AP1000核电站新型凝结水精处理叠加卧式精密过滤器设计

刘炳伟，徐秀萍

(国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095)

AP1000核电机组对二回路汽水品质要求非常严格，而凝结水精处系统破碎树脂分解容易造成二回路硫酸根超标；同时AP1000核电机组启动时间长、冲洗水量大，缩短机组启动时间能够很好的提高核电站的经济效益，减少冲洗水消耗。

1 目前核电站相关技术存在的不足

1.1 凝结水精处理系统硫酸根离子超标

目前国内已运行的核电站中，二回路凝结水精处理始终是个难题，其主要技术特点是处理水量庞大、出水水质要求高，特别是对超临界火电机组并不做控制的硫酸根离子有严格的要求，即控制核岛蒸汽发生器排污水中硫酸根离子≤10ppb[1]，折算到二回路凝结水精处理出水，则需控制硫酸根离子≤0.5ppb，指标非常苛刻。我国的大亚湾核电站一期，就是因为凝结水精处理出水硫酸根超标，不得已只在机组启动或事故泄漏时才投入运行，成为困扰其高水平运行的瓶颈。在开展AP1000核电凝结水精处理系统设计时，根据核岛提出的设计控制文件，经过计算，当凝汽器发生泄漏时，首先超过核岛水化学控制导则要求、迫使核电站降功率运行或停堆的指标就是硫酸根离子。可见，采取可行有效的措施，来降低凝结水精处理出水的硫酸根离子含量具有重要意义。

分析硫酸根离子超标的原因主要包括：(1)破碎树脂粉末进入二回路后发生分解后产生硫酸根；(2)设备衬胶层运行过程中缓慢析出硫酸根；(3)其它不可预见因素。其中破碎树脂进入二回路分解产生硫酸根被水处理行业普遍认为是主要原因。

树脂破碎的原因有[2]：(1)树脂质量不过关；(2)由于树脂始终处在运行、失效、再生、再运行的循环使用过程中，再生时转型膨胀时容易造成树脂破碎；(3)树脂运行过程中始终处于2.5～4.0MPa的水压下会造成破碎；(4)由于核电站处理水量庞大，使得树脂床(高速阳床和高速混床)直径较大，容易发生进水配水不均而引起树脂扰动，导致树脂破碎；(5)其它不可预见因素。

由上述分析可以看出：凝结水精处理系统的运行工况决定总是或多或少的有破碎树脂进入二回路系统，从而增加硫酸根离子的含量，影响核电站安全稳定运行。

1.2 启动时间长，启动用冲洗水量大

通过近年来国内核电站调试发现，机组首次启动冲洗水量大，冲洗时间长，主要原因是凝结水精处理系统对进水水质要求比火电机组更严格(火电一般要求悬浮物<1000mg/L时即可进入精处理系统，而核电通常要求悬浮物<500mg/L时才能进入精处理系统)，导致机组启动时间延长，经济性差。

2 凝结水精处理精密过滤器方案设计

2.1 设计方案的主要目的和内容

2.1.1 避免破碎树脂进入二回路汽水系统

针对破碎树脂分解造成硫酸根超标，在凝结水精处理高速混床后设“后置”精密过滤器，过滤精度5μm，以截留破碎的树脂粉末，提高二回路汽水品质，保证核电站安全稳定运行。

2.1.2 缩短机组启动时间。

针对启动时间长、冲洗水量大，在凝结水精处理高速阳床前设“前置”精密过滤器，以缩短机组启动时间，提高核电站的经济效益

2.1.3 前置与后置过滤器的整合

“后置”精密过滤器、“前置”精密过滤器为同一设备，通过旁路切换运行，启动时 “前置”使用，正常运行时 “后置”使用。

2.2 方案流程

根据凝结水精处理精密过滤器的设计目的和前、后置过滤器的公用特点，对凝结水精处理系统与精密过滤器进行整体设计，其流程图图1。

图1 凝结水精处理及精密过滤器流程图

精密过滤器可选用卧式、叠加布置，以减少主厂房占地面积。滤元采用大流量不可反洗式滤元，过滤精度为5μm，既减少设备投资，又可保证出水水质。以下从两个方面阐述本工艺的运行原理。

2.2.1 机组正常运行期间

V1，V2，V3自动阀门均打开，V4，V5，V6自动阀门均关闭，此时工艺流程为：凝结水泵来凝结水→高速阳床+高速混床→叠加卧式精密过滤器→凝结水升压泵→轴封加热器凝结水，即为图中实线所表示的流程。

2.2.2 机组启动期间

V1，V2，V3自动阀门均关闭，V4，V5，V6自动阀门均打开，此时工艺流程为：凝结水泵来凝结水→叠加卧式精密过滤器→高速阳床+高速混床→凝结水升压泵→轴封加热器凝结水，即为图中虚线所表示的流程。

2.3 叠加卧式精密过滤器的运行控制

叠加卧式精密过滤器不设备用，当过滤器进出口压差超过设定值时，即退出运行，更换滤芯，此时部分凝结水经过叠加卧式精密过滤器旁路。滤芯更换完毕后，重新投运。除人工更换滤芯外，其它操作为程序控制，自动实现。

过滤器初始正常运行压降小于0.02MPa，在最大流量负荷时过滤器进、出口的最大压差不得超过0.15MPa。每支滤芯总截污容量按破碎树脂计应不小于1.0kg，对5μm以上的固体颗粒去除率为99.99%。

过滤器的壳体和内部多孔板应以不锈钢304制作，设计、建造和试验、按照GB150-1998《钢制压力容器》标准。

3 技术经济分析

3.1 保证核电站安全可靠运行

采用该后置过滤器工艺，主要从系统的安全可靠角度考虑。该后置过滤器可有效的防止破碎树脂粉末进入二回路系统后分解产生硫酸根离子，在提高凝结水精处理出水品质的同时，延缓了蒸汽发生器传热管腐蚀破裂，保证了整个核电站的安全运行。

3.2 经济效益

采用该前置过滤器工艺，可大大缩短机组启动时间、减少机组启动时的冲洗水量；并可有效保护高速阳床内昂贵的树脂免受污染，延长其使用寿命等优点。

(1)据现场有关调试数据表明，设前置过滤器后，机组每次启动可缩短的时间因不同的工程而不同，从几个小时到几天不等。按12小时计，则每台机组(AP1000单台机组容量1250MW)每次启动因早发电而增加的经济效益525万元(按每度电0.35元计)。而且，今后每次机组大小修后重新启动时，同样节约525万元/次，而每台机组该过滤器的投资费用仅为450万左右。

(2)设该前置过滤器后，每次启动减少的冲洗水量～10000 吨(冲洗水流量～900t/h)，折合5.0万元(按冲洗水的制水成本5.0元计)。

(3)如果不设前置过滤器，那么机组启动时，为缩短机组启动时间通常都是将高速阳床充当过滤器用，阳床内的树脂必然遭到严重破坏，阳床树脂再生擦洗水甚至象污油状，当机组正常运行后，阳床树脂就需要更换。AP1000单台机组容量1250MW，每台机组高速阳床树脂装填量为58m3,需要费用～230万元。

4 结论

本工艺利用同一个设备，通过旁路切换实现在机组正常运行期间，精密过滤器具有后置过滤器功能，从而减少破碎树脂进入二回路进而引起硫酸根超标；而在机组启动期间，精密过滤器具有前置过滤器功能，大大减少了启动运行时间，既节约了启动用水，又具有良好的经济效益。综合考虑，通过凝结水精处理精密过滤器的设计，无论从技术和经济上都对AP1000核电站产生良好的效益，可以再其他核电站设计中推广。