聶雪超，侯 濤，姜 磊，吳旭東

（三門核電有限公司，浙江 臺州 317112）

蒸汽發(fā)生器（SG）是核電廠一、二回路的樞紐，是核電廠中最重要的設備之一。它的主要作用是將一回路冷卻劑中的熱量傳遞給二回路給水，加熱給水產(chǎn)生蒸汽驅動汽輪機發(fā)電。蒸汽發(fā)生器中傳熱管作為一、二回路的分界面，對機組長期安全穩(wěn)定運行起著至關重要的作用，其傳熱效率影響機組出力，其完整性則直接與放射性泄漏相關。

機組實際運行過程中，在SG 傳熱管二次側由于水的沸騰蒸發(fā)導致化學物質(zhì)“隱藏”濃縮，形成惡劣的局部化學環(huán)境，從而引起傳熱管腐蝕并影響SG 運行。因此，為更好地評估SG 長期運行的結構完整性，除了要控制好SG 二次側大空間水質(zhì)確保各參數(shù)按水質(zhì)控制規(guī)范要求處于運行限值內(nèi)，還需要結合大修停堆有針對性地進行SG 雜質(zhì)隱藏鹽返回試驗，對SG 二次側局部隱藏鹽返回狀況進行評估。

三門核電1 號機組為美國西屋公司設計的AP1000 （ Advanced Passive Pressurized-Water Reactor 1000，非能動先進壓水堆）全球首堆，因其蒸汽發(fā)生器在設計上與其他二代核電存在不同，導致SG 隱藏鹽返回試驗評估方法與其他傳統(tǒng)電廠存在差異。本文通過結合AP1000 SG 設計特點，開發(fā)出一套針對AP1000 特有的SG 隱藏鹽返出的試驗方法和評估流程，并在三門核電1、2 號機組大修期間進行運用，為二回路水質(zhì)優(yōu)化、確保SG 持續(xù)處于最優(yōu)水化學環(huán)境提供保障。

1 隱藏鹽返回量計算機理介紹

在反應堆啟動、升功率及滿功率運行的過程中，爐水（排污水）中非揮發(fā)性溶液累積在流動閉塞區(qū)域，由于閉塞區(qū)域中水的蒸發(fā)造成雜質(zhì)的隱藏現(xiàn)象。雜質(zhì)的隱藏一般發(fā)生在SG傳熱管支撐板、管板、管板上方的泥渣堆或沉降在傳熱管上方的多孔腐蝕產(chǎn)物中。雜質(zhì)主要有固體懸浮物Fe3O4、Cu、Ti 等，微溶離子Pb2+、Fe2+、Zn2+、Cu2+、Ca2+、Mg2+、SiO32-等，易溶離子如Na+、K+、Cl-、SO42-等。排污水中雜質(zhì)濃度由給水流量、排污流量和蒸汽排放流量（一般雜質(zhì)攜帶較少）、流動受限區(qū)域的雜質(zhì)堆積損失率決定。

當反應堆降功率或者停堆排污時，流動閉塞區(qū)域中隱藏的雜質(zhì)會重新溶解返回大空間水中，這種現(xiàn)象稱為隱藏鹽返回。隱藏鹽返回主要研究的是以上隱藏的可溶性雜質(zhì)離子，即易/微溶解性離子和低揮發(fā)性離子。

SG 進出的雜質(zhì)輸送控制關系可以根據(jù)SG 中的物料平衡來建立，如圖1 所示。物料平衡關系可作如下描述：隱藏區(qū)域雜質(zhì)的積累率 + 排污水中雜質(zhì)的積累率 = 給水進入的雜質(zhì)率 - 蒸汽帶走的雜質(zhì)率 - 排污帶走的雜質(zhì)率，得出公式（1）。

式中：C——雜質(zhì)濃度，10-9；

W——質(zhì)量流量，kg/h；

A——隱藏區(qū)域雜質(zhì)濃縮量，μg；

t——時間，h；

M——SG 工質(zhì)質(zhì)量/水裝量，kg；

下角：

FW——給水；

S——蒸汽；

BD——排污水。

根據(jù)以上物料平衡關系，結合不同運行階段的特點，可分別得出穩(wěn)定功率運行、降功率期間、熱零功率 - 降溫冷停堆階段的計算公式。

1.1 穩(wěn)定功率運行階段

機組在穩(wěn)定功率正常運行時，任何時間間隔Δt內(nèi)的雜質(zhì)隱藏以下面的增量公式來計算：

這里帶橫線的變量為Δt時間段內(nèi)的平均值。根據(jù)（2）式，需要給出準確的給水、蒸汽、排污水和爐水中的雜質(zhì)成分濃度。由于給水和蒸汽中雜質(zhì)成分（如鈉離子、鹵離子和硫酸根離子）接近傳統(tǒng)檢測方法的可檢測水平限值，且獲得具有代表性的樣品也存在很大的困難，因此，必須采取專門的實驗方法，以便能夠使用（2）式來估算雜質(zhì)隱藏情況。

1.2 降功率階段

在降功率期間，在時間間隔Δt內(nèi)雜質(zhì)隱藏鹽返回量計算公式如下：

這里R表示時間Δt內(nèi)從隱藏區(qū)域返出的雜質(zhì)量。

由于排污水中的隱藏鹽返回十分顯著，蒸汽和給水中濃度的準確測量值無法得到，因此，可以將（3）式簡化如下：

這個簡化實際上相當于認為蒸汽和給水中輸送的雜質(zhì)數(shù)量與隱藏鹽返回的雜質(zhì)數(shù)量相比可以忽略不計。由于蒸汽中攜帶的雜質(zhì)一般小于給水中攜帶的雜質(zhì)，根據(jù)（4）式估算出的隱藏鹽返回量是偏高的。需要注意的是，在計算中，應考慮在降功率期間，由于蒸汽的減少而導致SG 二次側水體積的增加。

1.3 熱零功率 - 降溫冷停堆階段

在熱零功率～降溫冷停堆階段，蒸汽中攜帶的雜質(zhì)可忽略。因此，可將（3）式簡化如下用于估算隱藏鹽返回。

通過以上各階段的物料平衡關系，結合各階段的水質(zhì)分析結果，即可計算出蒸發(fā)器隱藏物返出量。

（1）人力投資。蘇州工業(yè)園特別注重人才的培養(yǎng)和引進，不僅引進了諸中科大、中國人民大學等26所國內(nèi)高等教育院校，還引進了如美國加州伯克利大學、加拿大滑鐵盧大學等世界名校資源。此外，園區(qū)出臺各種優(yōu)惠政策引進高層次人才，如2017年人才薪酬補貼每人3萬元、4萬元、5萬元不等，共有787名碩士及以上學位的領軍、高層次和緊缺骨干人才獲得了此項補貼，此舉為園區(qū)發(fā)展提供源源不斷的動力。

2 AP1000 與國內(nèi)同行電站SG 差異分析

AP1000 在設計上與傳統(tǒng)電廠存在較大差異。

2.1 濃縮倍率不同

AP1000 設計給水流量6 800 m3/h，正常排污最大流量42 m3/h，SG 濃縮倍率約160 倍，國內(nèi)M310 機組SG 濃縮倍率約85 倍，根據(jù)蒸發(fā)器設計特點，相同水質(zhì)條件下，濃縮倍率高，腐蝕產(chǎn)物、雜質(zhì)離子等更容易在SG 內(nèi)部發(fā)生沉積、隱藏。即以上公式中CFW相同的情況下，CBD將存在較大差異，對計算過程造成影響。

2.2 SG 給水和排污流量不同

從以上公式中可以看出，給水、排污和蒸汽流量均為計算輸入值，因AP1000 給水流量較傳統(tǒng) M310 機組要大（AP1000 流量為6 800 m3/h，傳統(tǒng)M310 機組約為5 000 m3/h 左右），排污流量較M310 機組要?。ˋP1000 單列排污流量為20 m3/h，傳統(tǒng)M310 電廠約為30 m3/h），將對計算過程造成影響。

2.3 SG 水裝量不同

從以上公式可以看出，蒸汽發(fā)生器水裝量為計算輸入值，因 AP1000 蒸發(fā)器水裝量與M310 機組存在差異（AP1000 約為150 m3，M310 約為100 m3），將對計算過程造成影響。

2.4 SG 支撐板上的管孔結構不同

AP1000 單個SG 設計有10 塊支撐板，支撐板結構如圖2 所示，采用三葉草形管孔結構[1]。傳熱管位于管孔內(nèi)部，水汽通過傳熱管與支撐板的縫隙向上流動，由于淤渣密度大，其將不同程度的停留在各級支撐板管孔間的實心區(qū)域。如圖3 所示，而國內(nèi)M310 機組SG 支撐板上的管孔設計成拉制的“四葉梅花形管孔”[2]，較AP1000 機組接觸面積要大，更容易發(fā)生腐蝕產(chǎn)物沉積。

根據(jù)隱藏鹽返回量計算機理分析，以上差異將對SG 隱藏鹽返出計算評估過程造成影響。基于此原因，下文將根據(jù)AP1000 設計特點，開發(fā)出一套適用于AP1000 蒸發(fā)器隱藏物返出的試驗方案及評估方法。該方法在AP1000 機組——三門核電1、2 號機組進行應用，評估當前水化學狀況，為二回路水質(zhì)優(yōu)化、SG 持續(xù)處于最優(yōu)水化學提出建議。

3 方案開發(fā)

結合AP1000 機組設計特點，對AP1000隱藏鹽返出試驗方法及評估流程進行開發(fā)，整個試驗流程如圖4 所示。

3.1 試驗方法開發(fā)

根據(jù)EPRI 蒸發(fā)器隱藏鹽返出導則中推薦的取樣頻率及分析項目要求，結合同行經(jīng)驗，確定出AP1000 蒸發(fā)器隱藏鹽返回試驗的實施方案，不同階段的取樣頻率、分析項目要求如表1 所示。在隱藏鹽返回研究中，同時記錄一、二回路的溫度、壓力、SG 水位、主給水/啟動給水流量、排污流量等參數(shù)，為隱藏鹽返回計算提供原始數(shù)據(jù)。

表1 取樣頻率、分析項目要求[3]Table 1 Requirements for the sampling frequency and analysis items[3]

3.2 雜質(zhì)隱藏鹽返回具體評估流程開發(fā)

通常，隱藏鹽返回評估流程主要包括雜質(zhì)隱藏鹽返回總量計算和縫隙化學計算，具體評估流程如下。

3.2.1 隱藏鹽返回量計算

首先對ChemWorks軟件HR Project模塊進行建模[4]，計算出不同階段蒸發(fā)器液位、液體質(zhì)量、液體體積和功率之間的相互關系，為降功率期間、降溫停堆期間隱藏鹽返回總量計算提供輸入。

（1） 蒸發(fā)器液位與水裝量（體積）的關系計算

在執(zhí)行隱藏物返出試驗期間，根據(jù)水質(zhì)分析結果，需根據(jù)不同階段的水裝量將離子含量換算至SG 本體中，進行隱藏鹽質(zhì)量及后續(xù)縫隙區(qū)域高溫pH（t）計算。表2 統(tǒng)計了AP1000 SG窄量程液位與水裝量的關系。

表2 AP1000 不同SG 窄量程液位下單個SG 水裝量（體積）Table 2 The water capacity (volume) of single SG under different SG narrow range levels in AP1000

將表2 中的數(shù)據(jù)進行擬合，如圖5，得出蒸發(fā)器中水裝量（質(zhì)量）和窄量程液位變化的關系式：

式中：V——SG 水裝量（體積），m3；

NR——蒸發(fā)器窄量程液位，%。

將表3 中的數(shù)據(jù)進行擬合，如圖6 所示，得出蒸發(fā)器中水裝量（質(zhì)量）和功率變化的關系式：

表3 AP1000 不同功率平臺下單個SG 水裝量（質(zhì)量）Table 3 The water capacity (mass) of single SG under different power platforms of AP1000

式中：M1——不同功率下SG 中水的質(zhì)量，kg；

M0——零功率平臺下SG 中水的質(zhì)量，kg；

P——功率，%。

分別將公式（6 ）、公式（7 ）輸入ChemWorksHR Project 模塊，并將表1 中Na+、Al3+等所需分析雜質(zhì)離子信息輸入，隱藏鹽返回量計算的準備工作完畢。

3.2.2 不同濃縮因子狀況下SG 傳熱管垢層底部及狹縫區(qū)域的高溫pH(t)值計算

一般來說，核電廠SG 在運行過程中，其二次側大空間水環(huán)境一直保持堿性，但在流動性較差的狹縫內(nèi)，局部過熱會使這些區(qū)域的雜質(zhì)發(fā)生濃縮，致使局部區(qū)域含有大量侵蝕性離子，形成惡劣的局部化學環(huán)境，甚至可能會導致狹縫內(nèi)形成酸性環(huán)境，因此需要根據(jù)雜質(zhì)隱藏量計算縫隙化學高溫pH(t)值。

結合計算出的降功率期間、降溫停堆期間隱藏鹽返回總量，分別計算降功率期間和降溫停堆期間雜質(zhì)隱藏鹽返回對應的雜質(zhì)濃度，通過ChemWorks 分析軟件MULTEQ 模塊模擬計算縫隙化學高溫pH(t)值。

4 分析結果與討論

以上試驗方案及評估流程建立后，三門核電1、2 號機組大修過程中均執(zhí)行了SG 隱藏雜質(zhì)返出試驗，其中101 大修SG 隱藏雜質(zhì)返回試驗從2019 年12 月3 日6:00 開始至2019 年12 月4 日11:20 結束，歷時29.33 小時；201 大修SG 隱藏雜質(zhì)返出試驗從2021 年1 月31 日7:45 開始至2021 年2 月1 日13:20 結束，歷時29.58 h。

4.1 各雜質(zhì)隱藏鹽返回總量計算結果與分析

根據(jù)分析結果，輸入ChemWorks 軟件進行隱藏鹽返回量計算。表4 計算得到的三門101大修和201 大修雜質(zhì)隱藏鹽返回量，并記錄了其他M310 電廠大修期間SG 隱藏鹽返回量。通過比較可以看出，AP1000 電廠在設計的濃縮倍率偏高的情況下，但雜質(zhì)返出量與同行M310電廠基本相當。一方面與AP1000 管板結構相關，另一方面則是由于AP1000 電廠在二回路水質(zhì)控制方面采用國際新技術、借鑒先進的方法，嚴格過程控制，實施全面質(zhì)量管理，在不同階段采用不同的控制方式，從設計源頭、設備安裝、系統(tǒng)沖洗路徑設計、量化沖洗水質(zhì)的驗收指標、及時開展系統(tǒng)設備的保養(yǎng)、嚴格執(zhí)行機組啟動時的二回路沖洗排污水回收、尤其是及時跟蹤參數(shù)趨勢變化并采用有效的方案糾正異常、嚴格化學品的管理和使用，確保二回路水質(zhì)得到持續(xù)優(yōu)化。

表4 各電廠大修期間雜質(zhì)隱藏鹽返回量[5]Table 4 The hideout return amount of impurities during outage of each power plant[5]

續(xù)表

圖7 為201 大修期間雜質(zhì)離子的隱藏物返回量隨時間變化的趨勢?？梢钥闯?，整個試驗期間，熱態(tài)零功率至冷停堆期間大部分雜質(zhì)離子的隱藏鹽返回量明顯大于100%功率至熱停堆期間的雜質(zhì)隱藏鹽返回量，特別是Ca2+、Mg2+離子。根據(jù)SG 雜質(zhì)隱藏鹽返回的機理和特點，一般情況下，從100%功率到熱停堆階段，隱藏鹽返回的雜質(zhì)主要來自傳熱管垢層底部；從熱停堆到冷停堆階段，隱藏鹽返回的雜質(zhì)主要來自SG 狹縫（包括管板上方泥渣堆處、傳熱管與支撐板狹縫和傳熱管與管板狹縫），這說明雜質(zhì)主要隱藏在SG 狹縫中。對Ca2+、Mg2+隱藏鹽返回量及對應濃度隨SG 隱藏鹽返回研究時間而增加的原因進行分析，可以認為隨著熱停堆向冷停堆過渡，Ca2+、Mg2+升溫溶解度隨溫度降低而增加，其形成的結垢物質(zhì)因溶解而從SG 狹縫中返出。

4.2 SG 傳熱管結垢垢層底部、狹縫內(nèi)部高溫pH 計算結果與分析

利用大修期間降功率和熱態(tài)零功率平臺SG 雜質(zhì)的隱藏鹽返回量，作為模擬計算高溫pH 的輸入值。圖8、圖9 為模擬計算201 大修期間SG 內(nèi)部在不同濃縮因子（CF）條件下的高溫pH(t)值。

圖8 所示是降功率期間隱藏鹽返出量計算預測的高溫pH(t)與濃縮因子（CF）的關系。由圖 8 pH(t)與 CF 之間的關系曲線可知，當CF≤103時，移除沉淀物的pH(t)、不移除沉淀物的pH(t)都在中性pH（pH(n)）附近，隨著濃縮因子增加，移除沉淀物的pH(t)和不移除沉淀物的pH(t)繼續(xù)增加，當CF≥107后移除沉淀物的pH(t)繼續(xù)增加，不移除沉淀物的pH(t)逐漸降低。根據(jù)SG 雜質(zhì)隱藏鹽返回的機理及特點，通常情況下，從100%功率到熱停堆階段，隱藏鹽返回的雜質(zhì)主要來自傳熱管垢層底部。隱藏鹽返出數(shù)據(jù)模擬計算不移除沉淀物的pH(t)和移除沉淀物的pH（t）結果顯示傳熱管表面垢層的化學環(huán)境在較低濃縮因子CF≤103條件下呈中性，較高濃縮因子CF＞103條件下呈堿性。

圖 9 所示是零功率熱停過程隱藏鹽返出量計算預測的高溫pH(t)與濃縮因子（CF）的關系。通常認為零功率熱停階段，隱藏鹽返出的雜質(zhì)主要來自SG 狹縫（包括管板上方泥渣堆處、傳熱管與支撐板狹縫和傳熱管與管板狹縫）。由圖9pH(t)與CF 之間的關系曲線可知，當102＜CF≤108，不移除和移除沉淀物的 pH(t)高于pH(n)，當CF＞108，除2#SG 不移除沉淀的pH(t)處于pH(n)附近外，1#SG 移除沉淀物和不移除沉淀物的pH(t)、2#SG 移除沉淀的pH(t)仍高于pH(n)。在較低濃縮倍率CF≤102條件下縫隙處pH(t)呈中性。

根據(jù)國外研究成果[6]，正常運行狀況下，SG 傳熱管結垢垢層底部的最大濃縮因子（CF）為103，而SG 狹縫雜質(zhì)的最大濃縮因子（CF）為106，即雜質(zhì)質(zhì)量濃度可以從大空間的ppb 級最大濃縮到%級。當狹縫里出現(xiàn)大量的泥渣堆積，且泥渣堆積厚度高，空隙率小時，表現(xiàn)為最嚴重的雜質(zhì)濃縮，此時達到最大的濃縮因子，伴隨的是局部狹縫將會出現(xiàn)局部蒸干現(xiàn)象，即SG 二次側局部溫度與一次側溫度相同。因此在計算高溫縫隙化學 pH 時降功率期間對應的傳熱管結垢垢層底部雜質(zhì)的濃縮因子取值范圍設為10～103，熱零功率階段對應的狹縫內(nèi)部的濃縮因子設為104～106。

根據(jù)相關研究結果[6]，pH(t)在3.5～10.5 范圍內(nèi)690 合金發(fā)生腐蝕的可能性很小。綜上所述，SG 傳熱管垢層底部和SG 狹縫內(nèi)部pH(t)在推薦的安全范圍之內(nèi)，水質(zhì)狀態(tài)較好，發(fā)生腐蝕的概率很低。

5 結論

本文結合AP1000 SG 設計特點，開發(fā)出一套AP1000 特有的SG 隱藏鹽返出試驗方法和評估流程，并在三門核電1、2 號機組大修期間進行運用。通過試驗及評估，AP1000 電廠SG 正常工況運行期間二次側存在較少量的雜質(zhì)隱藏，隱藏量與同行電廠相當；根據(jù)高溫pH（t）計算結果，在不同的濃縮環(huán)境下傳熱管結垢垢層底部呈弱堿性至中性環(huán)境，SG 狹縫區(qū)域內(nèi)呈弱堿環(huán)境，均在推薦的安全范圍內(nèi)，說明當前水質(zhì)狀態(tài)較好。該試驗方法及評估流程的開發(fā)及應用，對于后續(xù)新機組設計、調(diào)試、啟動及正常運行期間的水化學控制具有一定借鑒作用。