趙 軍

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

重水堆核電站重水升級(jí)系統(tǒng)近幾年在正常運(yùn)行時(shí)底部產(chǎn)物箱重水濃度緩慢下降，被迫將系統(tǒng)置于內(nèi)部循環(huán)模式，從而導(dǎo)致頻繁調(diào)整頂部產(chǎn)物輕水的提取流量，以此來(lái)提升底部產(chǎn)物重水濃度這一異?，F(xiàn)象。該問(wèn)題不僅降低了重水升級(jí)塔的升級(jí)效率，還增加了日常工作量，進(jìn)一步導(dǎo)致重水堆核電站合格的重水供應(yīng)裝量余量降低。為緩解重水裝量緊張的現(xiàn)狀，消除該異?，F(xiàn)象，提高升級(jí)塔的升級(jí)效率顯得尤為重要。本文通過(guò)分析升級(jí)塔設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)組成、同行電站的歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、日常工作中的相關(guān)數(shù)據(jù)、歷史缺陷和維修記錄，得出導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因。并針對(duì)不同的原因分析，得出有針對(duì)性的解決方案。最終提高了重水升級(jí)塔的升級(jí)效率，并且減輕了日常的工作量。

1 重水升級(jí)塔系統(tǒng)

在歷史的發(fā)展中，電力能源作為能源中的一員發(fā)揮著重要作用。在當(dāng)今全球倡導(dǎo)綠色能源的大環(huán)境之下，核能發(fā)電廠作為一種清潔、高效的電力生產(chǎn)方式顯得格外重要。作為全球核能發(fā)電技術(shù)之一的重水堆核電站，發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)、全球分布廣泛。

重水堆核電站的特點(diǎn)之一就是采用重水作為冷卻劑和慢化劑，裝量大，價(jià)格昂貴。因此對(duì)降級(jí)重水的再升級(jí)就顯得尤其重要。電站正常運(yùn)行期間不可避免地產(chǎn)生一定量的降級(jí)重水，對(duì)這些降級(jí)重水的提純?cè)倮檬蔷S系整個(gè)核電站重水儲(chǔ)備的重要手段，同時(shí)也降低一些生產(chǎn)成本。

重水升級(jí)系統(tǒng)不僅可以將經(jīng)過(guò)凈化處理的降級(jí)重水升級(jí)到同位素含量合格的重水，還可以對(duì)慢化劑系統(tǒng)的重水進(jìn)行在線升級(jí)，以滿(mǎn)足慢化劑系統(tǒng)對(duì)高同位素濃度的要求。

常壓下重水D2O密度為1.107 9 g/cm3，冰點(diǎn)為3.82℃，沸點(diǎn)為101.42℃，輕水的沸點(diǎn)為100℃。重水與輕水具有不同的沸點(diǎn)。依據(jù)這一原理通過(guò)加熱就能將二者分離。重水升級(jí)塔系統(tǒng)正是利用這個(gè)原理實(shí)現(xiàn)了輕/重水的分離。

重水升級(jí)系統(tǒng)分為慢化劑和熱傳輸重水升級(jí)兩個(gè)系統(tǒng)。慢化劑/熱傳輸重水升級(jí)系統(tǒng)進(jìn)料箱的降級(jí)重水通過(guò)進(jìn)料蒸發(fā)器，經(jīng)加熱變成蒸汽后進(jìn)入蒸餾塔實(shí)現(xiàn)分離。分離出的輕水通過(guò)蒸餾塔頂部產(chǎn)物箱排出，蒸餾塔底部濃縮的重水再次經(jīng)過(guò)蒸發(fā)處理，得到合格的底部產(chǎn)物后由底部產(chǎn)物箱傳輸?shù)街厮?yīng)系統(tǒng)作為反應(yīng)堆級(jí)重水儲(chǔ)備。

2 存在問(wèn)題及原因分析

重水升級(jí)塔正常運(yùn)行時(shí)由于在線分析儀不可用，需8 h進(jìn)行一次手動(dòng)取樣。但是很長(zhǎng)一段時(shí)間來(lái)經(jīng)常出現(xiàn)底部產(chǎn)物重水濃度緩慢降低，最終導(dǎo)致底部產(chǎn)物重水濃度不合格。為了應(yīng)對(duì)這一異?，F(xiàn)象，經(jīng)常在維持進(jìn)料流量不變的情況下增大頂部產(chǎn)物提取流量，或者將升級(jí)塔進(jìn)入全回流模式運(yùn)行，待取樣合格后重新投入正常運(yùn)行。該問(wèn)題不僅增加了日常工作，而且還降低了升級(jí)塔的升級(jí)效率。針對(duì)這一問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為有以下幾點(diǎn)原因。

2.1 底部產(chǎn)物手動(dòng)取樣時(shí)重水循環(huán)不充分

由于在線分析儀不可用，需每8 h進(jìn)行手動(dòng)取樣?？紤]到取樣流量建立之前取樣管道內(nèi)有殘留的重水，該重水濃度不能真實(shí)反映底部產(chǎn)物箱內(nèi)重水濃度，如果取樣流量建立后循環(huán)不充分的話將會(huì)影響取樣結(jié)果。因此根據(jù)取樣管線直徑、長(zhǎng)度以及取樣泵出口流量分析，得出取樣流量建立后循環(huán)10 min可以保證樣品循環(huán)充分，取樣結(jié)果真實(shí)可靠。如果日常取樣時(shí)循環(huán)不充分，取樣管道內(nèi)殘留的重水會(huì)對(duì)取樣結(jié)果產(chǎn)生影響，嚴(yán)重情況下將導(dǎo)致底部產(chǎn)物重水濃度下降。因此在日常取樣操作時(shí)嚴(yán)格按照該項(xiàng)要求進(jìn)行取樣，故該原因可以排除。

2.2 重水升級(jí)塔有泄漏

重水升級(jí)塔自投入運(yùn)行以來(lái)，由于其特殊性，沒(méi)有安排系統(tǒng)性的檢修維護(hù)工作。重水的提純過(guò)程也是雜質(zhì)的積累過(guò)程。這些離子雜質(zhì)輕則導(dǎo)致水質(zhì)不合格，重則對(duì)升級(jí)塔造成腐蝕。廠房?jī)?nèi)一定濕度的空氣通過(guò)腐蝕產(chǎn)生的漏點(diǎn)進(jìn)入到蒸餾塔導(dǎo)致輕水量的增加，而此時(shí)頂部產(chǎn)物輕水的提取流量并沒(méi)有增大，過(guò)多的輕水進(jìn)入到底部產(chǎn)物箱內(nèi)，造成底部產(chǎn)物箱重水濃度降低。同時(shí)由于升級(jí)塔內(nèi)部真空比較高，即使輕微的泄漏，外部大氣壓環(huán)境中的空氣也很容易進(jìn)入升級(jí)塔內(nèi)。這個(gè)原因?qū)ι?jí)塔底部產(chǎn)物濃度有多大的影響暫時(shí)還不清楚。

在國(guó)外的同類(lèi)電站中還出現(xiàn)過(guò)底部產(chǎn)物蒸發(fā)器的蒸汽加熱盤(pán)管發(fā)生微量泄漏而導(dǎo)致底部產(chǎn)物箱重水高電導(dǎo)事件。由于泄漏量很小，進(jìn)入的輕水使重水濃度的降級(jí)并不明顯，但卻影響到底部產(chǎn)物箱的水質(zhì)情況。當(dāng)泄漏沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)時(shí)，隨著進(jìn)入到升級(jí)塔內(nèi)的輕水逐漸積累，最終將會(huì)影響底部產(chǎn)物的濃度。

曾經(jīng)有一段時(shí)間升級(jí)塔底部產(chǎn)物重水濃度一直達(dá)不到要求。通過(guò)對(duì)底部產(chǎn)物回路取樣發(fā)現(xiàn)底部產(chǎn)物蒸發(fā)器重水中還有聯(lián)氨、嗎啉成分，并且重水濃度較底釜中濃度低，初步認(rèn)定為蒸發(fā)器內(nèi)部蒸汽加熱盤(pán)管發(fā)生微漏，檢查發(fā)現(xiàn)加熱盤(pán)管和蒸發(fā)器內(nèi)有黑色的橡膠粘附物，最終查找確認(rèn)是蒸發(fā)器的高溫導(dǎo)致橡膠材質(zhì)的法蘭墊片損壞，蒸汽漏入。重新更換了法蘭墊片后沒(méi)有再發(fā)生底部產(chǎn)物箱的重水濃度降級(jí)事件。

在日常工作中只是對(duì)底部產(chǎn)物箱的重水濃度進(jìn)行分析，不能監(jiān)測(cè)到水中電導(dǎo)和其他雜質(zhì)的情況。經(jīng)上面的經(jīng)驗(yàn)得知：如果底部產(chǎn)物蒸發(fā)器泄漏，最直接的影響是底部產(chǎn)物的電導(dǎo)。如果懷疑升級(jí)塔有漏點(diǎn)的話可以增加底部產(chǎn)物箱電導(dǎo)的分析，這樣更直接、快速反映出相關(guān)問(wèn)題。同時(shí)，日常運(yùn)行中也要安排一些系統(tǒng)性的預(yù)防性維修工作，及時(shí)排除隱患。

2.3 進(jìn)料流量控制器控制異常波動(dòng)

目前重水升級(jí)塔的進(jìn)料方式?jīng)]有采用廠家BULZER提供的“跟隨頂部產(chǎn)物排放量設(shè)定進(jìn)料流量方式”，即頂部產(chǎn)物濃度由一個(gè)在線紅外分析儀監(jiān)測(cè)，信號(hào)用于控制頂部產(chǎn)物排放流量控制閥的開(kāi)度，同時(shí)還具有保護(hù)功能，防止頂部產(chǎn)物濃度超標(biāo)，否則自動(dòng)停止頂部產(chǎn)物、底部產(chǎn)物和進(jìn)料操作，進(jìn)入內(nèi)循環(huán)模式。

但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)踐后發(fā)現(xiàn)這種方式存在以下問(wèn)題導(dǎo)致進(jìn)料方式不可靠。

（1）頂部產(chǎn)物在濃度較低時(shí)基本是全流量排放，進(jìn)料流量設(shè)定值也很大。已經(jīng)超出了升級(jí)塔的處理能力，很快導(dǎo)致頂部或底部產(chǎn)物濃度超標(biāo)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入內(nèi)循環(huán)模式運(yùn)行。

（2）頂部產(chǎn)物是一個(gè)變量，當(dāng)其變化時(shí)進(jìn)料流量也要求隨之變化，但升級(jí)塔的運(yùn)行管理采用巡檢崗位，不能做到實(shí)時(shí)監(jiān)視，且進(jìn)料流量是手動(dòng)調(diào)整的，因此不可能做到及時(shí)更改進(jìn)料流量設(shè)定值。

（3）重水升級(jí)塔濃度分析儀由于缺陷，長(zhǎng)期不可用，而人工取樣又不可能做到實(shí)時(shí)跟蹤。

由于以上原因?qū)е逻@種進(jìn)料方式不可靠。因此如果可以得知升級(jí)塔的進(jìn)料流量就可以反過(guò)來(lái)設(shè)定頂部產(chǎn)物提取流量。要確定進(jìn)料流量，首先要確定進(jìn)料位置，當(dāng)進(jìn)料位置確定以后，第二步再對(duì)進(jìn)料流量逐步試驗(yàn)，直到確定做大進(jìn)料流量?；谶@個(gè)指導(dǎo)思想，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)、分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不斷完善，最終確定了不同進(jìn)料濃度對(duì)應(yīng)的進(jìn)料位置。進(jìn)料流量確定后，最后確定頂部產(chǎn)物提出流量[1]。

曾經(jīng)在升級(jí)塔運(yùn)行參數(shù)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，重水升級(jí)塔的進(jìn)料流量出現(xiàn)1～2 kg/h的波動(dòng)。根據(jù)升級(jí)塔濃度、進(jìn)料點(diǎn)和進(jìn)料速率對(duì)應(yīng)表得知：電站正常運(yùn)行時(shí)相鄰位置不同進(jìn)料點(diǎn)所要求的進(jìn)料速率相差不超過(guò)2 kg/h。此時(shí)若進(jìn)料流量出現(xiàn)2 kg/h的波動(dòng)，系統(tǒng)可能要求改變進(jìn)料點(diǎn)，而改變進(jìn)料點(diǎn)需手動(dòng)操作，進(jìn)料流量出現(xiàn)偏差時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和干預(yù)。而在頂部產(chǎn)物提取流量保持不變的情況下將會(huì)導(dǎo)致升級(jí)塔內(nèi)部已經(jīng)建立的濃度分布產(chǎn)生很大的擾動(dòng)，打破了升級(jí)塔內(nèi)重水濃度分布平衡。如果進(jìn)料流量出現(xiàn)正向波動(dòng)，那么要求增大頂部輕水提取流量。但是此時(shí)頂部產(chǎn)物提取流量不便。將導(dǎo)致升級(jí)塔內(nèi)部分輕水可能沒(méi)及時(shí)提取出來(lái)而進(jìn)入到底部產(chǎn)物箱內(nèi)，引起底部產(chǎn)物箱重水濃度的下降。

2.4 升級(jí)塔的升級(jí)效率下降

升級(jí)塔的進(jìn)料點(diǎn)和進(jìn)料流量是基于參數(shù)（沸騰器的加熱蒸汽流量/壓力、升級(jí)塔的填料類(lèi)型/層數(shù)、升級(jí)塔的直徑等）已確定的升級(jí)塔而得出的。但是隨著升級(jí)塔的運(yùn)行（沒(méi)有系統(tǒng)性的檢修維護(hù)工作），蒸餾塔內(nèi)積累了很多離子雜質(zhì)，嚴(yán)重情況下對(duì)升級(jí)塔氧化銅填料產(chǎn)生堵塞，升級(jí)效率下降，要求降低進(jìn)料流量。此時(shí)再按照之前試驗(yàn)得出的進(jìn)料流量來(lái)計(jì)算出來(lái)的頂部產(chǎn)物提取流量不能真實(shí)反映升級(jí)塔的處理能力，升級(jí)效率下降也會(huì)造成底部產(chǎn)物濃度下降。

2.5 進(jìn)料箱補(bǔ)水后的計(jì)算方式問(wèn)題

在操作手冊(cè)中要求重水升級(jí)塔的進(jìn)料箱補(bǔ)水后的濃度計(jì)算方式部分操作步驟如下。

（1）如果進(jìn)料箱補(bǔ)水前液位≤18%，進(jìn)料濃度依據(jù)待凈化重水的濃度。

（2）如果進(jìn)料箱補(bǔ)水前液位>18%，則執(zhí)行下一步：

①記錄進(jìn)料箱補(bǔ)水操作前的進(jìn)料濃度C1，wt%；

②記錄進(jìn)料箱補(bǔ)水前的液位L1，%；

③根據(jù)下式計(jì)算補(bǔ)水前進(jìn)料箱內(nèi)重水的質(zhì)量：M1=(21.264L1-355.21)×C1，kg；

④記錄進(jìn)料箱補(bǔ)水后的液位L2，%；

⑤記錄待升級(jí)重水的濃度C2，wt%；

⑥根據(jù)下列公式計(jì)算進(jìn)料箱新補(bǔ)充過(guò)來(lái)重水的質(zhì)量：M2=21.264×（L2-L1）×C2，kg；

⑦根據(jù)計(jì)算出來(lái)的M1和M2的值，計(jì)算進(jìn)料箱當(dāng)前進(jìn)料濃度：C=(M1+M2)/(21.264L2-355.21)，wt%。

根據(jù)計(jì)算出來(lái)的進(jìn)料濃度參照操作手冊(cè)中升級(jí)塔濃度、進(jìn)料點(diǎn)和進(jìn)料速率對(duì)應(yīng)表，選擇相應(yīng)的進(jìn)料點(diǎn)和進(jìn)料流量。有了進(jìn)料流量就可以得出頂部產(chǎn)物提取流量。

上述計(jì)算公式中的兩個(gè)常數(shù)21.264和355.21是根據(jù)進(jìn)料箱的形狀特性和幾何尺寸得出的。由于進(jìn)料箱是立式布置的，且操作手冊(cè)中要求進(jìn)料箱補(bǔ)水不超過(guò)80%，因此只考慮進(jìn)料箱底部形狀所帶來(lái)的影響。如圖1所示。

圖1 重水升級(jí)系統(tǒng)進(jìn)料箱外形

進(jìn)料箱采用的封頭是半球形，采用該形式的優(yōu)點(diǎn)是受力好。從制造的難易程度上考慮，半球形的封頭容易制造[2]。但半球形封頭對(duì)計(jì)算方面也帶來(lái)了不便。進(jìn)料箱體積與液位的關(guān)系如圖2所示。355.21 kg就是圖中虛線與進(jìn)料箱底部球形實(shí)線之間陰影部分的體積所折算出的重水質(zhì)量；而21.264則是根據(jù)進(jìn)料箱的直徑折算出來(lái)的一個(gè)與質(zhì)量有關(guān)的一個(gè)常數(shù)。從操作手冊(cè)中得知，該公式的適用性與進(jìn)料箱補(bǔ)水前的液位有關(guān)，即18%。如果補(bǔ)水前的液位小于18%，則進(jìn)料箱補(bǔ)水前箱內(nèi)殘留的重水對(duì)計(jì)算出的結(jié)果影響甚微，故補(bǔ)水后重水濃度參考待凈化重水的濃度；如果補(bǔ)水前液位大于18%，則根據(jù)上述公式計(jì)算。

圖2 進(jìn)料箱液位與體積的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線

根據(jù)表1中液位與體積的對(duì)應(yīng)關(guān)系繪制出來(lái)的進(jìn)料箱罐子體積與液位關(guān)系的曲線如圖2所示。從表1和圖2可知：當(dāng)液位從13.9%到25.1%時(shí)，罐子內(nèi)液體的體積不是線性增加；當(dāng)液位從25.1%到75.4%之間時(shí)，罐子內(nèi)液體的體積近似線性增加。也就是說(shuō)進(jìn)料箱半球形封底的高度粗略估計(jì)在25%左右?，F(xiàn)在以25%作為分析點(diǎn)。上述的計(jì)算方式是根據(jù)18%而定的。這就導(dǎo)致當(dāng)補(bǔ)水前液位在25%～18%之間時(shí)，根據(jù)公式M1=(21.264L1-355.21)×C1得出的結(jié)果比實(shí)際值要小。由于C1與C2濃度不一定相同，導(dǎo)致計(jì)算出來(lái)的進(jìn)料箱補(bǔ)水后的進(jìn)料濃度不能真實(shí)反映當(dāng)前實(shí)際的進(jìn)料濃度。以此選擇的進(jìn)料速率和進(jìn)料點(diǎn)也是不準(zhǔn)確的，進(jìn)而影響升級(jí)效果。而當(dāng)液位大于25%時(shí)將不會(huì)產(chǎn)生影響。

表1 進(jìn)料箱液位與容積對(duì)應(yīng)關(guān)系表

所以在重水升級(jí)塔日常的補(bǔ)水操作時(shí)盡量在25%液位附近補(bǔ)水。這樣可以保證最后計(jì)算出來(lái)的進(jìn)料濃度的準(zhǔn)確性。從而選擇準(zhǔn)確的進(jìn)料流量、進(jìn)料點(diǎn)和頂部出料流量。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為避免重水升級(jí)塔正常運(yùn)行時(shí)底部產(chǎn)物濃度降低的問(wèn)題，通過(guò)分析得知：在常規(guī)取樣操作時(shí)嚴(yán)格按照要求，充分循環(huán)，保證樣品的質(zhì)量；升級(jí)塔進(jìn)料箱日常的補(bǔ)水操作時(shí)盡量選擇在25%附近補(bǔ)水。這樣能保證最后計(jì)算出來(lái)的進(jìn)料濃度的準(zhǔn)確性。從而選擇準(zhǔn)確的進(jìn)料點(diǎn)和頂部出料流量；制定重水升級(jí)塔的預(yù)防性維修，及時(shí)消除隱患。

如果出現(xiàn)升級(jí)塔底部產(chǎn)物重水濃度降低時(shí)，首先檢查進(jìn)料流量是否穩(wěn)定，否則提出檢修申請(qǐng)；其次在進(jìn)料流量正常的情況下，增加底部產(chǎn)物箱電導(dǎo)的分析，判斷是否有泄漏導(dǎo)致的輕水進(jìn)入塔內(nèi)；最后制定好預(yù)維計(jì)劃，做好升級(jí)塔系統(tǒng)的預(yù)防性檢查維修工作。將隱患消除于無(wú)形。