重水堆核电厂运营管理分析

张宏伟，甘　燕

（中核核电运行管理电有限公司，浙江 海盐 314300）

重水堆核电厂运营管理分析

张宏伟，甘燕

（中核核电运行管理电有限公司，浙江 海盐 314300）

重水管理是重水堆核电厂特有的一项技术管理工作。电厂从调试到运行初期，秦山三厂的重水管理以对重水流动情况的控制为重点，突出日常工作中的跟踪和监管，并保证一定的风险承受能力。为进一步提升重水管理水平，秦山三厂建立了以降低重水损耗为主要目标的重水管理模式，历经多年的努力，除实现了重水管理的程序化和规范化外，重水损耗也大大降低，降低到了电厂运行初期的1/4，设计值的1/8，达到世界重水堆核电厂的先进水平，产生了巨大的经济效益、环境效益和社会效益。文章结合秦山三厂重水品质提升已经取得的实际成效，通过对重水浓度、反应性、平均卸料燃耗的计算，分析得出提升慢化剂重水品质可以节省大量的燃料费用。文章以多年的实践总结、理论计算为基础，对慢化剂重水升级塔提纯存在的问题及解决方式做了详细的分析，对于影响冷却剂浓度的相关因素也做了初步探讨，展望了今后秦山三厂重水管理工作的重点及改进方向。

重水管理；现状；重水品质；提纯；展望

1　重水损耗概况及未来潜力分析

秦山三厂每台机组年设计重水回收效率为2/3，通过加强对重水的有效监管，对反应堆厂房重水蒸汽回收区域和反应堆厂房通风区域之间没有密封的电缆套管和贯穿件的封堵、对重水蒸汽回收系统和反应堆厂房通风系统的风量平衡、对重水蒸汽回收系统干燥剂的更换、优化调整重水蒸汽回收系统干燥器的吸附时间和再生结束温度、降低反应堆厂房的空气湿度等方式，使重水回收效率逐年升高［1］。2008年后2台机组的平均回收效率达到87%，达到世界先进CANDU电厂的水平，2003—2013年度秦山三厂重水回收效率如图1所示。

目前，秦山三厂的重水损耗不到设计值的15%，只有电厂运行初期的1/4，为此每年为公司节省近千万元的资金，产生了良好的经济效益；氚的排放低于电厂允许值的10%，产生了巨大的环境效益和社会效益。秦山三厂在获得这样低的重水损耗的基础上，要进一步降低重水损耗的空间已经很有限，此时，只有及时调整重水管理工作的方向，才能取得更大的经济和社会效益。

2　重水浓度变化对燃料费用、燃耗影响及升级分析

2.1秦山三厂重水浓度变化情况

当前世界重水堆电厂冷却剂重水浓度（质量分数）一般为（98.95±0.28）%，慢化剂系统重水浓度一般为（99.90±0.04）%。目前，秦山三厂冷却剂重水浓度和慢化剂重水浓度（质量分数）分别保持在99.04%、99.86%。与其他CANDU电厂相比，秦山三厂慢化剂重水浓度处于较低水平，存在一定的提升空间。

秦山三厂的技术规格书中对重水浓度的规定为：慢化剂系统重水浓度需比冷却剂系统的重水浓度高0.61%（原子分数）［0.55%（质量分数）］，冷却剂系统重水浓度不得低于98.5%（原子分数）［98.62%（质量分数）］。因此，秦山三厂的慢化剂重水浓度提升不会违反技术规格书的相关规定。

秦山三厂2台机组2003—2013年慢化剂重水浓度变化趋势如图2所示。

2.2秦山三厂慢化剂重水浓度提升节省的燃料费用

图1　2003—2013年秦山三厂2台机组重水回收效率变化曲线Fig.1　D2O recycling efficiency curve for the two units of TQNPP from 2003—2013

慢化剂重水浓度升级，获得的经济效益主要来源于燃料节省。通过计算重水浓度、反应性、平均卸料燃耗之间的关系：慢化剂浓度提高0.01%可向堆芯引入0.34 mk的反应性，增加约40 MW·d/ t（U）的平均卸料燃耗、节省约0.5%的燃料费用。以目前的99.89%（质量分数）［99.88%（原子分数）］对应的卸料燃耗为标准，慢化剂系统重水浓度分别升级到99.919%（质量分数）［99.91%（原子分数）］或99.946% （质量分数）［99.94%（原子分数）］时，预计2台机组在电厂整个寿期内节省的新燃料费用1.7亿元至3.5亿元人民币。详细见表1［2］。

国外BRUCE电厂慢化剂重水浓度提升所节省的燃料费用与我们基本相当。BRUCE电厂慢化剂重水浓度与燃耗的关系曲线如图3［3］所示。

图2　秦山三厂2台机组2003—2013年慢化剂重水浓度变化趋势Fig.2　 Trend of moderator D2O concentration change for the two units of TQNPP from 2003—2013

表1　2台机组在电厂整个寿期内节省的新燃料费用Table1　 The save of new fuel costs for the two units during the whole life cycle

图3　BRUCE电厂慢化剂重水浓度与燃耗的关系曲线Fig.3　 The relation between moderator D2O concentration and burnup for BRUCE power plant

2.3慢化剂重水升级塔可用于实施在线升级的能力分析

慢化剂重水升级塔可用于实施在线升级的能力受以下几个因素影响。

（1）慢化剂重水升级塔进料速率

慢化剂重水升级塔浓度和进料速率对应表如表2所示。

正常情况下，慢化剂重水升级塔处理的降级重水的进料浓度（质量分数）在10%～30%之间，进料率维持在16 kg/h左右。电厂每年自身产生的慢化剂降级重水的量约为60 t。因此，要升级掉电厂每年自身产生的60 t降级重水，慢化剂重水升级塔每年需要投运的时间为5个月。

（2）重水升级的源水水质

表2　慢化剂重水升级塔浓度和进料速率对应表Table2　 The relationship between moderator D2O concentration and fuel feeding rate

秦山三厂的重水净化系统没有紫外线除有机物装置（大部分的CANDU电厂都增设了该装置，当前公司正通过变更来增加紫外线除有机物装置），仅靠一个活性炭过滤器和三个树脂床来对现场收集到的各类降级重水进行净化处理，这导致其去除有机物的能力很差，很难达到设计要求的有机物含量在3.0×10-6以下的要求。有机物含量高的降级重水传输到重水升级塔后，高温分解产生有机酸腐蚀氧化铜填料，导致重水升级塔分水盘频繁出现堵塞现象，严重影响到重水升级塔的升级能力，每1—2年就需要对重水升级塔进行一次冲洗和分水盘清理，每清理一次就需要停运重水升级塔3个月左右的时间，影响到慢化剂重水升级塔的可用时间，这一因素导致重水升级塔平均每年有1.5个月不可用。

（3）机组和升级塔本身检修对重水升级塔运行的影响

机组大修期间进行的电气母线检修活动会导致重水升级塔部分设备失电，同时，每年还需要对重水升级塔进行相关的预防性和缺陷性维修活动，这导致重水升级塔每年有半个月左右的时间不可用。

综合以上原因，按照保守估算，目前慢化剂重水升级塔每年能够用于对慢化剂重水进行在线升级的时间约为5个月。

2.4慢化剂重水浓度提升所需要时间分析

秦山三厂每台机组的慢化剂系统重水装量约260 t，2台机组共约520 t，2台机组共用一个慢化剂重水升级塔。

主慢化剂重水进行在线升级的方式是：从重水供应系统向主慢化剂系统补水，使其液位达到8 000 mm，然后从主慢化剂向慢化剂重水升级塔传水至慢化剂液位到7 850 mm，之后再从重水供应系统向主慢化剂系统补水，如此反复。每传输一次，慢化剂液位从8 000 mm到7 850 mm对应的重水量约为750 kg。慢化剂重水升级塔进料箱的有效容积为1.5 t，这样，每进行一次在线升级，需要从重水供应系统向主慢化剂系统传输重水两次，从主慢化剂系统向重水升级塔也传输重水两次，两次总计传输重水1.5 t。

按照上面的传输和升级方式，将一台机组260 t慢化剂重水的浓度由99.86%（质量分数）升级到99.92%（质量分数），按照升级塔进料速率26 kg/h来计算，则需要的时间为8 480 h。同样，将一台机组慢化剂重水的浓度由99.86%（质量分数）升级到99.95%（质量分数）需要的时间为19 442 h。

这样，按照每年可用于对慢化剂重水进行升级的时间为5个月来计算，则将一台机组260 t慢化剂重水的浓度由99.86%（质量分数）升级到99.92%需要的总年数为：

式中：8 480——升级所需要花费的总小时数；

5——慢化剂重水升级塔每年有5个月的时间可用于慢化剂重水在线升级；

30——每个月30 d；

24——每天24 h。

两台机组需要的总年数为：2×2.35=4.7年。

同样，将一台机组260 t慢化剂重水的浓度（质量分数）由99.86%升级到99.95%需要的总年数为：19442/（5×30×24）=5.4年。

两台机组需要的总年数为：2×5.4=10.8年。

保守地，按照慢化剂重水每年0.001%的自然降级幅度，则经过估算，将2台机组520 t慢化剂重水的浓度（质量分数）由99.86%升级到99.92%需要5.5年（对应的小时数为19 800 h），升级到99.95%则需要13.2年（对应的小时数为47 400 h）。

2.5慢化剂重水在线升级可估算成本测算

2.5.1慢化剂重水在线升级设备和能耗成本估算

（1）电力成本

慢化剂重水升级塔连续运行的电力设备的总功率为15.35 kW，每天运行需要消耗的总电量为15.35×24=368.64kW·h。间歇性运行的电力设备总功率为12.04 kW，按照所运行的时间计算，每天需要消耗的总电量为18.4kW·h。按照秦山三厂上网电价0.47元/kW·h来计算，则慢化剂重水升级塔每运行一天所消耗的电力成本约为：

（368.64+18.4）×0.47=181.9元。

（2）蒸汽成本

慢化剂重水升级塔所使用的蒸汽来自气轮机高压缸抽气，每小时消耗的蒸汽量约为1 000 kg。这部分蒸汽若用于发电，则每小时产生的电量约为60 kW。同样，按照秦山三厂上网电价0.47元/kW·h来计算，则慢化剂重水升级塔每运行一天所消耗的蒸汽成本为：60×24×0.47=676.8元。

（3）其他成本

升级过程中会产生一定量的重水损耗（顶部产物排放的重水浓度（质量分数）为0.1%，排放的过程中产生一定的重水损耗），重水取样化学分析也需要一定的成本（化学分析所使用的试剂、人力等），同时，考虑到备件更换、检修等因素，则重水升级塔每运行一天所需要花费的其他成本约为550元。

综合以上分析，则慢化剂重水升级塔每运行一天的设备和能耗总成本约为：

181.9+676.8+550=1 408.7元。

这样，将2台机组520 t慢化剂重水的浓度（质量分数）由99.86 %升级到99.92 %所需要的设备和能耗总成本为：

式中：19 800——慢化剂重水在线升级所需花费的总小时数；

1 408.7——慢化剂重水在线升级每天所需要的设备和能耗总成本；

24——每天24 h。

同样，升级到99.95%所需要的设备和能耗的总成本为277万元。

2.5.2慢化剂重水在线升级所需人力及成本估算

（1）慢化剂重水在线升级所需人力估算

慢化剂重水在线升级的主要流程如下：主慢化剂系统→重水升级塔→重水供应系统→主慢化剂系统。

正常运行期间慢化剂的液位维持在7 900～8 000 mm，7 700 mm将会产生低液位报警，液位达到7 550 mm将会触发阶跃降功率。因此，向外传输慢化剂重水时传输速率不能过快，要求每小时可以向重水升级塔传输的重水量约为1.5 t。传输到重水升级塔的重水升级合格后，需要对其进行取样，然后再传输到重水供应系统并对接收的箱体进行取样。同样，为防止传水对慢化剂液位产生大的扰动，避免对2号停堆系统产生影响，从重水供应系统向主慢化剂系统传输重水的速率也不能过快，根据现场的实际情况，每从重水供应系统向主慢化剂系统传输一次重水需要花费2 h左右。这样，由于受慢化剂重水传输速率限制，同时为防止人员交叉作业出现误操作，避免对运行电厂产生影响，在进行慢化剂重水在线升级时，需要6名人员（考虑了2号机组重水升级时需要配合的2人）负责慢化剂在线升级工作，1名监视慢化剂液位的人员。

（2）慢化剂重水在线升级人力成本估算

进行慢化剂重水在线升级需要的总人力为7人。将两台机组520 t慢化剂重水的浓度（质量分数）由99.86 %升级到99.92 %和99.95 %所需要的总人·年为：7×40=280人·年

式中：7——升级所需要的人力；

40——人均为电站工作40年。

按照公司每年在每一雇员身上花费人民币14万元来计算，则人力总成本为：14×280=3 920万元。

（3）慢化剂重水在线升级总成本

将两台机组520 t慢化剂重水的浓度（质量分数）由99.86%升级到99.92%所需要的总成本如表3所示。

将2台机组520 t慢化剂重水的浓度（质量分数）由99.86%升级到99.95%所需要的总成本如表4所示。

表3　慢化剂重水浓度（质量分数）由99.86%升级到99.92%所需要的总成本Table3　The total cost for moderator D2O upgrading from 99.86% to 99.92%

表4　慢化剂重水浓度（质量分数）由99.86%升级到99.95%所需要的总成本Table4　The total cost for moderator D2O upgrading from 99.86% to 99.95%

2.6升级慢化剂重水浓度预计可节省的燃料费用

电站设计寿期按40年计算，扣除升级时间和升级成本，将慢化剂重水浓度（质量分数）分别升级到99.92%和99.95%情况下，不同燃料棒束价格时预计可节省的燃料费用如图4所示。

从图4可以看出，提升慢化剂重水浓度虽然需要花费很长时间，但会产生较大的经济效益。

2.7冷却剂重水浓度变化与原因分析

目前，秦山三厂的冷却剂重水浓度（质量分数）为99.04%，在重水堆电厂中还处于相对较高的水平。虽然冷却剂对燃耗的影响远小于慢化剂，但从图5中可以看出，冷却剂重水浓度也在逐年缓慢下降，因此应采取有效措施来控制冷却剂重水的降级速率。

经过多年的跟踪和分析，同时参考其他CANDU电厂的运行实践，最终确定引起冷却剂系统重水降级的主要贡献来自装换料系统。为此采取了以下行动：

重新调查、评估装卸料机本身在试验完成后，通过各种排水和吹扫后，内部残余轻水的量；在此基础上采取有效的排水手段以尽可能降低试验完成后装卸料机中残余轻水的量。

优化装卸料系统的运行方式，避免装卸料机在检修完成后其内部的轻水直接进入主热传输系统主回路中。

图4　不同燃料棒束价格预计可节省的燃料费Fig.4　The predicted fuel cost savings with different fuel prices

图5　秦山三厂2台机组2005-2013年冷却剂重水浓度变化趋势Fig.5　Trend of coolant D2O concentration change for the two units of TQNPP from 2005—2013

3　重水浓度的变化及影响评价

3.1慢化剂重水浓度变化评估

将现在的慢化剂重水浓度（质量分数）提升到99.94%，则每年降低燃耗达到千万元左右，从节能减耗上讲是必要的。

由于电厂每年产生的慢化剂降级重水的量较小，慢化剂重水升级塔只需要运行5个月左右的时间就能够将这些降级重水升级完成，慢化剂重水升级塔每年至少能够腾出5个月以上的时间来对慢化剂重水进行升级，因此，提升慢化剂重水的浓度存在可行性。但通过上面的分析可以看出，需要投入很大的人力且需要花费相当长的时间。

3.2冷却剂重水浓度变化评估

根据化学评估，每个装卸料机完成约700个左右燃料通道的换料任务后进行一次推杆的检修，即装卸料机系统每年每个机组将会各有2次推杆检修活动。在装卸料机每次完成检修后，允许存在的轻水的总量不能超过12.5 L。但实际的情况是，装卸料机系统每年每个机组进行的推杆检修活动超过2次，并且每次检修完成使用轻水进行试验后，残留在机头内的轻水量超过12.5 kg。由于装换料系统是一个“黑匣子”，残留在内部的轻水量很难控制，因此，需优化装卸料系统的运行方式，尽可能降低试验完成后装卸料机中残余轻水的量。

4　秦山三厂重水管理展望

通过以上分析可以看出，未来秦山三厂重水管理的重点应该向以下方面进行转移：

1）提升慢化剂重水浓度，提高重水升级塔的升级效率，这样才能保证降级重水能够尽快地被升级；

2）控制冷却剂重水的降级速率，采取强有力的措施来减少轻水进入冷却剂的量，特别是装卸料系统的泄漏问题；

3）继续进行重水降耗的工作，在保证回收效率的情况下，尽可能地减少重水溢出总量；

4）积极与世界先进CANDU电厂进行交流和合作，获取先进的重水管理和重水降耗的经验，从而为进一步降低重水损耗获得借鉴经验。

5　结束语

重水管理是一项系统性和长期性的工作，在机组运行的不同阶段，重水管理应该有不同的侧重点，对不同时期重水管理的重点进行准确定位具有重要意义。秦山三厂作为国内唯一一座重水堆核电厂且运行时间不长，在重水管理方面尚存在很多提升的地方。秦山三厂需要积极与世界先进CANDU电厂进行交流和合作，与世界先进重水堆核电厂进行对标管理，了解别人重水管理的方向，以获取先进的重水管理、重水降耗、重水提纯的经验，为电厂的安全稳定运行作出新的更大的贡献。

［1］ 熊小红，邹正宇. 重水堆降低重水损耗的成功探索与实践［J］.中国核工业，2010，6：6-13.（XIONG Xiao-hong， ZOU Zheng-yu. Discussion and Practice on Successful Reduction of Heavy Water Consumption in HWR［J］.China Nuclear Industry，2010，6：6-13.）

［2］ CANDU Stations Heavy Water（D2O） Report，Cog，2011.7

［3］ 98-37000-ITR-08-068，提高慢化剂重水纯度以提高卸料燃耗可行性分析，秦山三厂.（98-37000-ITR-08-068， Feasibility Analysis for Improving the Purity of Heavy Water Moderator to Increase the Discharge Burnup. Third Qinshan Nuclear Power Plant.）

Analysis for HWR NPP Operation Management of Qinshan III

ZHANG Hong-wei，GAN Yan
（CNNP Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.，Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China）

Heavy water （D2O） management is a special and unique technology of CANDU nuclear power plant. From commissioning to preliminary operation，major work of D2O management in Qinshan III was D2O transfer， surveillance and to guarantee a certain extent of risk. D2O management was focused on reducing D2O loss and D2O regular management. Through years of hard work， D2O loss has deeply decreased to 1/4 level of the plant preliminary operation which is the 1/8 of the plant design value. D2O management has already reached an advanced level of world CANDU nuclear power plants， saved a lot of money， and has achieved impressive success on its social， environmental and economical profitability. Combined with the actual result improving the D2O quality， through calculating of the heavy water concentration，reactivity， the average discharge burnup， we know that the plant can save a lot of fuel cost by improving the quality of D2O. Through years of practice summary and theoretical calculations，this article carried out a detailed analysis on the problem and solution of the moderator D2O upgrading， and a preliminary study on the factors which influence the concentration of the coolant D2O， prospect on the D2O management in Qinshan Ⅲ.

heavy water management； status； heavy water quality； purification； prospect

TL423 Article character：A Article ID：1674-1617（2015）04-0356-08

TL423

A

1674-1617（2015）04-0356-08

2015-07-07

张宏伟（1979—），男，高级工程师，从事核岛系统变更和系统监督工作。