计算型pH分析仪在核电厂的应用

高巍，邢介华，曾明敏

(1.南京华天科技发展股份有限公司， 南京 210019； 2.南京信息职业技术学院，南京 210023)

计算型pH分析仪在核电厂的应用

高巍1，邢介华1，曾明敏2

(1.南京华天科技发展股份有限公司， 南京 210019； 2.南京信息职业技术学院，南京 210023)

介绍了常规pH分析仪测量纯水时的干扰因素，分析了核电厂低电导率水质pH值测量困难的原因。针对压水堆核电厂对pH分析仪的特殊要求，指出计算型pH分析仪完全可以适应压水堆核电厂化学监督的要求，最后总结了压水堆核电厂pH分析仪的使用现状及应用前景。

计算型pH分析仪；核电厂；干扰因素；化学监督

0 引言

在核电厂水化学控制管理中，为抑制系统设备的腐蚀，提高电厂运行安全性和经济性，pH值是一个重要的化学控制参数。以压水堆核电厂为例，为了有效抑制二回路设备的流动加速腐蚀(FAC)，减少二回路腐蚀产物向蒸汽发生器的迁移和沉积，防止蒸汽发生器传热管因局部腐蚀而开裂，通常采取添加氨或胺的措施，将二回路给水的pH值控制在9.6～10.0。因此，保证pH分析仪测量的准确性和可靠性，是核电厂化学监督的重要内容，对于延长蒸汽发生器传热管和二回路设备的使用寿命，提高在役核电厂的经济性和安全性有着重要的意义。

常规的pH分析仪包括pH电极、参比电极以及高阻毫伏计等，采用电位法测量原理，测量pH电极与参比电极之间的电位差，通过Nernst方程式转换为被测水样的pH值。

实际生产中经常发现pH值测量时会产生明显的误差，很难保证测量的准确性，主要原因是核电厂二回路水质电导率≤15 μS/cm，属低电导率纯水。按照ASTM D5128—2014Standardtestmethodforon-linepHmeasurementofwateroflowconductivity(低电导率水在线pH测量标准测试方法)，电导率低于100 μS/cm的水样，pH值测量时会受到各种纯水状态下干扰因素的影响[1]，读数波动大，从而产生很大的测量误差。而这些干扰因素只能采取措施减少，不能完全消除。

压水堆核电厂的主给水、凝结水以及主蒸汽等的水质特点是除盐水中添加pH调节剂氨或胺，对于此类水质，美国ASTM D5128—2014Standardtestmethodforon-linepHmeasurementofwateroflowconductivity建议采用测量其电导率，通过电导率计算出pH值的方式，德国VGB R 450Le—2004Guidelinesforfeedwater,boilerwaterandsteamqualityforpowerplants/industrialplants、国内电力行业标准DL/T 1201—2013《低电导率水pH在线测量方法》等，均有相同的规定[1-3]。计算型pH分析仪以此为测量原理，同时测量样水的比电导率(样水电导率)与阳电导率(经过阳树脂交换的电导率)，通过仪表内置的数据模型计算出样水的pH值。其中，阳电导率反映的是水中杂质阴离子和杂质阳离子的电导率贡献，比电导率扣除阳电导率后，反映的是氨或胺电离产生的电导率贡献，其电导率贡献值和pH值直接相关。

1 计算型pH分析仪在压水堆核电厂的应用

1.1核电站计算型pH分析仪测点及作用

计算型pH分析仪适用的水质为以氨或胺为pH调节剂的纯水，阳电导率<0.3 μS/cm，pH值为7.5～10.5。以国内最普遍的三回路1 000 MW的M310机组为例，2台机组共用1套除盐水装置，可以采用计算型pH分析仪共17台，具体测点及作用见表1。

1.2低电导率水质pH值测量困难原因分析

低电导率下常规pH值的测量会受到流动电位、液接电位、接地情况、温度变化、玻璃电极质量、外界干扰等因素的影响，其中影响最大的是流动电位和液接电位[4]。

流动电位是由于低电导率水流经非导电体的pH玻璃电极表面时，摩擦产生静电荷所引起的电位变化。低电导率水接近绝缘体，水样流动与电极表面的摩擦类似绝缘体之间的摩擦，摩擦产生静电荷，使玻璃电极电位和参比电极电位均发生变化，产生与测量水样pH值无关的参比电极电位差ΔEr，ΔEr被叠加到测量信号上一起送入仪表输入端，造成pH值测量误差。25 ℃时，这种静电荷产生的电位差每变化5.916 mV，pH值就会产生0.1的误差。在实际运行中，有时静电荷造成的电位差可达几十 mV，由此造成很大的pH值测量误差。

表1 计算型pH分析仪测点及作用

液接电位是参比电极和水样接触点的直流电位差，其数值与液接内外离子强度差有关。常规情况下，液接内外离子强度差不大，液接电位很小且稳定，通过仪表校验可将其对pH测量的影响消除。但在低电导率水样中，液接内外离子强度有很大的不同，产生较大的液接电位；同时，由于液接处电解液渗出后会被很快稀释，液接外离子强度不能稳定，造成液接电位不稳定：如此，便造成pH值测量产生较大的误差及波动。

西安热工研究院有限公司曾对7个火电厂52台常规在线pH分析仪进行检验，其中误差大于0.1的pH分析仪31台，占被检总数的60%。检验结果表明，常规pH分析仪测量低电导率水，普遍存在测量误差大的问题。

1.3计算型pH分析仪的优势

计算型pH分析仪不采用常规的电位法测量原理，不受液接电位、流动电位等纯水干扰因素的影响，测量准确性、稳定性大大提高。

计算型pH分析仪普遍采用变频技术消除电极的极化电阻、微分电容和导线分布电容的影响；内置酸性纯水、氨(胺)基纯水的非线性补偿数据模型，可精确补偿阳电导率和比电导率温度变化造成的测量误差；电导率测量可达到很高的准确度，整机引用误差<±0.5%FS(FS为满量程)，而且通过对阳电导率的测量扣除了水中杂质离子的干扰，故pH值准确度<0.01，远远优于常规的pH分析仪。

常规pH分析仪电极易漂移，须每月进行1次校验，期间还可能根据仪表漂移情况进行纠正性校验。而计算型pH分析仪采取电导率测量原理，几乎无漂移，不需校验，只需定期更换阳树脂，维护量远小于常规pH分析仪。

常规pH分析仪电极有一定的寿命，需定期更换，更换的周期一般为1年。计算型pH分析仪采用电导电极，电导电极属非消耗性元件，不需更换。采用计算型pH分析仪可减少仪表备件费用。

计算型pH分析仪除测量及显示pH数据外，还测量及显示比电导率和阳电导率，3个参数同时测量及显示，做到三表合一，减少仪表费用、运行成本和维修成本。相对于常规pH分析仪，计算型pH分析仪优势对比见表2。

表2 常规pH分析仪与计算型pH分析仪对比

2 压水堆核电厂对pH分析仪的特殊要求

2.1生产工艺的特殊要求

所有的火电厂和国内的大部分压水堆核电厂，使用氨作为pH调节剂，其优点是成本低、运行经验丰富、性能可靠，但氨作为pH值调节剂也有缺点，主要是氨的挥发系数较大，对于汽液两相，氨在汽相中分配高于液相，造成疏水系统的pH值较低，引起碳钢、低合金钢等材料的流动加速腐蚀(FAC)。

为避免此pH调节方式的缺陷，部分压水堆核电厂采用胺，主要是采用乙醇胺(ETA)作为pH调节剂。ETA有较低的挥发系数，对于汽液两相，液相中分配高于气相，可有效提高液相(湿蒸汽)的pH值，减少疏水系统设备的FAC。

目前，关于二回路pH调节剂的使用，中核核电运行管理有限公司秦山一厂300 MW机组为ETA，秦山三厂2台700 MW机组为吗啉和氨，秦山二厂4台650 MW机组及田湾核电站2台1 000 MW机组、大亚湾核电站6台1 000 MW机组等均采用氨。在国外，高于60%的核电厂采用ETA，其中美国的比例高于80%。从长期看，采用ETA作为pH调节剂是一种趋势[5]。

因此，在核电厂，计算型pH分析仪要能同时适用于氨基纯水及胺基纯水两种水质。电导率转换为pH的数据模型，氨基纯水和胺基纯水是不同的，故仪表必须具备这两种数据模型，可用于两种不同的pH调节工艺。在实际应用中，市场上大部分的计算型pH分析仪只具备氨基纯水数据模型，不具备胺基纯水的数据模型。

2.2预防性维修的特殊要求

压水堆核电厂的维修活动包括预防性维修和纠正性维修。纠正性维修是指设备故障后的维修行为，预防性维修是在设备失效以前采取行动，避免设备失效。作为化学监督关键设备的pH分析仪，应尽量减少被动的纠正性维修，而尽量采用主动可靠的预防性维修，以提高仪表的可利用率，保证化学监督的质量并减少维修成本。

预防性维修要求仪表有较高的可靠性和较低的偶然故障率，计算型pH分析仪具备很高的稳定性，能很好地适应预防性维修的要求。

2.3维修程序的特殊要求

压水堆核电厂设备维修程序远较常规火电厂严格、复杂，包括工单管理程序、设备质量缺陷报告(QDR)管理程序等。以QDR为例，工作流程包括质量缺陷的发现、质量缺陷的确认与处理、QDR的审批、QDR的执行、验收、关闭、归档、检查与考核等多个环节。故障率高的设备大大增加QDR的数量，造成维修人员的工作量大幅度增加，消耗维修资源[6]。

常规的pH分析仪采用高阻抗电位信号传感器，信号弱、易漂移、易受干扰，每个月均需进行定期校准，期间还可能根据仪表运行情况进行不定期的维护，工作量很大[7]。计算型pH分析仪因其高稳定性和高可靠性，基本无维护量，可大幅减少维护人员的工作量，节约维修资源。

3 计算型pH分析仪使用现状

目前，市场上的计算型pH分析仪还没有国产产品，均为进口产品，具体的厂家型号为美国Honeywell公司的UAD2182PD、美国Thermo ORION公司的Aquapro 2103pH以及瑞士SWAN公司的Deltacon pH等。其中Honeywell公司的产品同时具备氨基纯水及胺基纯水数据模型，可完全适用于压水堆核电厂的水质；Thermo ORION及SWAN公司的产品只有氨基纯水数据模型，没有胺基纯水数据模型，在压水堆核电厂的使用存在一定的局限性。

相对于常规pH分析仪，计算型pH分析仪出现的时间较晚，且为间接测量方法，用户接受还需要一段时间，特别是技术上倾向采取保守原则的核电厂用户。在火电厂，计算型pH分析仪已经开始使用，且最近几年的使用量逐渐增大。在核电厂，中核核电运行管理有限公司秦山一厂新购了1台美国Honeywell的UAD2182PD，安装于精处理装置出口母管，用于ETA加药量的控制。此测点pH值控制指标为9.24～9.26，常规pH分析仪无法满足此测点水质监控要求，而计算型pH分析仪的精度完全可以满足。这台计算型pH分析仪是国内核电厂应用的第1台，随着成功经验的积累，相信在国内核电厂会有越来越多的计算型pH分析仪代替传统的pH分析仪。

4 结束语

在线pH分析仪是核电厂水化学监督的关键仪表，对于核电厂的安全运行有着重要的意义。相对于常规pH分析仪，计算型pH分析仪具有准确度高、稳定性好、维护量少等优势，建议在新建核电厂在线pH分析仪选型以及商运压水堆或重水堆核电厂二回路在线pH分析仪技改时，尽量考虑采用计算型pH分析仪。相信在核电厂水化学监督中，计算型pH分析仪有着广阔的应用前景。

[1]Standard test method for on-line pH measurement of water of low conductivity：ASTM D5128—2014[S].

[2]低电导率水pH在线测量方法：DL/T 1201—2013[S].

[3]Guidelines for feed water, boiler water and steam quality for power plants/industrial plants：VGB R 450Le—2004[S].

[4]刘玮,曹杰玉.提高电厂高纯水pH值测量准确度的研究[J].中国电力，2006，39(10)：80-83.

[5]卢文跃，李晓明，韩庆浩，等.压水堆核电厂设备可靠性管理体系的探索与运作[J].核动力工程，2005，26(6)：65-72.

[6]王琳，谢杨，崔怀明.乙醇胺在核电厂二回路水处理中的应用研究[J].核动力工程，2013，34(2)：137-140.

[7]蒲代伟，李木子.纯水与氨体系下的pH测量准确度影响因素探讨[J].核电工程与技术，2014(3)：31-33.

(本文责编：刘芳)

2017-08-09；

:2017-08-31

TH 832.3+1；TM 623

：B

：1674-1951(2017)09-0039-03

高巍(1976—)，男，河北泊头人，从事电厂化学仪表管理运行工作(E-mail:jacky76011@126.com)。