AP1000核电机组二回路系统加药量计算

马现奇，许梧君，潘荣辉

(国核工程有限公司，上海 200233)

AP1000核电机组二回路系统加药量计算

马现奇，许梧君，潘荣辉

(国核工程有限公司，上海 200233)

以AP1000核电机组为例，在凝结水精处理系统(CPS)投运和未投运两种运行模式下进行二回路系统加药量的计算，得出机组运行时氨与联氨的理论添加量，为AP1000核电机组二回路加药系统的设计及配置提供依据和参考。

AP1000核电机组；氨；联氨；凝结水精处理系统

图1 二回路系统简化数学模型

0 引言

三代核电AP1000机组对二回路水质的控制比常规核电机组更加严格。AP1000核电机组二回路系统一般通过控制pH值和溶解氧含量来减少系统以及设备的腐蚀。AP1000核电机组二回路系统采用分别添加氨(NH3)和联氨(N2H4)的全挥发处理(AVT)方法来控制系统的pH值和溶解氧含量，以保持二回路系统水化学参数在适当的范围内，使蒸汽发生器(SG)在正常运行和停运保养过程中的腐蚀和固体物质的沉积减至最少[1]。

凝结水精处理系统(CPS)在机组启动、停运或凝汽器泄漏期间投入运行，机组运行正常水质稳定后CPS退出运行。AP1000核电机组在CPS投运时控制二回路系统的pH值≥9.3，CPS退出运行时控制二回路系统的pH值≥9.6[2]。本文针对CPS投运与未投运2种运行工况，对二回路系统NH3与N2H4的加药量进行计算，为AP1000核电机组二回路加药系统的设计与配置提供依据。

1 二回路系统基础参数

二回路系统热平衡图是进行二回路系统NH3与N2H4的加药量计算的基础，图1为某1 000 MW机组二回路系统简化热平衡图[3]，图中：qmVAC为抽气(VAC)流量；qmFW为主给水(FW)流量；qmSGBD为SG排污流量；qmCON为凝结水流量；qmLP为低压缸(LP)乏汽流量；qmHP为高压缸(HP)乏汽流量；qmMSR为汽水分离再热器(MSR)再热蒸汽流量；qmMSRE为MSR抽气流量；qmLPE为LP抽气流量；qmHPE为HP抽气流量；KNH3为NH3气液分配系数；KN2H4为N2H4气液分配系数。

2 NH3和N2H4的化学特性

2.1 气液分配系数的计算

根据美国电力研究协会(EPRI)的研究报告，不同温度下NH3与N2H4的气-液分配系数见表1[4]。

根据线性插入法，计算不同温度下SG，MSR和凝汽器(CON)的气液分配系数，计算结果见表2。

2.2 NH4+质量浓度与pH值的关系

NH3对pH值的影响远远大于N2H4，计算时可忽略N2H4对pH值的影响[5]。NH4+质量浓度与pH值的关系见表3。

表1 不同温度下NH3与N2H4的气液分配系数

表3 NH4+质量浓度与pH值的关系

表2 特定温度下NH3与N2H4在不同设备中的气液分配系数计算结果

3 二回路加药量的计算

3.1 CPS未投运时加药量的计算

当CPS未投运时，NH3与N2H4的消耗主要包括SG排污(SGBD)、SG中反应(SG-R)、CON内抽气损耗，下面以CPS未投运时二回路系统pH值控制在9.7为例进行计算。

3.1.1 SG中化学反应损耗

Δρ(NH3)SG-R=ρ(N2H4)FW×(0～0.5)×170/256 ，

(1)

Δρ(N2H4)SG-R=ρ(N2H4)FW×(0～0.5) ，

(2)

式中：170为NH3的增加量，g；256为N2H4的减少量，g；ρ(N2H4)FW为主给水中N2H4的质量浓度；Δρ(NH3)SG-R为NH3在SG中反应损耗量；Δρ(N2H4)SG-R为N2H4在SG中反应损耗量。

根据表3，二回路系统pH值控制在9.7时，ρ(NH3)FW=3.05 mg/L，ρ(N2H4)FW≈0.10 mg/L。根据式(1)，(2)可得：ρ(NH3)SG=3.050～3.083 mg/L，ρ(N2H4)SG=0.050～0.100 mg/L，Δρ(NH3)SG-R=0.000～0.033 mg/L，Δρ(N2H4)SG-R=0.000～-0.050 mg/L。

3.1.2 SG排污损耗

SG排污中NH3和N2H4的质量浓度与SG中NH3和N2H4的质量浓度存在以下关系

ρ(NH3)SGBD=ρ(NH3)SG/K(NH3)SG，

(3)

ρ(N2H4)SGBD=ρ(N2H4)SG/K(N2H4)SG，

(4)

式中：ρ(N2H4)SG为SG中N2H4的质量浓度；ρ(N2H4)SGBD为SG排污中N2H4的质量浓度；ρ(NH3)SG为SG中NH3的质量浓度；ρ(NH3)SGBD为SG排污中NH3的质量浓度；K(NH3)SG为NH3在SG中的气液分配系数，4.30；K(N2H4)SG为N2H4在SG中的气液分配系数，0.22。

根据式(3)，(4)可得：ρ(NH3)SGBD=0.709～0.717 mg/L，ρ(N2H4)SGBD=0.227～ 0.455 mg/L。

3.1.3 CON抽气损耗

NH3和N2H4在CON和MSR中的质量浓度存在如下关系

qmMSR·ρMSR=qmHP·ρHP-qmMSRE·ρMSRE，

(5)

ρHP=ρSG，ρLP=ρMSR，ρMSRE=ρMSR/KMSR，

(6)

ρ(NH3)VAC=ρ(NH3)LP·KCON=ρ(NH3)MSR·KCON，

(7)

ρ(N2H4)VAC=ρ(N2H4)LP·KCON=ρ(N2H4)MSR·KCON，

(8)

式中：ρMSR为MSR中的质量浓度；ρHP为HP中的质量浓度；ρSG为SG中的质量浓度；ρLP为LP中的质量浓度；ρMSRE为MSR抽气中的质量浓度；KMSR为MSR中的气液分配系数；KCON为CON中的气液分配系数；ρ(NH3)VAC为CON抽气系统中NH3的质量浓度；ρ(N2H4)VAC为CON抽气系统中N2H4的质量浓度。

根据式(5)～(8)可得：ρ(NH3)MSR=ρ(NH3)LP=3.430～3.467 mg/L，ρ(N2H4)MSR=ρ(N2H4)LP=0.022～0.044 mg/L；ρ(NH3)VAC=61.459～62.122 mg/L，ρ(N2H4)VAC=0.000 42～0.000 84 mg/L。

3.1.4 平衡计算

在CPS未投运时，二回路加药系统中NH3所需的总添加量qVNH3(w(NH3)=2%)由3部分组成：NH3在SG化学反应中的增加量、蒸汽发生器排污与凝汽器抽气所消耗的量。N2H4所需的总添加量qVN2H4(w(N2H4)=2%)也由3部分组成：N2H4在SG中因发生化学反应所消耗的量、蒸汽发生器排污与凝汽器抽气所消耗的量。

qVNH3= -Δρ(NH3)SG-R·qmFW+ρ(NH3)SGBD·qmSGBD+

ρ(NH3)VAC·qmVAC=-9.640～1.644 (L/h) ，

qVN2H4= Δρ(N2H4)SG-R·qmFW+ρ(N2H4)SGBD·

qmSGBD+ρ(N2H4)VAC·qmVAC=0.478～

18.083 (L/h)。

3.2 CPS投运时加药量的计算

当CPS投运时，NH3与N2H4的消耗主要包括SG排污、SG中反应、凝汽器内抽气损耗及CPS消耗，下面以CPS投运时二回路系统pH值控制在9.4为例进行计算。

3.2.1 SG中化学反应损耗

根据表3，二回路系统pH值控制在9.4时，ρ(NH3)FW=1.05 mg/L，ρ(N2H4)FW≈0.10 mg/L。根据式(1)，(2)可得：ρ(N2H4)SG=0.050～0.100 mg/L，ρ(NH3)SG=1.050～1.083 mg/L；Δρ(NH3)SG-R=0.000～0.033 mg/L，Δρ(N2H4)SG-R=0.000～-0.050 mg/L。

3.2.2 SG中排污损耗

根据式(3)，(4)可得：ρ(NH3)SGBD=0.244～0.252 mg/L，ρ(N2H4)SGBD=0.227～0.455 mg/L。

3.2.3 凝汽器抽气损耗

根据式(5)～(8)可得：ρ(NH3)MSR=ρ(NH3)LP=1.181～1.218 mg/L，ρ(N2H4)MSR=ρ(N2H4)LP=0.022～0.044 mg/L；ρ(NH3)VAC=21.161～21.824 mg/L，ρ(N2H4)VAC=0.000 42～ 0.000 84 mg/L。

3.2.4 CPS消耗

NH3和N2H4在凝结水、抽气系统、凝汽器中的质量浓度存在如下关系

ρ(NH3)CON= (ρ(NH3)LP·qmLP-ρ(NH3)VAC·qmVAC)/

qmCON，

(9)

ρ(N2H4)CON= (ρ(N2H4)LP·qmLP-ρ(N2H4)VAC·qmVAC)/

qmCON，

(10)

式中：ρ(NH3)CON为凝结水中NH3的质量浓度；ρ(NH3)LP为低压缸乏汽中NH3的质量浓度；ρ(NH3)VAC为凝汽器抽气中NH3的质量浓度；ρ(N2H4)CON为凝结水中N2H4的质量浓度；ρ(N2H4)LP为低压缸乏汽中N2H4的质量浓度；ρ(N2H4)VAC为凝汽器抽气中N2H4的质量浓度。

根据式(9)，(10)可得：ρ(NH3)CON=1.166～1.203 mg/L，ρ(N2H4)CON=0.022～0.043 mg/L。

3.2.5 平衡计算

在CPS投运时，二回路加药系统中NH3所需的添加量qVNH3由4部分组成：NH3在SG化学反应中的增加量，蒸汽发生器排污、凝汽器抽气与CPS所消耗的量。N2H4所需的添加量qVN2H4也由4部分组成：N2H4在SG中因发生化学反应所消耗的量，蒸汽发生器排污、凝汽器抽气与CPS所消耗的量

qVNH3=-Δρ(NH3)SG-R·qmFW+ρ(NH3)CON·qmCON+ρ(NH3)SGBD·qmSGBD+ρ(NH3)VAC·qmVAC=235.897～239.596 (L/h) ，

qVN2H4=Δρ(N2H4)SG-R·qmFW+ρ(N2H4)CON·qmCON+ρ(N2H4)SGBD·qmSGBD+ρ(N2H4)VAC·qmVAC=5.024～26.471 (L/h)。

根据以上计算结果，在CPS投运与未投运的2种运行模式情况下，二回路加药量的计算结果见表4。从表4可以看出：在CPS未投运时，仅添加N2H4或添加少量NH3即可维持二回路系统中较高的pH值；而在CPS投运时需添加较大量的NH3才能维持二回路系统较高的pH值，这与实际运行情况符合。

表4 CPS投运与未投运模式下加药量计算结果 L/h

4 结束语

在AP1000核电机组二回路CPS投运与未投运2种运行模式下，通过计算NH3与N2H4的理论添加量，为AP1000核电机组二回路加药系统的设计及配置提供了依据，也可为其他核电机组二回路加药系统的设计提供参考。

[1]刘涛，周丽霞，高立新，等.核电站二回路系统水化学控制[C]//中国石油和化工勘察设计协会热工专委会.全国化工热工设计技术中心站2012年年会论文集，2012.

[2]慕晓炜，郑敏聪，李建华.凝结水精处理混床运行控制指标分析与确定[J].热力发电,2013，42(10)：134-136.

[3]邓德兵，赵清森，陈伟，等.核电站汽轮机运行性能监测与诊断[J].动力工程学报,2011，31(8)：585-589.

[4]EPRI.Pressurized water reactor secondary water chemistry guidelines[R].Palo Alto：EPRI，2004.

[5]胡蓉.三门核电一期工程二回路pH控制方案研究[J].中国高新技术企业，2015(13)：15-17.

(本文责编：刘芳)

2017-05-19；

2017-07-18

TM 623.99

A

1674-1951(2017)08-0021-03

马现奇(1986—)，男，山东潍坊人，工程师，工学硕士，从事核电水化学系统的调试工作。

许梧君(1993—)，女，福建漳州人，工程师，从事核电水化学系统的调试工作(E-mail:xuwujun@snpec.com.cn)。

潘荣辉(1976—)，男，山西运城人，工程师，从事核电站水处理化学系统的调试工作。