核电厂辅助给水系统除氧器装置研究

核电厂辅助给水系统除氧器装置研究

王佐臣

中广核工程有限公司广东江门529000

摘要：除氧器是核电站中一个关键的设备，承担着给水除氧的任务,其选择的除氧方式、除氧效率的高低，对机组的安全性、经济性以及能源的消耗有很大影响。文章以节能减排为出发点，分析了在核电站辅助给水系统中，传统除氧方式的优缺点，并在此基础上对膜除氧技术的应用优势及其可行性进行阐述。

关键词：核电厂；给水系统；膜除氧技术

节能减排，顾名思义指的是减少能源浪费和降低污染物排放。对于节能减排工作，它已经是我国全面落实以及贯彻科学发展观思想，构建社会主义和谐社会的重要要求，也是实现我国国际环境义务履行的基本的要求。对电力生产企业来说，积极降低能耗是责无旁贷的。

1传统除氧方式的优缺点

1.1热力除氧

热力除氧法是目前常用的除氧方法，其主要原理是将水进入除氧器后播散成细微的水柱液滴或微博的水膜，同时加热正气进入除氧器后与水直接接触，将给水加热到相应压力下的饱和温度，使氧析出，从而达到除氧的目的，除氧后的水不会增加含盐量及其它杂质离子，也不会增加其他气体溶解量，经验成熟。

但热力除氧技术也存在一些问题，如:除氧水温较高，容易达到给水泵入口的汽化温度；当除氧水温＜104℃时，除氧效果不好；且要求设备高位布置，增加了投资，安装、操作不便；高温蒸汽耗汽量大；对于要求低温除氧的场合有一定的局限性。

1.2真空除氧

对于温度不高和负荷波动大而热力除氧效果不佳的设备，均可用真空除氧而获得满意除氧效果。相对于热力除氧技术来说，它的加热条件有所改善，耗汽量减少，但热力除氧的大部分缺点仍存在，且位置布置需有一定的高度差，增加了换热设备和循环水箱，对抽气泵、加压泵等关键设备的运行管理要求高。

1.3化学除氧

这是一种炉内加药除氧法，投资低，安全，操作也较为简单。但加药量不易控制，除氧效果不可靠。另外还会增加水的含盐量及其它杂质离子，影响水质；增大排污量、浪费热量。该方法一般用以辅助除氧。

2膜除氧技术介绍

2.1膜除氧技术的应用与优点

膜除氧技术具有操作方便、设备紧凑、工作环境安全、节能和减少化学试剂使用等优点，是近30年来迅速发展的高新技术，已在各工业领域和科学研究中得到了广泛应用并显示了其强大的生命力。其中的脱气膜技术更是膜分离领域的一大突破，是一种新型的气/液膜分离工艺过程，脱气率大于99.7%，能节约95％以上的能耗，并已在国外得到了广泛地运用。近年来，国内已有机构开展膜除氧技术的研究和产品开发。其主要优点有:

(1)流程简便，效率高，占地面积仅为传统工艺的1/10左右；

(2)除氧效果好且节能，能耗低；

(3)运行可靠性高，全自动控制；

(4)模块化设计，规模灵活，易于扩容；

(5)运行成本低，只消耗少量的吹洗氮气；

(6)极低的压力降；

(7)清洁干净。

2.2脱气膜除气分离的原理

聚丙烯中空纤维是疏水性的，平均孔径为0.03μm，微小的孔径使水不能通过而气体分子可以通过。纤维做成中空管状的脱气膜，膜的内径为200～220μm，外径约300μm。

脱气膜能够使水相和气相直接接触且能够分离开来，水相在膜的一侧而气相在膜的另一侧，膜的疏水性及微孔径使水不能透过微孔进行气相。通过控制气相压力产生使气体从水相进入气相的驱动力。由于微孔直径很小，气相中的污染物不会透过微孔而污染水。如图1所示，脱气膜做成中空的管状，溶有气体的气液平衡的水流过管外，当在管内施以真空或气体吹脱后，气液平衡就向管内一侧偏移，这就驱使液体中的气体从管外通过微孔溢入管内，在真空抽吸或(和)氮气吹扫下从管内排出。

2.3膜除氧装置的组成

膜除氧装置的主要组成部分有脱气膜组件、真空泵、吹扫气体、保安过滤器、减压阀、电气仪表控制柜、不锈钢支架、管道阀门及连接件等部件。

(1)脱气膜组件:脱气膜组件是膜除氧装置的核心部件，几千支单丝脱气膜平行排列织成丝布，丝布围绕一个布水管编织而成的管束，从而组成一个脱气膜组件。

脱气模组件采用模块化设计方式，扩容灵活，极大地方便了不同用户的要求。把若干数量的脱气膜组件串联或并联起来，可以获得不同的除氧效率和出水流量。

(2)真空泵:对脱气膜组件气相侧进行真空抽取并维持一定的真空度，驱使水相的气体通过膜的微孔渗透到气相，并在吹扫气体(氮气)的带动下排出。

(3)吹扫气体:气相气体在真空泵的抽取下排出，为提高脱气效率，在气侧入口用氮气吹扫。

(4)控制柜:用于设备控制和状态指示、参数显示等。在该控制柜上操作可自动投入除氧装置。也可以手动投运。

(5)减压阀:由于脱气膜工作压力的限制(一般在0.6MPa以下)，在除氧装置进水管安装一个减压阀，以防高压水破坏膜的完整性。

(6)保安过滤器:用于过滤除氧水中可能存在的杂质。

(7)高真空不锈钢管路系统及阀门，一体化不锈钢支架。

3膜除氧技术在辅助给水系统(ASG)实施的可行性

膜分离技术是近30年来迅速发展的高新技术，凭借新颖的优点，目前在国内外各领域已有广泛的应用实践，因此值得研究引入国内核电领域的可行性。目前国内某核电厂涉及除氧的设施主要有主给水除氧器系统(ADG)除氧器、凝结水抽取系统(CEX)凝汽器、辅助给水系统(ASG)除氧器和硼回收系统(TEP)除氧器等。根据实际情况，在ASG系统采用膜除氧技术是比较合适的。

3.1辅助给水除氧器(9ASG001DZ)介绍

除氧器为间壁式热力除氧器，即加热蒸汽与给水不相混合。它由蒸汽发生器及混合式热力除氧器两部分组成。蒸汽发生器为U型管式结构，用加热蒸汽(来自SVA辅助蒸汽系统)作为一次汽将水加热成为二次汽，此二次汽作为混合式除氧器的汽源。混合式除氧器的结构型式是喷雾加填料，水箱辅助沸腾除氧，以保证出水含氧量小于0.1ppm。除氧器的制水能力为60t/h。

多年的运行经验表明，辅助给水除氧器(9ASG001DZ)在使用中存在以下几方面问题:

(1)启动前准备工作多(阀门在线、管道冲洗、疏水、除氧器充水、电机测绝缘等)，加热时间长，操作复杂，启动过程需要一小时以上，且启动后也不能马上出水。

(2)在由再循环工况转向生产工况时，需要及时调节除氧器压力、水位，压力或液位异常波动会影响除氧效果和效率。制水过程中自动调节功能不稳定，经常由于压力、水位等保护而脱扣，导致除气塔多次重新启动。

(3)现场工作环境差，尤其是夏季，温度较高，噪声大，工作量大，条件艰苦。

(4)核电站运行技术规范规定ASG给水箱的最高水温为50℃。在水温过高后，经过9ASG001DZ除氧回路热交换器的降温效果不太好,同时打循环也增加ASG给水箱的加热效果，目前只能通过给水箱补水和换水来降温，造成水资源的大量浪费。

(5)除氧回路辅助设备多，保养维护量大，单一设备故障影响整个系统的运行。

(6)需要消耗大量的高温蒸汽，不符合电站所追求的节能减排的生产目标。

因此，有必要寻找一种更方便的除氧装置，而使用膜除氧技术不失为一种潜在的可替代方案。

3.2膜除氧装置替代方案

3.2.1膜除氧装置的设计规格与接入方案

为了设计一台膜除氧设施，首先需要确定它的除氧水生产能力和出水溶解氧含量指标。目前9ASG001DZ的除氧水制水能力是60t/h，但根据机组实际运行情况反馈，在其中一台机组处于热备用状态时，60t/h的辅助给水流量还不能完全满足蒸汽发生器的补水要求，需切换到主给水系统(ARE)来补充蒸发器水位，而ARE过早地投入小流量运行对主给水泵的长期可靠运行会造成一定的不确定性，为此确定膜除氧设施的设计流量为100t/h。另外，技术规范要求辅助给水箱除氧水溶解氧含量应小于100ppb，考虑到除氧水输送过程中可能会有微量空气漏入管道，膜除氧设施的出水溶解氧含量设计指标定为小于70ppb。根据以上基本要求，确定膜除氧装置的设计规格如表1。

3.2.2采用膜除氧设施的节能效果分析

ASG辅助给水除氧器(9ASG001DZ)以蒸汽转换系统(STR)蒸汽转换器(1/2STR001TX)生产的辅助蒸汽作为一次加热蒸汽对SED或SER除盐水进行热力除氧，其热力设计参数如表2。

(1)根据表2，计算9ASG001DZ热交换量。管侧(辅助蒸汽)放热:

查《水和水蒸汽物性表》，0.44MPa、147℃的饱和蒸汽的比焓为2742.3kJ/kg，0.24MPa、126℃饱和水的比焓为529.3kJ/kg。管侧辅助蒸汽放出的热功率为:

(2742.3-529.3)kJ/kg×0.778kg/s=1721kW

壳侧(除盐水)吸热:

查《水和水蒸汽物性表》，0.12MPa、81℃的过冷水的比焓为339.2kJ/kg，0.12MPa、105℃的饱和水的比焓为438.9kJ/kg。壳侧除盐水吸收的热功率为:

(438.9-339.2)kJ/kg×16.67kg/s=1662kW

(2)膜除氧装置制水节能效果

如将除氧水生产能力折算到100t/h，所耗辅助蒸汽热功率至少为2868kW。考虑STR蒸汽转换器(1/2STR001TX)的热转换效率及沿程管道的热量损失，消耗热功率应不下于3000kW。按30%的热电效率计算，约合电功率900kW，而采用膜除氧装置只需消耗电功率10kW。由此可见，若以制水能力为100t/h的膜除氧装置代替热力除氧器可节约890kW左右的电功率。

3.2.3采用膜除氧装置的其他优点

根据国内某核电厂ASG除氧子系统的运行经验，9ASG001DZ在操作使用过程中很不方便，而通过膜除氧则能较好地解决这些问题。对照3.1节关于辅助给水除氧器在实际运行操作中存在的问题,膜除氧装置具有如下优点:

(1)膜除氧设备启动前的准备工作极少，只要通气(少量氮气)通电(功率5kW的真空泵)通水(除盐水)打开阀门即可马上制出合格的除氧水，操作快速简便，投入仅需几分钟时间。

(2)不需要控制被除氧水的温度和液位，运行稳定可靠。全自动控制，出水后不用手动干预，不需专门监视。

(3)由于不需要专人在现场连续监视其运行，不受高温、噪声困扰，减轻了工作人员劳动强度。

(4)由于膜除氧是在常温下进行，生产的除氧水是常温水，可以保证除氧水箱温度低于50℃，满足技术规范的要求，大大增加ASG系统的可靠性。

(5)结构紧凑，保养简单。模块设计，故障率很低，一旦故障，故障排除快速、简单。

(6)耗能很低，安装空间小。

3.2.4采用膜除氧需要考虑的几个问题

膜除氧装置在实际实施于ASG系统前还应考虑以下几个问题:

(1)膜除氧脱气可能同时除去部分SER水中的氨，影响pH控制。缺乏除氨效果的运行经验，但是根据氨在水中的溶解度，应该去除率有限，如果氨不足，也可以通过9ASG加药管线添加。

(2)膜材料在使用的过程中由于老化等原因,是否会向除氧水中溶入杂质,需要引起关注。

(3)原设计9ASG001DZ还有给辅助给水加热的功能，但膜除氧设备是没有这个功能的。

4结论

目前，膜除氧技术在国外核电站及国内其它工业生产领域已经有较多的应用，对热力除氧器而言，具有操作方便、制水速度快、节能减耗、运行稳定等优势。而后续拟建的核电站由于尚未现场安装传统的除氧设备，因此更具实施合理性，建议在经过充分的运行安全论证的前提下探索在其他除氧系统采用膜除氧装置的可能性。

参考文献

[1]寿利萍.热力除氧器除氧效果数值研究[D].哈尔滨工程大学,2011.

[2]董建国,周霞,雷勇侠.核电厂辅助给水系统除氧器设计[J].中国核电,2015,8(1):24-28.