水精处理主系统流程为：6台前置阳床+6台混床+4台后置过滤器+3台凝结水升压泵，0～100%单元旁流系统、5×20%+1×20%（备用）凝结水量的阳床和高速混床及0/100%容量的阳床旁路系统，2×50%凝结水量的后置过滤器和0/50%/100%容量的过滤器旁路系统，其流程简图如图1所示。每台机组配备一套阳床再生系统和一套混床再生系统及相应的控制系统和监测仪表。

图1凝结水精处理系统简图

1凝结水精处理系统调试

1.1系统冲洗

由于凝结水精处理系统内设备均为不锈钢或碳钢衬胶设备，系统设备以罐体居多，在罐体进行封人孔前，均需进行内部清洁度检查，所以整个系统相比调试期二回路其它系统较干净，另外该系统内阳床、混床、树脂捕捉器内部均已安装水帽，这要求冲洗进水必须干净，如果杂质太多，水帽会将杂质过滤下来，导致水帽堵塞。所以在整个二回路联合冲洗初期，凝结水精处理系统不能并入二回路进行联合冲洗。

凝结水精处理系统由于其对水质的要求严格，加上其相对二回路独立的设计，完全可以进行独立冲洗。采用系统自带的冲洗水泵可以将凝结水精处理自用水箱内的除盐水泵入系统进行冲洗，并可采用水力冲洗兼并水汽冲洗的方式。为了更好的冲洗结果，建议在完成直排式冲洗后再进行一次内部循环冲洗，这样可以兼顾进行凝结水升压泵和阳床、混床再循环泵的带载试验。

冲洗注水时需要让所有罐体排气阀大量出水，以排出水面漂浮杂质。冲洗排水可以从阳床、混床的出脂阀和对应树脂捕捉器排水阀，后置过滤器通过排水阀排水，各再生罐可以选择上中下三个排水进行冲洗，采用多种方式排水目的是使罐体内部水帽截留的杂质最大程度的排出，冲洗验收标准以A级水为准。

1.2步序试验

步序试验主要包括：阳床/混床/后置过滤器的投运、解列，树脂的输送、分离、再生等。步序试验时按照正常情况下树脂输送或再生方式，用除盐水为介质进行模拟输送、分离、再生试验，检查相关管路是否畅通，阀门开启状态是否正常。调节进气管道各减压阀和安全阀，调节进水管道各流量控制阀等。系统的所有功能均需在步序试验时进行模拟操作，以保证后续加完树脂后相关工作的顺利进行。

1.3树脂添加

在添加树脂前一定要对树脂罐内部水帽进行检查，防止后期出现漏树脂问题。保守起见，有必要在装树脂时阳床、混床先各装一套或者半套，利用这两套树脂进行查漏，并验证所有的树脂输送、分离、再生试验步序，在确保没有问题的情况下，再添加剩余床体的树脂。这已在国内某核电有了良好的实践。

1.3.1树脂添加的条件

添加树脂前必须保证系统已冲洗干净，所有步序模拟试验已完成。阳床、混床、树脂捕捉器及再生间费树脂捕捉器滤元已安装，后置过滤器滤芯已安装完成。这可以保证前期冲洗滤芯不被污染，同时树脂添加后保证树脂不会泄露至二回路。

1.3.2树脂添加量

根据海阳和三门核电阳床和混床选型，设计要求单台阳床11.1m3，单台混床树脂添加量11.1m3（其中阴树脂7.41m3，阳树脂3.71m3，阴阳树脂体积比为2:1），分离塔内混脂层添加量3.2m3，根据实际添加情况，阳床树脂添加高度应该在阳床树脂再生兼储存罐内中视镜的中部偏下；混床阳树脂再生罐和混床阴树脂再生罐内树脂高度均达到上视镜的中部偏下位置，以便于观察。分离塔内混脂层阴阳树脂量采用1：1添加，正常高度约50cm左右。

1.3.3树脂添加方式

采用临时连接移动式树脂添加斗进行添加（如图2），其使用方式有两种，传统使用方法是向树脂添加斗内直接倾倒树脂，通过调节冲洗水流量约20m3/h，润洗水流量约1m3/h，进行树脂添加。这种方式添加速度较快，约2min可以加完一桶树脂。另外一种时虹吸引流法，将树脂添加斗上的漏斗拆除，安装临时软管，然后将软管插入树脂桶内，利用高位差形成虹吸，将树脂导入喷射器，这种方式添加虽然省力，但添加速度较慢。

1.3.4新树脂的预处理

新的树脂会含有制造时的未反应物、杂质等不纯物，所以在树脂添加后必须对树脂进行预处理。树脂添加至再生罐后须对树脂进行空气擦洗和漂洗，要求阳床树脂出水电导率≤1us/cm，混床混合后树脂出水电导≤0.1us/cm，方可将树脂输送至前置阳床或高速混床。在海阳与三门核电均出现预处理不彻底，导致前期出水水质不合格问题。

1.4树脂分离和再生

1.4.1混床树脂分离

混床树脂分离普遍采用高塔分离法，根据STOKES公式（如下式），由于阴阳树脂密度和粒径不同，在水中阴树脂密度较小处于上层，阳树脂密度较大处于下层，从而实现阴阳树脂分离。

STOKES公式：V=2ga2（d1-d2）/9η

其中V=最终沉降速率cm/sg=重力常数cm/s2a=树脂粒径cmd1=树脂密度g/cm3d2=水的密度g/cm3η=水的粘度g/cm.s

阴阳树脂的分离程度主要依赖于树脂的密度差和粒径大小。实际上，在分离塔中，树脂的分离位置主要依赖于树脂的沉降速度。

国内三门和海阳核电厂采用陶氏DOW树脂，阴树脂为550A（550um），阳树脂为650c（650um），两种树脂有明显的色差，所以能够清楚的看到阴阳树脂的分离界面和分离效果。

混床树脂输送至分离塔后，首先需进行充分的正洗、反洗和空气擦洗，将树脂表面的金属氧化物洗脱，密度较大的杂质通过下部排水排出。通过控制分离塔下部进水流量，使树脂充分膨胀至分离塔锥体部分，可从顶部视镜观察。然后控制树脂分离罐下部进水调节阀开度使流量逐渐减小至阳树脂临界沉降速度以下，最后将流量降至阴树脂沉降速度以下，使阴阳树脂逐渐沉降，最终实现彻底分离，海阳核电树脂分离步序试验流量梯度如下表：

树脂的分离效果可以随时从分离塔视镜进行观察，正常阴阳树脂分离界面非常清晰。

1.4.2混床阴阳树脂输送至再生罐

阴阳树脂分离完成后后，分别进行阴阳树脂输送至阴阳树脂再生罐。其中阴树脂从分离塔中部侧面阴树脂输出口输出，这里的输出时间可以稍长一些，以使阴树脂全部输出，至输出基本为清水为止。

阳树脂输出由分离塔底部阳树脂出脂阀输出，这里的输出时间必须严格控制，防止阳树脂输送过多或者不足，导致混脂层体积变化（混脂层分离不彻底，存在交叉污染）。阳树脂输送通过步序时间和光电开关动作两个独立条件进行判断输送是否终止，时间到或者光电开关动作均会停止阳树脂的输送。光电开关是通过监测树脂层和水面对光线的反射率不同，当光电开关监测到水面经过则会动作，阳树脂输出便会终止。

1.4.3树脂再生

国内海阳和三门核电厂凝结水精处理系统选用陶氏DOW树脂，树脂到货状态阳树脂：H型，阴树脂：OH型。

阳树脂为650c强酸性阳树脂，强酸性阳离子树脂含有大量的强酸性基团如磺酸基-SO3H，容易在溶液中离解出H+，故呈强酸性。树脂离解后，本体所含的负电基团，能吸附结合溶液中的其他阳离子。强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶液中均能离解和产生离子交换作用。阴树脂为550A强碱性阴树脂，这类树脂含有强碱性基团，如季胺基(亦称四级胺基)-NR3OH(R为碳氢基团)，能在水中离解出OH-而呈强碱性，这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。阴阳树脂的交换机理可简单表示为：

R-0H+Cl-→R-Cl+OH-

R-H+Na+→R-Na+H+

树脂在使用一段时间后，要进行再生处理，即用化学药品使离子交换反应以相反方向进行，使树脂的官能基团回复原来状态，以供再次使用。阳树脂再生采用30%HCl，阴树脂再生采用30%NaOH，再生方式均为体外顺流再生。

1.5树脂的再生周期

阳树脂的再生周期计算：

h阳=(E阳×V阳)&pide;(P阳×Q)

h阳——阳树脂再生周期（单位：h）

E阳——阳树脂工作交换容量（mol/m3）

V阳——阳树脂量（m3）

P阳——处理水中阳离子含量（mol/m3）

Q——处理水流量（m3/h）

阴树脂的再生周期计算：

h阴=(E阴×V阴)&pide;(N阴×Q)

h阴——阴树脂再生周期（单位：h）

E阴——阴树脂工作交换容量（mol/m3）

V阴——阴树脂量（m3）

N阴——处理水中阴离子含量（mol/m3）

Q——处理水流量（m3/h）

在已知凝结水精处理系统树脂装量和树脂选型后，再生周期主要取决于系统的运行工况。以海阳和三门核电厂为例，凝结水精处正常运行情况下，凝结水水质以控制限值计算，每台设备的处理流量为888m3/h，经计算得出：阳床理论正常运行周期为h阳=60.63h；混床理论运行周期为h阴=585.56h（以阴树脂计算）。

1.6树脂再生用酸碱量

再生阳树脂一次消耗盐酸溶液量的计算：

mHCl=E阳×V阳×M×nHCl&pide;30%

mHCl——再生一次的消耗HCl的量

E阳——阳树脂工作交换容量（mol/L）

V阳——阳树脂量（L）

M——摩尔当量(g/mol)

nHC——HCl的再生比耗

30%——HCl的浓度按30%计算

再生一次阴树脂消耗碱溶液量的计算：

mNaOH=E阴×V阴×M×nNaOH&pide;30%

mNaOH——再生一次的消耗NaOH的量

E阴——阴树脂工作交换容量（mol/L）

V阴——阴树脂量（L）

M——摩尔当量(g/mol)

nNaOH——NaOH的再生比耗

30%——NaOH的浓度按30%计算

经计算得出再生一套阳床树脂需要30%盐酸3.10m3，再生一套混床树脂需要30%盐酸1.33m3和30%强氧化钠2.23m3。

以上只是再生用酸碱的理论计算量，在实际运行中，往往需要根据树脂的失效程度，使用过量的酸碱，以使树脂获得更高的再生度。

1.7混床树脂的混合

高速混床阴阳树脂在分别完成再生后，被输送至混床树脂储存罐内进行混脂，混脂前须对混床树脂储存罐排水至树脂层表面5cm左右（排水过多或者过少均会严重影响混脂效果），然后采用罗茨风机向混床树脂储存罐底部鼓风的方式进行混脂，混脂时间约5—10min，混脂效果必须从就地视镜进行观察，要求上下视镜观察不到树脂有色差，在不确定是否混脂充分的情况下，建议延长混脂时间或者重新进行混脂。

二次混脂：在初次混脂后树脂通过水汽输送至混床，在输送过程中以及树脂进入混床后，随着混床内水和树脂的进入，混床内阴阳树脂难免会再次出现一定的分层，所以在输送前要保持混床内比较低的水位，输送完成后需要进行二次混脂选择，可以从混床视镜进行观察判断，如果从视镜看到混床上层树脂明显为阴树脂则必须选择进行二次混脂，二次混脂是在混床内采用压缩空气进行混合，阀后压力控制在约0.15MPa。

2凝结水精处理系统的运行

2.1系统的投运

凝结水精处理系统作为二回路水质净化的保证，是实现WANO化学指标的关键。在机组启动前可及时投运，以缩短机组启动时间，在机组正常运行时根据水质情况投运，有效提高二回路水质。

由于树脂对铁较为敏感，高浓度的铁可导致树脂中毒，使树脂的工作交换容量和再生交换容量明显降低，甚至导致树脂失效或报废。所以不论何时投运凝结水精处理系统，必须保证铁含量在规定范围内，海阳核电厂采用500ppb铁含量限值。另外，在保证铁含量低于限值的情况下，系统投运前二回路水质尽量冲洗至浊度小于3NTU,根据经验浊度小于3NTU时，二回路水中阴阳离子含量处于较低水平，可以延长树脂的使用周期。

2.2系统解列

系统在正常运行时，阳床和混床在运行中出水水质出现表2任一参数超限时，需要及时的解列并投运备用床体。

凝结水精处理系统进出口压差超过设定值；

精处理系统进口压力4.0MPa；

进口凝结水水温50℃时；

机组启动时凝结水进水水质不满足凝结水精处理装置进水规范要求时。

以上条件均由在线仪表自动监测，控制系统自动报警实现，但需要人工确认，排除仪器故障或误报的情况。

2.3系统运行模式的选择

从图1精处理系统的配置图可以看出，凝结水精处理系统设计可实现50%或100%流量处理凝结水，且无阀旁路可实现5%—10%的回流，六台前置阳床和六台混床均为五运一备。凝结水精处理系统可根据凝结水流量及凝结水水质情况灵活投运。更高的水质要求意味着更高的经济投入，所以在二回路水质较好且长期稳定的情况下，可以选择性投运50%床体或者不投，以节省树脂再生的成本。

2.4系统氨化运行的可行性

所谓氨化运行就是将氢型阳树脂转化为氨型来运行，其交换机理为：

NH4+OH-+RH→RNH4+H2O

氨化运行的好处有两点：一是可以延长树脂的运行时间，减少再生次数和再生用酸碱量；二是采用氨化运行不会除去凝结水的PH调节剂，可以大大降低凝结水的加氨量。但氨化运行后，二回路的钠离子不能有效去除，可能导致钠离子超标。

在正常运行时，凝汽器没有泄露的情况下，二回路水质非常好时，钠离子远低于限值。此时可以考虑部分床体的氨化运行[1]，即在部分床体氨失效的情况下继续投运，同时留有部分未氨化的床体作为备用，保证在钠离子超标时能够迅速投运。

3凝结水精处理系统的调试与运行中发现的问题及处理办法

3.1漏树脂问题

精处理系统各罐体均采用不锈钢内衬胶，内安装水帽（见图2），水帽的作用是让水/气通过树脂罐而不让树脂通过。

树脂均采用DOW陶氏树脂，阴树脂有效粒径0.575mm，阳树脂有效粒径0.635mm，所以在正常情况下，树脂是不会通过水帽发生泄漏的。

但在系统调试过程中，发现罐体均存在漏树脂问题，随即对所有罐体进行开人孔检查，逐一用塞尺排查罐体内出水水帽及中部不锈钢绕丝。发现如下问题：部分水帽安装不规范，水帽安装倾斜、螺丝没有拧紧，水帽卡槽没有卡到位等；水帽T形绕丝间隙超标、T形绕丝与底板安装错位、橡皮垫片老化；中排管与罐体连接阀门没有对中，橡胶垫片装偏、变形等。

由于每个罐体内部水帽数量庞大，且属于受限空间作业，逐一用塞尺对每个水帽进行测量检查是一项非常耗时的工作，且会存在检查不到位而反复进行开封检查的情况。国内某核电由于前期检查不彻底，导致在热试期间凝结水精处理系统树脂泄露至二回路，其危害是无法估计的。所以必须前期进行严格的检查，最好从源头上进行更严格的质量控制。

3.2废水中和问题

国内某核电凝结水精处理系统配备2*300m3容积的废水中和池，用于收集该系统内树脂再生的残液，同时兼顾电解海水制氯系统电解槽酸洗所产生的废酸溶液，及化学加药系统的联氨和氨水。每个池子配备废水输送泵，用于再循环和排放废液，中和池内布有曝气管列，采用压空从底部吹扫搅浑。

排放废水时启动废水泵，首先进行曝气和自循环，至废水泵出口pH稳定，若pH小于6则自动打开进碱阀，若pH大于9则自动打开进酸阀，然后继续进行曝气再循环至pH稳定，若pH合格则选择排放，若pH不合格，则重复进行中和。

在运行过程中发现废水中和时pH忽高忽低，比较费时。原因有三个：第一、曝气量不足，不能快速混匀；第二、进酸碱量不能精确控制；第三、每次需要排放的废水量和废水pH不同。

综上，废水中和应该在已知废水量和pH的情况下，进行计算加酸碱量，按照计算量进行可控加药，最后进行充分的搅浑反应，得到目标pH。这需要从设备和程序两方面进行改进才可以实现。

3.3系统首次投运出水不合格

国内海阳和三门核电在机组冷态试验时，凝结水精处理系统进行首次试投，投运后发现出水水质不合格，分析可能是树脂预处理不充分或树脂长期未使用保养不当。随后对所有树脂重新进行反洗和空气擦洗，再次投运经过充分的再循环后水质合格。

对于新树脂，建议进行充分的预处理。如果仍未达标，建议对树脂进行再生，首次再生建议采用双倍再生（用两倍的再生剂）或反复再生两次以上。在系统装完树脂后长时间不投运时，需要按时进行换水保养，防止滋生微生物。

总结

在系统调试和运行期间，均有树脂泄露的风险，需要特别关注。

系统投运必须保证凝结水铁含量小于500ppb，浊度尽量低于3NTU。系统运行可以根据二回路水质情况灵活选择投运，系统解列需要确认报警是否真实。

树脂再生工艺复杂，再生的每一步都可能影响系统的出水水质。在运行过程中，应根据实际的输送、分离、混合、再生效果进行判断，不能完全依靠程控。

在机组稳定运行期间，保证有备用床体的情况下，系统配置可以实现部分床体氨化运行，但需要综合考虑其经济性和安全性。

参考文献

[1]张晓勇，凝结水精处理系统氨化运行可行性探讨，1007-9904(2008)04-53-04

作者介绍：

张武武，1989年9月出生，男，山东核电有限公司，初级工程师（山东省海阳市，265116）