三门核电电解海水制氯系统电解槽打火原因分析及处理

温益

【摘 要】文章针对三门核电厂电解海水制氯加药系统在使用过程中电解槽频繁发生打火故障，造成制氯系统不可用的问题，分析了引起打火的原因，并介绍了故障的处理方法，为处理此类故障积累了一定经验。

【关键词】电解槽;故障处理;打火

中图分类号： TF351 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）05-0014-004

0 引言

三门核电厂制氯系统共设有4组电解海水制取次氯酸钠装置，由青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司成套供货。制氯系统利用天然海水中的氯化钠，使海水发生电解反应产生次氯酸钠溶液，次氯酸钠溶液脱氢、储存，输送到循环水取水口处投加，抑制或杀死循环水中的海生物，防止冷却设备及循环水管道堵塞和腐蚀。

电解槽是制氯系统的关键设备，额定有效氯产量160kg/h，运行电压范围0～120V，运行电流范围0～7200A，海水流量34m3/h×3，流速0.6m/s，次氯酸钠出口浓度1600ppm。

1 电解槽组成及工作原理

1.1 电解海水工作原理

电解海水的工作原理是通过将整流变压器和整流器变压整流的直流电，施加到海水电解槽的阴阳极上，利用天然海水中含有的氯化钠成分，使海水发生电解反应产生次氯酸钠溶液[1]。

海水中的氯酸钠以离子状态存在，通过电解槽的海水，在电解槽内直流电场的作用下发生电解反应，在阳极生成氯气，在阴极生成氢氧化钠，氯气与氢氧化钠反应生成次氯酸钠，反应式如下。

1.2 电解槽组成

三门核电制氯系统共有4组共88个单独电解槽，每组2列，每列11个SC400A/1型电解槽，每组的2列22个电解槽在水路上分成3路并联（分别为7个、7个、8个电解槽）。电解槽直立放置，海水由下向上一次性高速流过，主要组成部件有电解槽盖、电解槽壳体、阳极网、阴极板、密封、隔离钉。

电解槽内的电极结构为单极式电极，12片阳极网与11片阴极板交错安装，用PVDF隔离钉保持2.5mm间距。同极性电极与电源并联连接，电极两面的极性相同，同一组电解槽在电路上通过导电母排串联连接，如图2所示。

电解槽阳极采用板网式钛涂贵金属氧化物涂层的DSA阳极，和板式阳极相比，增加了海水的湍流，提高了电流效率，阳极的有效活性面积大，产氯量高。但同时阳极不稳定性增加，振动加剧。

阴极采用哈氏合金，在海水和次氯酸钠溶液中比钛有更强的耐腐蚀性。

2 故障现象

自2018年7月1日至2018年12月27日，制氯系统4组电解槽共发生10次有记录的电解槽阳极网与阴极板打火现象，均发生在升电流操作时。虽然记录的10次电解槽打火事件均发生在电解槽启动期间，但在后续电解槽解体检查时发现其余电解槽也存在不同程度的阳极板烧融、阴阳极板变形等现象，因此合理推测在电解槽功率运行期间也有发生阴阳极板打火，只是未被运行人员发现记录。

3 原因分析

三门核电制氯系统2015年投运后运行电流为4000-5000A，海水流量20-30m3/h，后因制氯系统产氯量不满足系统设计要求（1500ppm），2018年2月提高运行电流至7000A，海水流量33-35m3/h。现场观察运行中的电解槽，槽内海水流速高气泡含量大，阴阳极板在水流作用下高频振动。

电解槽现场解体发现，阴阳极板表面结垢严重，阴阳极板变形（几乎每个电解槽内均有阴极板均有不同程度的变形现象，阳极板发生变形情况较少），但阳极板有局部烧融现象，阳极板涂层有大量不同程度的脱落现象，阴阳极板间隔离钉有缺失脱落现象。

打火（电击穿）的根本原因是极板之间局部产生了足够高的电场强度。结合故障现象和电解槽解体维修的检查结果，分析电解槽发生打火的原因为长期大电场力作用下的阴阳极板变形和酸洗隔离钉溶解脱落，在高速水流冲击作用下晃动的阳极板与阴极板短路打火。

3.1 阴阳极板变形

电解槽长期运行在一个较高的电流水平（7000A），电解槽入口水流为0.6m/s，大场强的不均匀电场力和高速水流的共同作用，导致阴阳极板发生不同程度的变形，尤其是阴极板变形较为严重（部分极板已变形成S形），极板间距减小。变形的阴阳极板在高速水流冲击下持续晃动，严重时发生极板间短路。

安装质量不过关也是导致阴阳极板变形的原因。电解槽底部部分钛垫片漏装导致极板侧倾，极板间距过近。阴极原材料成卷购买，裁剪压平后安装，在安装时未剔除不平的阴极板，导致部分阴极板在安装时即不合格。

3.2 隔离钉脱落

电解槽阴极和阳极用一排PVDF隔离钉保持2.5mm间距。隔离钉安装在阳极网最外侧位置，为热压成型，固定形式不可靠，且在酸洗條件下会溶解脱落。当仅有的一排隔离钉脱落，阳极网在水流作用下晃动加剧，阴阳极板2.5mm间距无法保障，严重时发生阴阳极板短路打火。

3.3 极板表面结垢

电解槽电解过程中，海水中的钙镁离子与电解液中氢氧根反应，产生钙镁垢，同时海水中原本存在的细小的泥沙等沉淀物附着在电极和极板表面，产生结垢现象。结垢主要发生在阴阳极板的出水口和极板两侧，即水流量较小的地方。经现场电解槽解体观察发现，极板间结垢多的部位与发生电打火多的部位一致。

极板表面结垢将导致极板的有效工作面积减少，电流效率下降，电解槽槽电压升高，平行电场发生畸变，极板所受的电场力不均匀，长期的不均匀受力导致极板变形，电极间距减小，严重时易于发生极间短路。

3.4 阳极板老化失活

阳极网会随运行时间增加而老化失活，每隔5年，需对电解槽的阳极进行更换，三门制氯系统自2015年投运已运行4年时间。钛涂贵金属氧化物涂层的DSA阳极电解功能实现依靠贵金属氧化物涂层，涂层一方面具有导电性使电解反应稳定发生[2]，另一方面具有一定的催化活性，能够提高电极的产氯量。随着海水的电解反应，涂层的催化活性会逐渐减弱，直至失去催化活性。另外涂层会在电解液中缓慢溶解，阳极产生的氧气与钛基体发生氧化反应在钛基板和涂层之间生成不导电的二氧化钛，涂层发生脱落，电极真实表面积减少，电场不均匀度变大，阳极寿命减少。

低温海水会加剧阳极失活。海水的电导率随温度的降低而降低，电导率降低会导致电流效率下降。因此，电解槽在低于10℃海水温度时，会引起电解槽运行槽电压较高，如果长时间低温运行，会破坏阳极网涂层，导致阳极寿命缩短。根据厂家的运行经验建议，当海水温度在10℃时，温度偏低，为防止阳极网涂层过度损耗消耗，建议降负荷运行，待海水温度升高到15℃以上，可以提高到满负荷运行。

泥沙含量高的高速水流加剧涂层脱落。电解槽进水的海水中含有大量过滤器和除砂器无法去除粒径极小的污泥，长期以较高的流速冲击阳极板涂层，导致阳极板涂层老化加剧，脱落严重，缩减了阳极板寿命。

酸洗也会对阳极板的表面涂层造成损伤脱落。

3.5 电解液气泡含量大

每组电解槽在水路上分成3路并联（分别为7个、7个、8个电解槽），示意图如图4。由电化学反应式可知，在电解槽内除生成次氯酸钠以外，同时也生成氢气。氢气随着水流在电解槽内向上流动，并流入水路的下一个电解槽，电解液中气液比例与水路流向不断增加。气体的加入会导致电解液电阻增大，电解液与极板接触面积减少，阴阳极板间电场发生畸变，且气体本身介电系数？着较小，气体的击穿场强更低，更容易在气泡处发生击穿。这一点与现场检查结果相吻合，即水路的后半段发生打火次数高于水路前半段。

4 处理措施

第一次打火故障发生后，结合厂家意见对发生打火的电解槽解体检查，更换了变形的阴阳极板，补足了阳极板最外侧脱落的隔离钉。处理完成后，电解槽打火故障在4列再次发生，后续又陆续采取了增加隔离钉数量，在电解槽底部增设分水器等处理措施。截至目前，针对三门电解槽打火故障已采取的处理措施如下：

1）更换变形的阴阳极板。对打火的电解槽组进行解体维修，因全部更换老化的阳极成本太大，故仅更换变形和老化严重的阴阳极板，共更换75块阴极板，72块阳极板。

2）增加阳极板隔离钉数量。增加最外侧阳极网靠近阴极板边缘的隔离钉数量并将整列隔离钉外移，同时在每层阳极板上分两列均匀安装15～20颗隔离钉，避免氢氧化钙等附着在隔离钉上造成结垢情况恶化。

3）电解槽底部增设分水器。故障前，仅每列电解槽的第一个进水口设有分水器。在第4组每一个电解槽的底部进水口增设分水器，使水流和气泡在电解槽内均匀分布，分散其对极板的冲击力，观察对极板变形改善。

4）优化海水低温时运行方式。为防止阳极网涂层过度损耗消耗，根据厂家建议，升版了运行规程，当海水温度在10℃至15℃时，制氯系统降负荷运行，运行电流约2000A。海水低于10℃时，制氯系统停止运行。

5）提高酸洗频度。针对污垢过多，将30天酸洗一次改为20天酸洗一次。增加巡检频率，通过槽盖板观察电解槽结垢情况，如果结垢较多，立刻酸洗。

6）电解槽启动时加强运行监控。电解槽启动时在每列的两端各安排一人观察电解槽打火现象，如有发生，立即停止升压，避免电解槽设备故障运行。

5 小结

综上所述，三门核电厂制氯系统电解槽发生打火的原因是制氯系统长期运行在高电流、大电场力作用下的阴阳极板变形和酸洗隔离钉溶解脱落，在高速水流冲击作用下晃动的阳极板与阴极板短路打火。因此解决打火问题的关键是提高制氯系统产量，更换老化的阳极，降低系统运行电流，降低电解槽海水流速。

电解槽制氯产量和运行电流正相关，如降低运行电流则制氯产量无法满足制氯系统要求，目前不具备降低电流运行的条件。而一次性更换老化的阳极经济成本太大，公司无法承受。因此采取以上措施处理电解槽打火故障，并不能从根本上解决电解槽打火问题，但为此类故障的消缺积累了丰富经验。

【参考文献】

[1]魏春芝.海水電解制氯电解槽盖板裂纹原因分析及防范[J].科技创新与应用，2018（35）.

[2]龙潇，李金铖，刘克成.浅析海滨电厂海水电解制氯技术[J].给水排水，2012（增刊）.