在线钠表在核电站二回路化学监督中的应用

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

1 绪论

1.1 在线钠表及相关概念

在线钠表、在线化学分析仪表、化学监督。

在线钠表是连续测量水样中钠离子浓度的在线化学分析仪表。

在线化学分析仪表是化学监督专用在线工业流程式成份分析仪表，为了区别电测仪表和热工仪表而称为在线化学仪表。

化学监督是对电厂水汽品质进行质量管理，使其各项指标控制在生产要求的范围之内。

1.2 在线钠表作用概述

钠表是核电厂化学在线仪表中最关键仪表，而在线化学仪表是核电厂化学监督的关键环节。

提高化学监督水平，严格控制水汽品质，可防止和减缓热力设备腐蚀、结垢，提高设备的安全性，延长使用寿命，提高机组运行的经济性。

化学仪表在化学监督中起着至关重要的作用，其准确性决定着化学监督的可靠性。化学技术监督要求发挥在线化学仪表连续、及时的监测功能以及可以消除疏漏、虚报、主观误差与准确可靠的技术特点。同时，技术诊断还要求化学仪表所提供的监测数据能充分发挥作用，对水汽质量有恶化的迹象进行预测，对可能发生的事故进行预报，以及事故追亿并提示处理措施等指导性意见。

发电厂热力系统中钠离子含量是监督蒸汽品质、鉴别凝汽器的泄漏、监督阳离子交换器参数，是发电厂蒸汽品质的关键指标之一，可直接反映热力设备的积盐腐蚀的程度。蒸汽中携带一些含钠的杂质时，会导致汽轮机金属材料的点蚀、应力腐蚀或腐蚀疲劳，这些腐蚀常会造成很大的经济损失。在线钠表用于监测钠离子水平，具有相应速度快，信号反应灵敏的优点，可以及时发现凝汽器泄漏和蒸汽品质恶化的情况，对减少水汽系统腐蚀结垢和蒸汽系统积盐有重要意义。

2 在线钠表的应用

钠表的工作原理为离子选择性电极法。钠离子的对数响应与钠离子浓度之间的关系符合Nernst方程式：

E=E0+2.3(RT/nF)lg(C/Ciso)

式中：E为测量电极电位；E0为等电势点电极电位；R为理想气体常数，R=8.31(J/mol·k)；T为水样热力学温度;N为离子价态;F为法拉第常数，F=96485C/mol；C为钠离子有效浓度(活度)；Ciso为钠离子浓度(活度)mol/L，此时电位E与温度无关(等电势点)。

仪表通过测量钠电极在样水中电位的变化，计算出钠离子的浓度。

2.1 在线钠表测点及作用

以国内最普遍的三回路1000MW的M310机组为例，两台机组共用一套除盐水装置，其在线钠表配置及作用如表1。

表1 在线钠表配置

2.2 在线钠表与氢电导相比的优越性

除阳床钠表外，配备在线钠表的测点也同时配备了电导率表或氢电导率表。电导率表的特点是非常稳定可靠，维护简单，但在钠离子浓度很低时，灵敏度较在线钠表差，如图1所示。

图1 各温度下不同浓度的NaCL电导率曲线图

从图1中可以看出，在NaCL1.0ppb以下，电导率仪几乎反映不出钠离子的变化。因而，不管是电导率还是氢电导率，都不具有监测渗漏进入冷凝水中NaCl的能力；直接测量钠离子方法可以提请运行人员注意，不久凝汽器将渗漏并监测小量的渗漏。使用在线钠表检测凝汽器渗漏要比通过电导率或氢电导率来得早得多。

在线钠表的价格远较电导率表高，但因其在水质检测中的优越性，在重要的测点，除了配备电导率表外，还需配备在线钠表。换句话说，在线钠表的测点，均是重要测点；其检测指标，均是关键指标。在线钠表是二回路在线化学仪表中最关键的仪表。

2.3 WANO化学性能指标对在线钠表的要求

WANO将蒸发器二次侧排污水钠离子含量(SG Na)作为影响化学性能指标的主要因素。这是由核电厂SG结构特点所要求的。

核电厂SG传热管材质一般为Inconel 690合金，一种Ni-Cr型镍基(Ni≥50%)耐蚀合金，发生在其上的腐蚀包括铅致应力腐蚀、低价硫应力腐蚀、杂质蒸汽应力腐蚀、酸性或碱性应力腐蚀等[1]。其中与化学在线仪表配置关系较大的为杂质蒸汽应力腐蚀：给水在蒸汽发生器会浓缩50～100倍，给水中的杂质在蒸汽发生器传热缝隙还会进一步富集，缝隙里富集的物质浓度可达到临近自由管段表面浓度的两倍以上，外部本体中浓度的10倍、甚至104倍以上。受热面缝隙里物质腐蚀及浓缩使传热管凹陷变形。凹陷使管道缓慢变形而形成很大的应力，造成和加速一次侧和二次侧发生应力腐蚀开裂。因此，需严格监控给水及SG中的Na+、CL-、Fe3+、SO42-等[2]。

WANO化学性能指标要求，SG二次侧钠离子控制指标小于2×10-12；按50～100的浓缩倍率计算，给水及凝水中的钠含量小于0.02～0.04×10-12。

按照《DL912-2005_超临界火力发电机组水汽质量标准》，火电厂对炉水(相当于核电厂的SG)中的钠含量没有要求，给水及凝水中的钠含量分别小于5×10-12及3×10-12[3]。WANO化学性能指标要求远较常规电站的要求严格，且0.02～0.04×10-12的指标也超出了一般在线钠表0.1×10-12的检测下限。故要求应用于核电站的在线钠表必须有更低的检测下限，同时准确度和稳定性的要求也很高。

3 核电站对在线钠表的特殊要求

基于以下原因，核电站对在线钠表的可靠性有更高的要求。

3.1 核安全的要求：

SG传热管的腐蚀爆管，会造成带有辐射的一回路水泄漏到二回路，因而在核电站，在线钠表除了在常规电站防腐防垢保护热力系统设备安全的作用外，还与核安全有关。

3.2 预防性维修的要求：

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。在线钠表作为化学监督的关键设备，应在预防性维修上多下功夫。

预防性维修要求设备有较低的偶然故障率，同时要求元器件在进入损耗故障前进行翻修。为使 预防性维修可执行，以及避免过高的维修代价，要求在线钠表有较高的可靠性，其元器件有较长的寿命及较高的稳定性[4]。

3.3 核电站维修程序的特殊性

核电站设备维修程序远较常规电站严格、复杂，包括其工单管理程序，及设备质量缺陷报告(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。

4 运行核电站在线钠表使用情况介绍

4.1 运行核电站在线钠表使用现状

已运行的核电站，包括秦山一期、秦山二期、秦山二期(扩建)、秦山三期、田湾核电、大亚湾核电、岭澳核电、岭澳二期等，在线钠表基本上为美国THERMO ORION的产品。

THERMO ORION在线钠表的型号早期为1811EL，2005年以后升级为2111LL。

2111LL在线钠表的主要技术指标为：测量范围0.001×10-12～10×10-6；最小检出限0.01×10-12；精度为读数的±2.5%。

4.2 运行核电站在线钠表技改

表2为目前运行核电站在线钠表示技改情况。

表2运行核电站在线钠表技改情况

核电站系统技改类型技改前厂家型号技改后厂家型号大亚湾REN改型CITA 2340-1ORION 1811EL秦山二期ATE改型Polymetron 9073ORION 1811EL秦山三期二回路产品升级ORION 1811ELORION 2111LL二回路增加测点(凝泵出口)/ORION 2111LL水厂增加测点(混床)/ORION 2111LL田湾核电LDB改型SIEMENSSI-CHEM-N01ORION 2111LL

4.3 THERMO ORION在线钠表的优势分析

核电站在线钠表需要有很低的检测下限和很高的稳定性及准确性，在这些方面，THERMO ORION钠表较其它品牌的钠表有一定的优势，其原因分析如下：

THERMO ORION钠表的钠电极材质为纯铝矽酸钠，测量下限可以低至0.01×10-12。

THERMO ORION钠表的参比电极及钠电极的内参比采用其专利的ROSS电极，具有很高的稳定性；其它品牌采用银/氯化银，稳定性稍差。

THERMO ORION钠表的碱化采用独特的扩散管碱化技术，降低H+对测量的干扰的同时，最大程度地减少碱化带来的杂质的干扰。

由于技术所限，通常钠表校验的两种标准溶液的浓度分别为100×10-12及1000×10-12，而THERMO ORION采用专利的DKA校验技术，校验的两种标准溶液的浓度分别为10×10-12及100×10-12，远低于通常的钠表，更接近于实际水样，可带来更高的校验精度。

5 结束语

在线钠表是核电站二回路化学监督的关键仪表。由于核电站SG结构的特殊性，有求要求钠表有很低的检测下限和很高的灵敏度；同时核电站维修理念及维修程序又要求，钠表必须有很好的稳定性及可靠性。从运行核电站实际应用来看，在线钠表基本上是THERMO ORION品牌一家独大，很多在常规电站普遍使用的在线钠表，在核电站的应用效果并不好，这从各核电站的技改方案也能反映出来。进一步提高在线钠表的稳定性及灵敏度，以适应核电站二回路化学监督的需求，也是各仪表厂家今后发展的目标也是各仪表厂家今后需要重点关注的工作。

[1]丁训慎.核电站蒸汽发生器传热管的腐蚀与防护.腐蚀与防护，2000(1)：15-37.

[2]John Douglas. Solutions for St eam Gener ator s. EPRIJournal,1995( 5,6) : 28-34.

[3]DL912-2005 超临界火力发电机组水汽质量标准.

[4]卢文跃,等.核电站设备可靠性管理体系的探索与运作.核动力工程，2005(12)：65-72.