高温气冷堆二回路水汽品质优化方案探讨

高温气冷堆二回路水汽品质优化方案探讨
张瑞祥1，高玉峰1，李康1，姚尧2，王震2，徐浩凇2
(1. 西安热工研究院有限公司，陕西 西安　710032；2. 华能山东石岛湾核电有限公司，山东 荣成　264300)
摘　要：石岛湾高温气冷堆为示范电站，其蒸发器采用特有的组件式直流螺旋盘管结构，二回路水质控制既无相关行业技术标准，也无成熟运行经验可借鉴。

在参考火电直流机组和压水堆规范及其运行经验基础上，结合高温气冷堆二回路结构和材料特点，对机组启动冷态冲洗和热态冲洗控制方式、加药控制、凝结水精处理系统运行方式等进行了探讨，提出了完整的高温气冷堆二回路水汽品质优化方法。

该方法经专家充分讨论并认可，已编入高温堆调试大纲和运行规程。

关键词：核电站；高温堆；二回路；水汽品质控制；系统冲洗；凝结水精处理系统运行方式中图分类号：TK284；TM613 文献标志码：A DOI ：10.11930/j.issn.1004-9649.201711228
0 引言
蒸发器是核电机组的重要设备之一，机组运行中的金属腐蚀对二回路常规重要设备会产生不利影响，特别是对蒸发器的寿命将产生严重威胁。

因此，核电站二回路的水质控制尤其重要，特别是控制进入蒸发器的水质。

目前，压水堆核电站二回路水质已有比较成熟的标准和控制方法，而高温气冷堆（高温堆）示范工程是世界示范首堆，其蒸发器采用特有的组件式直流螺旋盘管结构，水质控制既无相关行业技术标准，也无成熟运行经验可借鉴[1-3]。

本文主要研究提高高温堆二回路水质的要点和方法，为未来商业运行的高温堆二回路水质控制提供参考。

1 高温堆二回路水质控制要点
压水堆蒸发器与高温堆蒸发器特性对比如表1所示。

由表1可以看出，高温堆蒸发器的结构和材质及蒸汽参数与压水堆蒸发器有较大差别，类似直流炉。

与压水堆二回路水质相比，高温堆二回路水质要求更高，进入蒸发器的水质品质更严格。

因此，需针对高温堆二回路的系统和材质特点，研究有效控制二回路水汽品质的方法。

高温堆蒸发器换热管属于镍基合金，镍基合
金对溶解氧、Cu 2+、Na +和Cl -较敏感，这些物质会对蒸发器材质造成氧化或腐蚀，而铁离子则容易在换热管内部沉积、结垢，因此必须严格控制这些杂质进入蒸发器。

凝结水精处理系统（简称精处理）是二回路系统中唯一能除盐和净化水质的系统，Cu 2+、Cl -和Na +等离子只能通过精处理系统去除。

因此，及时投运并控制好精处理系统的运行也是保证二回路优良水质，减缓热力设备的腐蚀与沉积的重要方法[4]。

高温堆二回路蒸发器无排污系统，水中的离子会在蒸发器内大量浓缩，因此二回路汽水品质控制的原则首先是制定合理科学的机组启动前冲洗方式，控制好冲洗指标，源头上减少进入系统的杂质；其次，严格控制好二回路加药量，控制铁离子和溶解氧浓度，减少系统因腐蚀而生成的杂质；最后，精处理系统是二回路系统中唯一能除盐和净化水质的系统，必须及时投运，以去除系统中的大部分杂质[5-7]。

下文将对上述3方面内容进行深入探讨与分析，给出可行的操作和控制方法。

2 机组启动前冲洗方式控制
机组启动前必须对系统进行冲洗，以净化水质。

火电机组冲洗分冷态冲洗和热态冲洗，系统先进行冷态冲洗，铁离子合格后冷态冲洗结束；锅炉点火进行热态冲洗，铁离子合格后热态冲洗
收稿日期：2017−12−04； 修回日期：2018−06−19。

第 52 卷 第 1 期中国电力
Vol. 52, No. 12019 年 1 月
ELECTRIC POWER
Jan. 2019
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结束进行机组启动。

对于压水堆核电机组，考虑到安全性问题和蒸汽参数较低的特点，一般只进行冷态冲洗，冲洗合格后进行机组启动；高温堆二回路可利用启停堆系统，实现系统的热态冲洗，因此高温堆启动前二回路冲洗方式可分为冷态冲洗和热态冲洗。

经分析和借鉴，制定了如图1
2.1 冷态冲洗
（1）凝结水系统冲洗。

开式冲洗凝结
水系统，冲洗时加氨，调节冲洗水pH 值为9.5~10.0，通过凝结水补水泵向凝汽器补水。

冲洗主要流程：凝结水泵→精处理旁路→轴封加热器→5号低压加热器（低加）→4号低加→3号低加水侧→除氧器，通过除氧器有压排水排放。

当排放水铁离子质量浓度小于100 μg/L 时，凝结水系统冲洗合格，进入给水冲洗回路。

（2）给水系统冲洗。

开式冲洗给水系统，冲洗时加氨，调节冲洗水pH 值为9.5~10.0。

冲洗主
要流程：凝结水泵→精处理旁路→轴封加热器→5号低加→4号低加→3号低加水侧→除氧器→给水泵→高压加热器（高加）；冲洗水从高加后蒸发器前有压排水管排放。

当排放水铁离子质量浓度小于50 μg/L ，二氧化硅质量浓度小于20 μg/L ，总有机碳质量浓度小于500 μg/L 时，给水系统冲洗结束，进入系统大冲洗。

（3）二回路水系统大冲洗回路。

给水系统冲洗合格后，进行二回路大冲洗。

冲洗主要流程：
凝结水泵→精处理旁路→轴封加热器→5号低加
→4号低加→3号低加水侧→除氧器→给水泵→高加→蒸发器→汽水分离器；冲洗水经过启停堆回路中汽水分离器后的冲洗排放管排放，当排水铁离子质量浓度小于500 μg/L 时，可将其回收至凝汽器。

之后，投运精处理系统进行循环冲洗，冲洗主要流程：凝结水泵→精处理→轴封加热器→5号低加→4号低加→3号低加水侧→除氧器→给水泵→高加→蒸发器→汽水分离器→凝汽器。

当汽水分离器出口的铁离子质量浓度小于200 μg/L ，且精处理系统出口水质合格后，冷态冲洗工艺结束，即可准备热态冲洗。

2.2 热态冲洗
机组启动前热态冲洗对控制汽水品质有重要意义，热态冲洗最佳温度为150~170 ℃。

高温堆原设计没有考虑到热态冲洗，通过研究高温堆二回路汽水分离器和控制核岛运行功率特点，制定了热态冲洗方案。

热态冲洗的主要过程描述：冷态冲洗结束后，设备保持原状态，核岛开始提升功率，二回路水在蒸发器内升温，从蒸发器出口流出的水进入启停堆系统的汽水分离器。

在汽水分离器内，小部分水汽化为蒸汽通过旁路进入凝汽器，未汽化的水通过汽水分离器的疏水排放。

表 1 压水堆蒸发器与高温堆蒸发器特性对比
Table 1 Comparison between the characteristics of PWR steam generator and high temperature
gas-cooled reactor steam generator
项目压水堆蒸发器高温堆蒸发器主蒸汽参数273℃，7 MPa 饱和蒸汽
575℃，14.3 MPa 过热蒸汽
换热管特性传热管为倒U 型管结构，有排污装置；蒸发器内部空间大，停机后可以内部清理
传热管为直流螺旋盘管结构，无排污装置；换热管结构紧密，停机后，内部也很难冲洗材质一般用Incoloy600、Incoloy690
采用两段式，过热段采用Incoloy800H 材料，
低温段采用T22材料
结构特性
为了防止蒸发过程中在蒸发器内部浓缩、结垢及腐蚀，在蒸发器底部设计了连续排污装置
设计无排污系统
Fig. 1 Schematic diagram of the washing process
中国电力
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当蒸发器出口水温超过150 ℃时，开始进入热态冲洗过程。

看
的饱和蒸汽温度为265 ℃，因此当蒸发器出口水温大于265 ℃时，水在汽水分离器完全汽化；热为，全挥发处理的加氨和加联胺系统，加氨的目的是提高水的pH 值，减小系统内金属材质的酸腐蚀；加联胺的目的是除去水中的溶解氧，防止形成氧化物产生的氧腐蚀。

3.1 加联胺控制
火电机组给水的溶解氧质量浓度控制在7 μg/L 以下，联胺质量浓度一般控制在10~50 μg/L 。

核电站蒸发器换热管一般采用镍基合金，此材质对溶解氧较敏感，因此核电压水堆二回路系统必须通过加入的联胺量严格控制水中的溶解氧浓度[8]。

火电机组和压水堆二回路联胺控制标准如表2所示。

由表2可知，压水堆二回路溶解氧和联胺的质量浓度控制值较高。

由于高温堆蒸发器设计无排污系统，必须严格控制进入蒸发器的离子浓度和溶解氧。

鉴于高温堆二回路材质特点，借鉴压水堆运行经验，经过研究确定高温堆二回路联胺控制质量浓度为
以和给水加入的联胺量通过在线联胺表浓度值对加药泵进行自动PID 调节[9]，凝结水和给水联胺的质量浓度控制在80~120 μg/L 。

3.2 加氨控制
pH 值是给水和凝结水水质控制的重要指标之一，二回路的pH 值是通过加氨来实现的，合适的pH 值能控制水中的铁离子和铜离子浓度，因而可减少二回路系统的腐蚀。

压水堆二回路和火
表 2 火电机组和压水堆二回路溶解氧和联胺控制标准
Table 2 Standard for controlling dissolved oxygen and
hydrazine in thermal power unit and the
secondary circuit of PWR
项目
溶解氧质量浓度/
(μg·L –1)
联胺质量浓度/
(μg·L –1)
压水堆二回路期望值＜150~100限值＜330~200火电机组
标准值
＜7
10~50
第 1 期张瑞祥等：高温气冷堆二回路水汽品质优化方案探讨
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电机组给水pH 值控制有相应的标准[10-12]，常见的标准如表3所示。

由表3可以看出，国内外压水堆二回路pH 值控制值较高，由于高温堆蒸发器与压水堆蒸发器的材质差别大，蒸汽参数高，且设计无蒸发器排污系统，水中的微量离子不断地在蒸发器中浓缩，需严格控制进入蒸发器的离子浓度。

高温堆二回路主要设备和管道材质主要是低合金钢[13]。

蒸发器过热段材质（Incoloy 800H ）是镍基合金钢，与压水堆二回路材质相似。

文献[14]给出了pH 值和金属材料腐蚀速率关系（见图3）。

由图3可以看出，对于碳钢和低合金钢，其腐蚀速率随pH 值的升高而降低，采取高pH 值运行可以有效控制二回路系统的腐蚀，但pH 值过高对凝结水
pH 值的调节是通过加氨实现的，加氨量控制是通过
在线pH 表示值反馈，对加氨泵频率实现PID 自动控制，但在线pH 表具有测量滞后性和稳定性不高的缺点，因此在精准控制凝结水和给水pH 值时，直接采用pH 值进行PID 调节加氨量的方法不稳定，无法及时准确跟踪水质。

在线仪表
中电导率表比较稳定，响应及时，因此可利用比电导率值（K ）与pH 值的对应关系（pH 值=8.56+lg K ），采用DCS 控制器逻辑计算pH 值，再对加氨泵频率进行PID 调节。

此方法在一些火电机组已开始应用[15-17]，从运行经验来看，这种控制方式运行稳定、可靠、响应快，能及时响应水质的pH 值变化。

凝结水pH 值计算式中K 值取除氧器入口电导率值，给水pH 值计算式中K 值取高加出口的电导率值。

4 精处理系统的运行控制
精处理系统是二回路中唯一能除去离子和杂质的系统，为了保证高温堆二回路良好的水汽品质，采取了与压水堆机组不同的运行方式。

精处理系统运行控制的不同点在于：（1）机组启动冲洗时，水质符合精处理系统进水要求时，就立即投运精处理系统。

（2）在机组运行的过程中，全过程投运精处理系统，且不设旁流，对100%凝结水进行处理。

（3）精处理运行方式有氨化运行和氢型运行，氨化运行时精处理系统将出现漏氯离子及钠离子现象，镍基合金的蒸发器对钠离子和氯离子较敏感，为了满足蒸发器进水水质要求，高温堆二回路精处理系统运行只能采用氢型运行方式。

5 结语
本文在借鉴火电直流机组、压水堆规范和运
行经验基础上，结合高温堆二回路的自身特点，对机组启动冷态冲洗和热态冲洗控制方式、加药
控制、精处理运行方式等进行了探讨。

为了从源头上减少进入系统的杂质，提出了科学合理的机组启动前冲洗回路方案；为了减小运行中二回路系统腐蚀，在加药控制方法中参考了火电直流机组加药的成熟经验，提出了精准稳定、快速跟踪水质的全自动加药控制方式。

高温堆精处理系统运行控制方式应为：机组启动冲洗时，水质符合精处理进水要求时即投运精处理系统；机组运行过程中全程投运精处理系统，不设旁路100%处理，且精处理系统只能采取氢型运行方式。

上述这些改进建议已编入高温堆的调试大纲和运行规
表 3 压水堆和火电机组给水pH 相关控制标准
Table 3 Standard for controlling pH of feed-water of
PWR and thermal power units
标准规范来源给水pH 控制值
国内压水堆规范(GB50958—2013)9.2~9.8，实际控制pH 值≥9.6
德国VGB 压水堆规范＞9.8
火电机组规范(GB/T 12145—2016)
8.8~9.3(给水有铜系统)；9.2~9.6(给水无铜系统)
and pH value
中国电力
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程，随着工程的进展已逐步应用到机组调试过程中。

实践表明，根据本文研究成果制定的高温气冷堆调试大纲及运行规程，在二回路的汽水品质控制及系统清洁过程中取得了良好的效果。

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[17]作者简介：
张瑞祥(1981—)，男，高级工程师，从事电厂化学与环保系统调试与研究，E-mail: zhangruixiang@ ；
高玉峰(1977—)，男，工程师，从事电厂自动化控制研究，E-mail: gyf91588@ ；
李康(1986—)，男，工程师，从事电厂锅炉系统调试与研究，E-mail: likang@ 。

（责任编辑　刘明）
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张瑞祥等：高温气冷堆二回路水汽品质优化方案探讨
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Discussion on the Optimal Scheme of the Secondary Circuit Steam and Water
Quality of the High Temperature Gas Cooled Reactor
ZHANG Ruixiang 1, GAO Yufeng 1, LI Kang 1, YAO Yao 2, WANG Zhen 2, XU Haosong 2
(1. Xi'an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi'an 710032, China;2. Huaneng Shandong Shidao Bay Nuclear Co., Ltd., Rongcheng 264300, China)
Abstract : Referring to the thermal power plant DC unit and the pressurized water reactor standards as well as the operation experiences and in view of the secondary circuit structure and material features of the high temperature gas-cooled reactor, this paper studies three methods of controlling the secondary circuit water quality of the high temperature gas-cooled reactor, which include dosing control, the operation method of the condensate water polishing system and system flushing before unit start-up. In the end,the three methods are discussed in detail, and a scientific and complete method for optimizing the quality of water and steam in the secondary circuit of the high temperature gas-cooled reactor is formed. The method is discussed and approved by the experts, and is compiled into the commissioning outline and the operation rules for the high temperature reactor.
Keywords : nuclear power plant; high temperature gas-cooled reactor; the secondary circuit; quality of steam and water; system flushing; operation method of condensate water polishing system
(上接第155页)
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作者简介：
吴智泉(1974—)，男，博士，高级工程师，从事燃煤电厂污染物减排及新能源领域的研究，E-mail: wuzhiquan@ ；
曹蕃(1988—)，男，博士，从事燃煤电厂污染物减排及废水处理等方面的研究，E-mail: caofan@ 。

（责任编辑　刘明）
Analysis on the Influence of the Wastewater Evaporation in Flue Duct
to the Flue Gas Dew Point
WU Zhiquan, CAO Fan, YUAN Yuan, JIA Xibu
(China Datang Corporation Science and Technological Research Institute, Beijing 100043, China)
Abstract : The effect of the wastewater evaporation in flue duct to the flue gas dew point was studied in this article. Pilot test of the wastewater evaporation was conducted on a 600 MW unit. The H 2O and SO 3 contents in the flue gas were detected and the dew point was calculated using different formulas. The results showed that, when 900~1 400 L/h wastewater was injected in 1/4 flue duct of the 600 MW unit (the amount of flue gas was 4×105~5×105 m 3/h), the water vapor in the flue gas increased 0.7%~0.9%, whereas the SO 3decreased by 30%~50%, which indicated that the transformation from SO 3 to sulfuric acid mist and their adsorption on fly ash particles were improved after the wastewater evaporation. The flue gas dew point decreased by 9~14 °C after the evaporation, and the flue gas temperature could be higher than the dew point. Thus, wastewater evaporation in flue duct could not lead to low-temperature corrosion of the downstream ducts and equipments under the condition of pilot test.
Keywords : coal-fired unit; desulfurization wastewater; flue duct evaporation; acid dew point; SO
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中国电力
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