李建維， 王夢影， 羅立清， 張守杰， 張明，孫陽陽， 馮青虎， 李振龍

（1.中廣核研究院有限公司， 廣東 深圳 518124； 2.陽江核電有限公司， 廣東 陽江 529500；3.中廣核惠州核電有限公司， 廣東 惠州 516000）

水過濾器是核島放射性水處理系統(tǒng)中的重要設(shè)備， 在反應(yīng)堆一回路用水工藝中， 過濾懸浮物等雜質(zhì)， 保證機組穩(wěn)定運行； 在一回路排污系統(tǒng)、 廢液處理系統(tǒng)等排水工藝中， 降低廢液放射性及化學(xué)成分含量， 保證廢液排放滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保政策［1-2］。 目前， 國內(nèi)壓水堆核電站濾芯基本依賴于美國某單一進口品牌， 而2018 年美國能源局頒布了核電關(guān)鍵設(shè)備出口限令［3］； 并且核電廠運行經(jīng)驗反饋， 進口濾芯使用壽命較短、 更換頻繁、 成本過高， 且質(zhì)量問題得不到有效解決。 在該形勢下， 自主研發(fā)濾芯成為替代首選。 早年間， 葉裕才等［4］試驗研究了褶式國產(chǎn)濾芯應(yīng)用于放射性廢液系統(tǒng)的可行性； 上海核工程研究設(shè)計院［5］研發(fā)了用于重水堆一回路工藝系統(tǒng)的玻璃纖維濾芯， 測試了該濾芯的性能。 而隨著近年來機組對水質(zhì)要求的不斷提高， 濾芯的設(shè)計與性能要求也愈加嚴(yán)格。

中廣核研究院有限公司研發(fā)了一種核島放射性水過濾器濾芯， 試驗鑒定了其性能可靠性［6］。 本文將自主研發(fā)濾芯首先應(yīng)用于南方沿海某壓水堆核電站的核島放射性廢水回收系統(tǒng)（SRE）和核島廢液處理系統(tǒng)（TEU）， 以驗證其應(yīng)用效果。 通過與進口濾芯對比， 驗證了自主研發(fā)濾芯的性能可靠性與使用壽命， 為核電放射性水濾芯的延壽、 降頻、 增效以及核電設(shè)備國產(chǎn)化研發(fā)與改進提供參考。

1 濾芯設(shè)計

自主研發(fā)核放射性圓筒褶型水濾芯實物與結(jié)構(gòu)如圖1 所示， 主要結(jié)構(gòu)為上下端蓋、 中心管、 外骨架和濾紙層。 上下端蓋、 中心管、 外骨架、 螺紋緊固件均采用C3 級別不銹鋼材料， 外骨架設(shè)六邊形流通孔； 濾紙層采用玻璃纖維濾材， 呈扇形折疊；濾材與端蓋間采用抗105Gy 輻照粘結(jié)劑； 濾芯與殼體間采用抗104Gy 輻照的橡膠密封墊。 工作時，上游廢水從殼體入口依次流過濾芯外骨架、 濾紙層、 中心管， 過濾后的水流從下側(cè)出口流出。 SRE和TEU 系統(tǒng)中所用濾芯的規(guī)格參數(shù)如表1 所示。

圖1 核島水濾芯實物及結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Photo and structure of nuclear island water filter element

表1 濾芯規(guī)格參數(shù)Tab. 1 Filter element specification parameters

2 工程案例

2.1 案例一： SRE 系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)及水質(zhì)

SRE 系統(tǒng)水主要為核島洗衣間及淋浴間地面廢水， 水質(zhì)指標(biāo)如表2 所示。

表2 SRE 系統(tǒng)水質(zhì)指標(biāo)Tab. 2 Water quality indexes of SRE system

圖2 中001FI 為自主研發(fā)濾芯在SRE 系統(tǒng)的功能位置。 該局部過濾系統(tǒng)主要由貯液箱（4.5 m×3.4 m， 有效容積為20 m3）、 水泵、 001FI 過濾器、 壓差表（（250±1）kPa）、 取樣裝置、 液位計、 閥門等組成。 來自上游核島清洗去污系統(tǒng)（SBE）的地面廢水由01／02 貯液箱收集， 經(jīng)取樣化驗后， 通過001FI過濾器進行過濾， 輸送至廢液排放系統(tǒng)（TER）。

圖2 SRE 過濾系統(tǒng)流程Fig. 2 SRE filtration system

2.1.2 運行過程及操作參數(shù)

運行過程分為2 個流程：

（1） 循環(huán)流程： 水流向為01 貯液箱→VK1→粗濾器→01 水泵→VK2→01 貯液箱（或02 貯液箱→VK5→粗濾器→02 水泵→VK6→02 貯液箱）。

（2） 過濾流程： 水流向為01 貯液箱→VK1→粗濾器→01 水泵→VK4→001FI 濾芯→TER（或02貯液箱→VK5→粗濾器→02 水泵→VK8→001FI 濾芯→TER）。

每次過濾前， 首先進行貯液箱內(nèi)水質(zhì)循環(huán)， 以保證水箱內(nèi)水質(zhì)均勻， 循環(huán)時長不少于1 h； 之后進行水質(zhì)取樣檢測； 再進行輸水過濾， 流量為6.8 m3／h， 過濾時長1 h， 每隔15 min 記錄一次液位高度和濾芯壓差。

2.2 案例二： TEU 系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)及水質(zhì)

TEU 系統(tǒng)水主要為不可復(fù)用的一回路冷卻劑泄漏水、 來自上游蒸氣發(fā)生器排污系統(tǒng)（APG）除鹽器樹脂反洗水和沖排輸水的廢水等。 水質(zhì)指標(biāo)如表3 所示。

表3 TEU 系統(tǒng)水質(zhì)指標(biāo)Tab. 3 Water quality indexes of TEU system

圖3 中002FI 為自研濾芯在TEU 系統(tǒng)的功能位置。 該局部過濾系統(tǒng)主要由貯液箱（φ3.1 m， 有效容積為20 m3）、 水泵、 002FI 過濾器、 壓差傳感器（（250±1）kPa）、 取樣裝置、 液位觀測計、 閥門等組成。 來自上游核島排氣和疏水系統(tǒng)（RPE）的不可復(fù)用廢液， 由03／04 貯液箱收集， 經(jīng)取樣化驗后， 通過002FI／012FI 過濾器進行過濾， 輸送至TER 系統(tǒng)。

圖3 TEU 過濾系統(tǒng)流程Fig. 3 Flow of TEU filtration system

2.2.2 運行過程及操作參數(shù)

運行過程分為2 個流程：

（1） 循環(huán)流程： 水流向為03 貯液箱→VK1→水泵→VK2 →03 貯液箱（或04 貯液箱→VK5 →水泵→VK6 →04 貯液箱）。

（2） 過濾流程： 水流向為03 貯液箱→VK1→水泵→VK3 →002FI 濾芯→VK4→TER（或04 貯液箱→VK5→水泵→VK3→002FI 濾芯→VK4→TER）。

每次過濾前， 首先進行貯液箱內(nèi)水質(zhì)循環(huán)， 以保證水箱內(nèi)水質(zhì)均勻， 循環(huán)時長不少于1 h； 之后進行水質(zhì)取樣檢測； 然后進行輸水過濾， 流量為11.5 m3／h， 過濾時長1 h， 每隔15 min 記錄一次液位高度和濾芯壓差。

3 結(jié)果及分析

3.1 壓降特性

核島SRE 和TEU 系統(tǒng)中對濾芯的壽命尤為關(guān)注， 壽命評判準(zhǔn)則為規(guī)定其極限壓降， 當(dāng)極限壓降達到250 kPa 時證明納污容量已滿， 需進行更換。 壓降特性是濾芯壽命的重要影響因素， 因此分析壓降特性對于濾芯的延壽意義重大。 在本工程系統(tǒng)中， 壓差表監(jiān)測值、 設(shè)計值均為濾芯和濾殼總壓降。

3.1.1 潔凈壓降

潔凈壓降ΔPc反映濾芯初阻力。 濾芯為水系統(tǒng)局部阻力部件， 初阻力過高增加系統(tǒng)總阻力， 影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 同時， 較高的初阻力使濾芯可用壽命縮短， 及早達到極限壓降， 加快更換速度。 核電廠過濾器設(shè)計文件規(guī)定潔凈壓降不大于25 kPa。 表4 為自主研發(fā)濾芯（記為“Ⅰ型”）與進口濾芯（記為“Ⅱ型”）的潔凈壓降， 均滿足且優(yōu)于設(shè)計值。 SRE系統(tǒng)中2 種濾芯潔凈壓降相等， TEU 系統(tǒng)中Ⅱ型濾芯比Ⅰ型濾芯潔凈壓降更顯優(yōu)勢。 可見控制潔凈壓降， 是降低系統(tǒng)總阻力、 保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的可靠方法。

表4 潔凈壓降Tab. 4 Pressure drop-clean

3.1.2 極限壓降

圖4 顯示了自研濾芯與進口濾芯在使用初期（潔凈時）、 中期（100 kPa 時）、 后期（150 kPa 時）3個典型階段下， 完成一個過濾流程的壓降特性。 在SRE 系統(tǒng)中， 初期濾芯潔凈時， Ⅰ型濾芯隨著過濾時間延長， 壓降增長極緩， Ⅱ型濾芯具有較為明顯的壓降增長速率； 當(dāng)濾芯使用一段時間， 內(nèi)部已積累一定雜質(zhì)， 上下游阻力達到100 kPa 時， Ⅰ型濾芯的壓降增長速率加快， Ⅱ型濾芯壓降增長速率仍高于Ⅰ型， 呈下拋物線形； 隨著雜質(zhì)的不斷累積，當(dāng)上下游阻力達到150 kPa 時， Ⅰ型濾芯的壓降增長速率高于Ⅱ型濾芯。

圖4 壓降-時間關(guān)系Fig. 4 Relationship between time and pressure drop

而TEU 系統(tǒng)則與SRE 系統(tǒng)呈現(xiàn)不同的增長特性。 在使用初期， Ⅰ型濾芯保持較小的壓降增長速率， Ⅱ型濾芯（表4 中Ⅱ-3＃）壓降呈明顯的下拋物線形增長； 在中期階段， 2 種濾芯的壓降增長速率相當(dāng)； 在后期階段， Ⅰ型濾芯的壓降增長速率高于Ⅱ型。 總體來看， 2 個系統(tǒng)的任一階段， 自研濾芯壓降變化趨勢均更為穩(wěn)定， 尤其在SRE 系統(tǒng)的中前期階段， 自研濾芯有優(yōu)于進口濾芯50 ～80 kPa的增長裕量。

在對濾芯全壽命周期的連續(xù)觀測中， 提取了前15 個過濾流程的壓差表數(shù)據(jù)， 如圖5 所示。 2 種類型濾芯的壓降增長特性不同， Ⅰ型濾芯在2 系統(tǒng)中壓降均呈指數(shù)型增長， 前期保持較長時間的低阻力， 在8 個過濾流程之后， 壓降增速加快。 這是因為隨著使用頻率的增加， 過濾層孔隙率結(jié)構(gòu)發(fā)生變化， 由于前期的雜質(zhì)阻塞， 孔隙率變小， 阻力變大。 Ⅱ型濾芯壓降特性不明顯， SRE 系統(tǒng)中第4 個過濾流程即增至200 kPa 高壓， 隨之在175 kPa 的高阻力工況下呈波動形； TEU 系統(tǒng)中在4 ～6 個過濾流程間突增至125 kPa， 隨后保持5 kPa／h 的速率緩慢增長。 通過對比， 自主研發(fā)濾芯的阻力特性曲線更符合指數(shù)增長規(guī)律：

圖5 阻力特性Fig. 5 Resistance characteristics

式中： ΔPf為濾芯上下游壓降， Pa； ξ 為局部阻力系數(shù)； Q 為流量， m3／s； A0為濾紙層展開面積， m2； ρ 為流體密度， kg／m3； ΔPg為褶型濾芯折褶結(jié)構(gòu)壓降［7］， Pa。

隨著過濾時間的延長， 雜質(zhì)被濾紙層不斷截留， 濾紙孔隙率變小， 滲透率下降。 濾紙孔徑和孔隙結(jié)構(gòu)直接影響濾芯的阻力系數(shù)ξ， 進而引起過濾阻力的變化， 即濾芯上下游壓降的增大。 因此， ξ為時間t 的函數(shù)， 即ξ =f（t）， 則式（1）表達為：

式（2）可以描述隨著使用時間的增加濾芯的阻力變化特性， 即濾芯極限壓降與使用壽命之間的關(guān)系。 在核電放射性水過濾系統(tǒng)中， 過濾器壓差表監(jiān)測過濾器總壓降， 包括濾芯壓降ΔPf和殼體壓降ΔPs［8］， 即ΔP=ΔPs+ΔPf。 壓降與過濾時間的關(guān)系如圖6 所示。

圖6 過濾時間與壓降關(guān)系Fig. 6 Relationship between filtering time and pressure drop

通過工程案例應(yīng)用與理論分析可知， 自主研發(fā)濾芯的阻力特性與理論特性更加吻合。 核電放射性水處理系統(tǒng)中， 濾芯長期處于高阻力工況中， 易對濾芯造成破壞， 失去過濾功能， 不利于濾芯的長期投運； 同時， 由于濾芯帶來的局部阻力增加， 使得系統(tǒng)流量減小， 管網(wǎng)阻力特性變化， 改變泵的運行揚程曲線， 造成管網(wǎng)系統(tǒng)的運行不良， 甚至可能帶來機組停機危害。 因此， 自主研發(fā)濾芯的壓降特性更有利于水系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3.2 使用壽命

核電廠過濾器設(shè)計極限壓降為250 kPa， 達到極限壓降時需進行更換， 為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行， 要求濾芯的使用壽命更長以減少更換頻率。 以TEU 系統(tǒng)為例， 對比分析了Ⅰ型濾芯與4 支Ⅱ型濾芯的使用壽命。 該系統(tǒng)的輸水過濾并非連續(xù)過濾， 輸水頻率不固定， 過濾頻率較高時可達2 次／d， 較低時為1 次／月， 取決于機組的運行狀態(tài)。 在連續(xù)1 a 的觀測期間（如圖7 所示）， 1＃、 2＃、 4＃3支Ⅱ型濾芯均使用不到45 d， 過濾不超過15 次，約每隔1 個月需更換1 次新濾芯， 成本極高。 Ⅱ-3＃ 型濾芯與Ⅰ型濾芯使用相同天數(shù)時， Ⅰ型濾芯允許過濾次數(shù)相較Ⅱ-3＃ 型濾芯更高， 無論是使用壽命還是過濾頻次， Ⅰ型濾芯均更可靠。

圖7 濾芯壽命Fig. 7 Service life of filter element

3.3 過濾性能

濾芯的過濾性能主要為過濾效率、 過濾精度、納污容量。 其中， 自主研發(fā)濾芯的過濾效率和過濾精度已在試驗中進行驗證， 過濾效率為99.81%［6］，而工程現(xiàn)場缺少對過濾效率進行直接測量的條件，故以該處過濾器下游TER 系統(tǒng)向海洋排放頻率來評估排水是否達標(biāo)， 這是因為如果本過濾器過濾效率不達標(biāo)， 向海洋排放頻率會大大減少， 經(jīng)調(diào)研，向海洋排放頻率并無異常。

在自主研發(fā)濾芯使用期間， 未發(fā)生任何系統(tǒng)運行不良等異常情況。 國產(chǎn)濾芯使用完畢仍保持外觀良好（如圖8（a）、 8（b）所示）， 而進口濾芯在使用完畢出現(xiàn)了濾紙層扭曲破損開裂、 粘接處毛邊等現(xiàn)象（如圖8（c）、 8（d）所示）， 這也證明了高阻力工況的確對濾芯產(chǎn)生了不良影響， 致使濾芯壽命縮短。 對濾芯正常使用到期的納污容量進行稱重測量發(fā)現(xiàn)， 應(yīng)用于SRE 系統(tǒng)的自主研發(fā)濾芯納污容量與進口濾芯相當(dāng)， 應(yīng)用于TEU 系統(tǒng)的自主研發(fā)濾芯納污容量高于進口濾芯2.76 kg， 自主研發(fā)濾芯納污容量可觀。

圖8 退役濾芯外觀Fig. 8 Apperance of decommissioned filter element

4 結(jié)論

（1） 自主研發(fā)的核放射性圓筒褶形玻璃纖維濾芯在核島放射性水處理系統(tǒng)中滿足98% 的設(shè)計過濾要求， 保證了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。

（2） 自主研發(fā)濾芯阻力特性符合指數(shù)增長特性， 使用壽命可長達170 d， 允許過濾次數(shù)高于進口濾芯， 納污容量高于進口濾芯2.76 kg。

（3） 實踐運行經(jīng)驗表明， 自研濾芯在過濾后期壓降增速加快， 可考慮將濾芯使用后期的降阻作為延長濾芯壽命的改進方向。