AP1000电厂中催化除氧技术的应用

周晓杏

【摘 要】AP1000是先进的第三代核电技术，全球首堆已在浙江三门完成热态试验，其除盐给水采用了低压加氢钯树脂催化除氧技术，并且整个催化除氧单元进行模块化建造施工，这些在国内电厂均为首次使用。本文主要介绍催化除氧技术的工艺、原理、优点及在AP1000机组调试过程中遇到的问题。

【关键词】AP1000；催化除氧；低压加氢；应用分析

中图分类号： TM623 文献标识码： A 文章编号： 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核电机组中催化除氧单元属于DWS系统（除盐水储存和分配系统）的一部分，DWS的除盐水储存箱（DWST）接收除盐水处理系统输送来的除盐水，除盐水输送泵从DWST吸水，通过催化除氧单元除去水中的溶解氧后，将符合要求的除氧除盐水供给全厂用户。为了在不同的除盐水流量需求下可以维持流经催化除氧单元的流量恒定，部分除盐水可经再循环管线返回至DWST。

一台机组设置有两套催化除氧单元，一套是除盐水储存箱催化除氧单元，用于除盐水储存箱的除氧和供水分配，一套是凝结水储存箱催化除氧单元，用于维持凝结水储存箱中的氧含量低于100ppb。以除盐水储存箱催化除氧单元为例，其主要设备有：除盐水输送泵、静态混合器、钯树脂罐、树脂捕捉器、除气罐、鼓风机、进出口溶解氧表、出口氢表等[1]。

除盐水经除盐水输送泵加压，从DWST先送入催化除氧单元的静态混合器，在静态混合器中与电厂气体系统来的低压氢气进行充分混合后进入钯树脂罐，在树脂罐内钯树脂的催化作用下，除盐水中的溶解氧与氢气进行化合反应生成水，催化除氧后的除盐水进行树脂捕捉器，过滤掉混在除盐水中的树脂碎片。经过树脂捕捉器的除盐水分为两路，一路通过V207为全厂的除盐水用户供水；一路通过V025回流至DWST，以维持催化除氧单元的恒定流量，保证除氧效果，同时以循环的方式降低除盐水储存箱中的溶解氧含量。除盐水储存箱中的氧含量范围为20ppb-8000ppb（自然状态下的饱和溶解氧），经过DWS催化除氧单元后溶解氧≤20ppb。

在钯树脂罐和树脂捕捉器顶部安装有排气管道，将钯树脂罐和树脂捕捉器内未反应的氢气排至除气罐，除气罐上安装有鼓风机和排气管道。鼓风机将新鲜空气吹入排气罐，降低除气罐内氢气浓度，并通过排气管道排至室外，避免氢气在房间内积聚爆炸。

2 催化除氧技术原理

AP1000核电站DWS系统除氧采用的是低压加氢催化除氧原理，催化剂采用吸附在强碱型阴树脂上的钯金属离子。根据分子轨道理论，氢气与氧气在常温下不能自发地发生反应，原因是二者电子云轨道对称性不匹配，经金属催化剂表面吸附后，受金属最外层d轨道的作用，氢电子云发生变形，从而变得可以与氧气在低温下进行反应[2]。反应过程如下：

钯金属是常温下氢与氧反应的最佳催化剂，常以覆盖在某种载体上的形式出现，常用的载体有离子交换树脂、活性炭等[3]。上世纪60年代德国拜耳公司研制出Lewatit Oc-1045型除氧树脂，提出了“催化树脂加氢除氧方法”，后被美国首先应用在核电站、核动力军舰的水处理中。催化树脂又称为触媒型除氧树脂，是以有坚实骨架结构的树脂为母体，再将催化金属粒子牢固的吸附在其表面，最后进行催化活性的活化处理[4]。混合有溶解氧和氢气的水经过催化树脂时，借助于强碱型阴离子交换树脂所提供的巨大的表面积，催化剂钯对氢气很强的吸附能力（1单位体积海绵状的钯能吸附680-850体积的氢气），同时也能吸附氧气，所以钯的催化活性很高，可以达到良好的除氧效果。

作为一种新型的除氧方法，催化除氧技术有很多优点：除氧过程中树脂只起到催化作用，本身不参加反应，不需要进行树脂再生；除氧过程为氢和氧反应生成水，无杂质产生，也不需添加其他物质，除氧后不增加盐分；反应速度快、除氧效果佳，实际运行中出口溶解氧含量低于5ppb；占地面积小、可一键自动投运，运行操作方便；设备简单易维护，常温反应无热量消耗，所需费用低，运行费用主要是加氢的费用，而按质量计算氧与氢的当量比为8：1，氢气消耗量少；从给水源头上就控制氧含量，有利于后续的除氧和运行期间腐蚀的控制。

3 催化除氧单元问题分析

3.1 缺少模块化施工管理经验

模块化建造技术在AP1000机组建设中得到了广泛应用，这是一种先进的施工理念，可以大量的引入平行作业，从而缩短建设工期。AP1000催化除氧单元属于MS08模块，尺寸4270mm×1680mm×3000mm，位于40340房间内，除了除盐水输送泵，其他设备、管道、阀门、仪表和附件都安装在公共基座上。但由于此次是模块化建造技术首次应用于国内核电站建设，设计、施工方经验不足，存在一些问题，制约着DWS系统的调试，也影响全厂除盐水用户的工作。

设计方面，模块厂家负责模块内部设计，在电源方面只有一路电源供应，不满足外方的冗余设计要求，造成返厂整改；模块的接口管道由华东院设计，但华东院遗漏了此部分施工图，造成现场无法施工；这些都属于多方设计造成接口问题，需注意协调。施工方面，由于模块厂家经验缺乏，且未考虑后续维修需求，造成大量阀门手轮指向模块内部，不便操作；树脂捕捉器和电控柜维修空间不足，不满足运维手册和国标要求；厂家和建安方责任划分不清，部分现场工作无人负责；后续应加强设计审核并在合同中规定详细。

3.2 氢气流量调节性能不足

由于设计有再循环管线，可以通过V025保证流过催化除氧单元的流量恒定，因此催化除氧单元的除氧效果就取决于除盐水内溶解氧含量和供氢量的比例。随着除氧再循环的进行，DWST内的溶解氧含量從饱和溶解氧（8000ppb）会逐渐下降至100ppb以下，所需氢气量减少了几十倍，但氢气流量调节阀V229为手动针形阀，不能自动调节供氢量。氢气过剩会导致出口氢浓度超过160ppb，产生报警并联锁关闭供氢电磁阀V201，随着供氢电磁阀的关闭，出口氢浓度降低到100ppb以下时，报警复归并开启V201，随后出口氢再次增加，造成重复报警。对此问题，建议变更供氢电磁阀V201的动作定值，将关闭定值由160ppb修改为75ppb，开启定值由100ppb修改为50ppb，提前动作干预以减少氢气过量损失，避免频发报警导致人员分心，同时稍过量的氢气引入仍可以保证除氧效果。

3.3 出口电动阀V207联锁控制问题

当催化除氧单元出口溶解氧含量高于20ppb时，出口电动隔离阀V207将联锁自动关闭，此逻辑可以保证供应的除盐水氧含量达到要求。但V207关闭同时会导致停止向各用户的补水，其中重要用户包括向一回路的补水、为启动给水泵提供纵深防御水源、重要设备冷却水的补水等。一方面催化除氧单元的功能是在补水阶段就限制含氧量，有利于后续的腐蚀控制，但这些用户中均有加氢或加联氨的除氧手段，即使除盐水含氧量超标，也能维持水质要求；另一方面如果氧含量超标就关闭供水阀门，会导致失去除盐水补水功能，进而失去一回路补水功能和一回路冷却的纵深防御功能，引发更严重的后果，即DWS的补水功能相较于DWS的除氧功能更为重要。对此问题建议取消V207阀门的联锁控制，只保留报警提示，当出现报警时，由操纵员根据现场实际情况来判断是否需要隔离DWS补水。

4 结论

钯树脂催化除氧以其除氧效果佳、无杂质产生、操作方便经济性好的优点，自推出后就得到了广泛应用，配以模块化建造技术又可以减小占地面积、缩短建造时间。AP1000电厂的催化除氧技术为国内电厂首次使用，受限于设计、施工经验不足，在调试阶段遇到了一些问题，但目前实际运行过程中除氧效果优秀、系统运行稳定，相信经过总结经验、优化设计后，催化除氧技术在国内具有很强的推广意义。

【参考文献】

[1]顾军.AP1000核电厂系统与设备[M].北京：原子能出版社，2010.

[2]侯涛，吴元明，冯金玲.AP1000除氧技术分析[J].核科学与工程，2016（2）：141-146.

[3]张瑛洁，杨晓光，周江红.催化加氢去除水中溶解氧的一种新技术[J].吉林电力，2001（2）：41-43.

[4]解鲁生.催化树脂除氧在锅炉补给水上的应用[J].区域供热，2007（3）：33-34.