周曉杏

【摘 要】AP1000是先進(jìn)的第三代核電技術(shù)，全球首堆已在浙江三門(mén)完成熱態(tài)試驗(yàn)，其除鹽給水采用了低壓加氫鈀樹(shù)脂催化除氧技術(shù)，并且整個(gè)催化除氧單元進(jìn)行模塊化建造施工，這些在國(guó)內(nèi)電廠均為首次使用。本文主要介紹催化除氧技術(shù)的工藝、原理、優(yōu)點(diǎn)及在AP1000機(jī)組調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】AP1000；催化除氧；低壓加氫；應(yīng)用分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）11-0054-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.021

【Abstract】the third generation nuclear power technology AP1000 is advanced， the world's first reactor has been done in zhejiang sanmen hot test， which in addition to salt water adopted low pressure hydrogenation technology， palladium catalyzed resin deoxidization unit for modular construction and the entire catalytic deoxidization， these are first used in domestic power plant. This paper mainly introduces the process， principle and advantages of catalytic deoxygenation technology and the problems encountered during the commissioning of the AP1000 unit.

【Key words】AP1000； Catalytic removal of oxygen； Low pressure hydrogenation； Application analysis

1 催化除氧工藝流程

AP1000核電機(jī)組中催化除氧單元屬于DWS系統(tǒng)（除鹽水儲(chǔ)存和分配系統(tǒng)）的一部分，DWS的除鹽水儲(chǔ)存箱（DWST）接收除鹽水處理系統(tǒng)輸送來(lái)的除鹽水，除鹽水輸送泵從DWST吸水，通過(guò)催化除氧單元除去水中的溶解氧后，將符合要求的除氧除鹽水供給全廠用戶(hù)。為了在不同的除鹽水流量需求下可以維持流經(jīng)催化除氧單元的流量恒定，部分除鹽水可經(jīng)再循環(huán)管線返回至DWST。

一臺(tái)機(jī)組設(shè)置有兩套催化除氧單元，一套是除鹽水儲(chǔ)存箱催化除氧單元，用于除鹽水儲(chǔ)存箱的除氧和供水分配，一套是凝結(jié)水儲(chǔ)存箱催化除氧單元，用于維持凝結(jié)水儲(chǔ)存箱中的氧含量低于100ppb。以除鹽水儲(chǔ)存箱催化除氧單元為例，其主要設(shè)備有：除鹽水輸送泵、靜態(tài)混合器、鈀樹(shù)脂罐、樹(shù)脂捕捉器、除氣罐、鼓風(fēng)機(jī)、進(jìn)出口溶解氧表、出口氫表等[1]。

除鹽水經(jīng)除鹽水輸送泵加壓，從DWST先送入催化除氧單元的靜態(tài)混合器，在靜態(tài)混合器中與電廠氣體系統(tǒng)來(lái)的低壓氫氣進(jìn)行充分混合后進(jìn)入鈀樹(shù)脂罐，在樹(shù)脂罐內(nèi)鈀樹(shù)脂的催化作用下，除鹽水中的溶解氧與氫氣進(jìn)行化合反應(yīng)生成水，催化除氧后的除鹽水進(jìn)行樹(shù)脂捕捉器，過(guò)濾掉混在除鹽水中的樹(shù)脂碎片。經(jīng)過(guò)樹(shù)脂捕捉器的除鹽水分為兩路，一路通過(guò)V207為全廠的除鹽水用戶(hù)供水；一路通過(guò)V025回流至DWST，以維持催化除氧單元的恒定流量，保證除氧效果，同時(shí)以循環(huán)的方式降低除鹽水儲(chǔ)存箱中的溶解氧含量。除鹽水儲(chǔ)存箱中的氧含量范圍為20ppb-8000ppb（自然狀態(tài)下的飽和溶解氧），經(jīng)過(guò)DWS催化除氧單元后溶解氧≤20ppb。

在鈀樹(shù)脂罐和樹(shù)脂捕捉器頂部安裝有排氣管道，將鈀樹(shù)脂罐和樹(shù)脂捕捉器內(nèi)未反應(yīng)的氫氣排至除氣罐，除氣罐上安裝有鼓風(fēng)機(jī)和排氣管道。鼓風(fēng)機(jī)將新鮮空氣吹入排氣罐，降低除氣罐內(nèi)氫氣濃度，并通過(guò)排氣管道排至室外，避免氫氣在房間內(nèi)積聚爆炸。

2 催化除氧技術(shù)原理

AP1000核電站DWS系統(tǒng)除氧采用的是低壓加氫催化除氧原理，催化劑采用吸附在強(qiáng)堿型陰樹(shù)脂上的鈀金屬離子。根據(jù)分子軌道理論，氫氣與氧氣在常溫下不能自發(fā)地發(fā)生反應(yīng)，原因是二者電子云軌道對(duì)稱(chēng)性不匹配，經(jīng)金屬催化劑表面吸附后，受金屬最外層d軌道的作用，氫電子云發(fā)生變形，從而變得可以與氧氣在低溫下進(jìn)行反應(yīng)[2]。反應(yīng)過(guò)程如下：

鈀金屬是常溫下氫與氧反應(yīng)的最佳催化劑，常以覆蓋在某種載體上的形式出現(xiàn)，常用的載體有離子交換樹(shù)脂、活性炭等[3]。上世紀(jì)60年代德國(guó)拜耳公司研制出Lewatit Oc-1045型除氧樹(shù)脂，提出了“催化樹(shù)脂加氫除氧方法”，后被美國(guó)首先應(yīng)用在核電站、核動(dòng)力軍艦的水處理中。催化樹(shù)脂又稱(chēng)為觸媒型除氧樹(shù)脂，是以有堅(jiān)實(shí)骨架結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂為母體，再將催化金屬粒子牢固的吸附在其表面，最后進(jìn)行催化活性的活化處理[4]。混合有溶解氧和氫氣的水經(jīng)過(guò)催化樹(shù)脂時(shí)，借助于強(qiáng)堿型陰離子交換樹(shù)脂所提供的巨大的表面積，催化劑鈀對(duì)氫氣很強(qiáng)的吸附能力（1單位體積海綿狀的鈀能吸附680-850體積的氫氣），同時(shí)也能吸附氧氣，所以鈀的催化活性很高，可以達(dá)到良好的除氧效果。

作為一種新型的除氧方法，催化除氧技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)：除氧過(guò)程中樹(shù)脂只起到催化作用，本身不參加反應(yīng)，不需要進(jìn)行樹(shù)脂再生；除氧過(guò)程為氫和氧反應(yīng)生成水，無(wú)雜質(zhì)產(chǎn)生，也不需添加其他物質(zhì)，除氧后不增加鹽分；反應(yīng)速度快、除氧效果佳，實(shí)際運(yùn)行中出口溶解氧含量低于5ppb；占地面積小、可一鍵自動(dòng)投運(yùn)，運(yùn)行操作方便；設(shè)備簡(jiǎn)單易維護(hù)，常溫反應(yīng)無(wú)熱量消耗，所需費(fèi)用低，運(yùn)行費(fèi)用主要是加氫的費(fèi)用，而按質(zhì)量計(jì)算氧與氫的當(dāng)量比為8：1，氫氣消耗量少；從給水源頭上就控制氧含量，有利于后續(xù)的除氧和運(yùn)行期間腐蝕的控制。

3 催化除氧單元問(wèn)題分析

3.1 缺少模塊化施工管理經(jīng)驗(yàn)

模塊化建造技術(shù)在AP1000機(jī)組建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，這是一種先進(jìn)的施工理念，可以大量的引入平行作業(yè)，從而縮短建設(shè)工期。AP1000催化除氧單元屬于MS08模塊，尺寸4270mm×1680mm×3000mm，位于40340房間內(nèi)，除了除鹽水輸送泵，其他設(shè)備、管道、閥門(mén)、儀表和附件都安裝在公共基座上。但由于此次是模塊化建造技術(shù)首次應(yīng)用于國(guó)內(nèi)核電站建設(shè)，設(shè)計(jì)、施工方經(jīng)驗(yàn)不足，存在一些問(wèn)題，制約著DWS系統(tǒng)的調(diào)試，也影響全廠除鹽水用戶(hù)的工作。

設(shè)計(jì)方面，模塊廠家負(fù)責(zé)模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)，在電源方面只有一路電源供應(yīng)，不滿足外方的冗余設(shè)計(jì)要求，造成返廠整改；模塊的接口管道由華東院設(shè)計(jì)，但華東院遺漏了此部分施工圖，造成現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法施工；這些都屬于多方設(shè)計(jì)造成接口問(wèn)題，需注意協(xié)調(diào)。施工方面，由于模塊廠家經(jīng)驗(yàn)缺乏，且未考慮后續(xù)維修需求，造成大量閥門(mén)手輪指向模塊內(nèi)部，不便操作；樹(shù)脂捕捉器和電控柜維修空間不足，不滿足運(yùn)維手冊(cè)和國(guó)標(biāo)要求；廠家和建安方責(zé)任劃分不清，部分現(xiàn)場(chǎng)工作無(wú)人負(fù)責(zé)；后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)設(shè)計(jì)審核并在合同中規(guī)定詳細(xì)。

3.2 氫氣流量調(diào)節(jié)性能不足

由于設(shè)計(jì)有再循環(huán)管線，可以通過(guò)V025保證流過(guò)催化除氧單元的流量恒定，因此催化除氧單元的除氧效果就取決于除鹽水內(nèi)溶解氧含量和供氫量的比例。隨著除氧再循環(huán)的進(jìn)行，DWST內(nèi)的溶解氧含量從飽和溶解氧（8000ppb）會(huì)逐漸下降至100ppb以下，所需氫氣量減少了幾十倍，但氫氣流量調(diào)節(jié)閥V229為手動(dòng)針形閥，不能自動(dòng)調(diào)節(jié)供氫量。氫氣過(guò)剩會(huì)導(dǎo)致出口氫濃度超過(guò)160ppb，產(chǎn)生報(bào)警并聯(lián)鎖關(guān)閉供氫電磁閥V201，隨著供氫電磁閥的關(guān)閉，出口氫濃度降低到100ppb以下時(shí)，報(bào)警復(fù)歸并開(kāi)啟V201，隨后出口氫再次增加，造成重復(fù)報(bào)警。對(duì)此問(wèn)題，建議變更供氫電磁閥V201的動(dòng)作定值，將關(guān)閉定值由160ppb修改為75ppb，開(kāi)啟定值由100ppb修改為50ppb，提前動(dòng)作干預(yù)以減少氫氣過(guò)量損失，避免頻發(fā)報(bào)警導(dǎo)致人員分心，同時(shí)稍過(guò)量的氫氣引入仍可以保證除氧效果。

3.3 出口電動(dòng)閥V207聯(lián)鎖控制問(wèn)題

當(dāng)催化除氧單元出口溶解氧含量高于20ppb時(shí)，出口電動(dòng)隔離閥V207將聯(lián)鎖自動(dòng)關(guān)閉，此邏輯可以保證供應(yīng)的除鹽水氧含量達(dá)到要求。但V207關(guān)閉同時(shí)會(huì)導(dǎo)致停止向各用戶(hù)的補(bǔ)水，其中重要用戶(hù)包括向一回路的補(bǔ)水、為啟動(dòng)給水泵提供縱深防御水源、重要設(shè)備冷卻水的補(bǔ)水等。一方面催化除氧單元的功能是在補(bǔ)水階段就限制含氧量，有利于后續(xù)的腐蝕控制，但這些用戶(hù)中均有加氫或加聯(lián)氨的除氧手段，即使除鹽水含氧量超標(biāo)，也能維持水質(zhì)要求；另一方面如果氧含量超標(biāo)就關(guān)閉供水閥門(mén)，會(huì)導(dǎo)致失去除鹽水補(bǔ)水功能，進(jìn)而失去一回路補(bǔ)水功能和一回路冷卻的縱深防御功能，引發(fā)更嚴(yán)重的后果，即DWS的補(bǔ)水功能相較于DWS的除氧功能更為重要。對(duì)此問(wèn)題建議取消V207閥門(mén)的聯(lián)鎖控制，只保留報(bào)警提示，當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，由操縱員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)判斷是否需要隔離DWS補(bǔ)水。

4 結(jié)論

鈀樹(shù)脂催化除氧以其除氧效果佳、無(wú)雜質(zhì)產(chǎn)生、操作方便經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，自推出后就得到了廣泛應(yīng)用，配以模塊化建造技術(shù)又可以減小占地面積、縮短建造時(shí)間。AP1000電廠的催化除氧技術(shù)為國(guó)內(nèi)電廠首次使用，受限于設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)不足，在調(diào)試階段遇到了一些問(wèn)題，但目前實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中除氧效果優(yōu)秀、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，相信經(jīng)過(guò)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)后，催化除氧技術(shù)在國(guó)內(nèi)具有很強(qiáng)的推廣意義。

【參考文獻(xiàn)】

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