压水堆核电厂化学控制效能指标计算方法研究

张　裕，方　军，陈红雨，林根仙，吴义兵，刘灿帅，张锦浙

压水堆核电厂化学控制效能指标计算方法研究

张裕，方军，陈红雨，林根仙，吴义兵，刘灿帅，张锦浙*

（大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东 深圳 518124）

压水堆核电厂化学控制效能指标将一二回路关键水化学参数组合成单一的控制指标，实现了电厂化学控制有效性的直观反映和超标项的准确反映，为化学控制改进提供建议。目前，国内外陆续提出了CPI指标、CEI指标、IPC指标和中国压水堆核电厂化学控制效能指标。其中，CPI指标仅从一个维度，控制二回路杂质离子浓度、溶氧等关键的化学参数，未关注一回路水化学参数和杂质超标累积时间，存在季度隐藏和对标天花板等局限性。CEI指标和IPC指标，将控制范围扩展到一回路杂质离子浓度和源项等关键领域，从五个维度控制全厂化学指标；另外，CEI指标和IPC指标关注杂质离子的长时间累计效应，弥补了CPI指标的“季度隐藏效应”，突破了CPI指标的“对标天花板”，提高了对标结果的区分度。国内在充分借鉴CPI、CEI、IPC指标优点的基础上，结合我国核电机组特点提出了具有中国特色的化学控制效能指标。中国压水堆核电厂化学控制效能指标针对国内M310、CPR1000机组设计计算方法、参数类型及限值，从六个维度控制机组的水化学工况，关注在用水箱杂质，为国内压水堆核电厂的一、二回路系统化学控制提供依据与指导，为国产核电机组走出去提供技术支撑。

化学控制效能指标；化学参数；计算方式；对标

化学控制效能指标是在机组核功率超过一定水平情况下，将所选择化学参数（杂质和腐蚀产物含量）的测量平均值与各自的“限值”进行比较，各项比值的加权平均值即为指标数值，使用月度测量平均值计算得到“月度值”，季度测量平均值计算得到“季度值”，年度测量平均值计算得到“年度值”。该指标将一二回路关键水化学参数组合成单一的控制指标，实现了电厂化学控制有效性的直观反映、超标项的准确反映，为化学控制改进提供建议。

20世纪90年代，为了控制蒸汽发生器（SG）传热管二次侧发生的晶间腐蚀（IGA）和沿晶应力腐蚀开裂（IGSCC），国际上最早提出了化学控制效能指标（CPI）的概念，后续CPI指标对标和升版工作主要由世界核电运营者协会（WANO）开展。2005年，CPI指标升版至CPI-3，指标关注范围从SG水化学控制拓展到二回路水化学控制。

2006年，CPI指标关注范围进一步拓宽到一回路水化学运行控制，发展为全厂化学控制效能指标（CEI），用以全面评估核电厂一、二回路水化学工况。2011年，法国电力公司（EDF）在借鉴CPI和CEI指标的基础上，结合法国机组特点和化学控制规范，提出法国化学控制效能指标（IPC）。2017年1月，中广核（CGN）在充分借鉴国外化学效能指标的基础上，考虑国内机组（M310、CPR1000）的特点，提出了中国压水堆核电站化学控制效能指标（以下简称“中国压水堆化学指标”）[1]，目前已在国内部分核电机组实现月度对标，并于2018年8月完成一次中国压水堆化学指标升版。上述发展历程如图1所示。

图1　化学控制效能指标的发展历程

1　CPI指标计算方法

1.1　应用背景

CPI指标是最早在国际上提出的化学控制效能指标，目的是评估和控制SG传热管二次侧IGA和IGSCC。CPI指标涉及的水化学参数包括：SG排污水（SGBD）Na、Cl、SO4、阳电导，给水Fe、Cu，凝结水O2等参数。

1.2　计算方式

CPI指标计算方式与堆型、SG类型等有关，具体化学参数类型、限值和计算公式如表1所示。压水堆（PWR）机组使用I-600合金时，CPI指标计算涉及的水化学参数包括：SGBD Na、Cl、SO4，给水Fe、Cu。PWR机组使用I-800合金时，CPI指标计算涉及的水化学参数包括：SGBD阳电导、Na、Cl、SO4，给水Fe，凝汽器溶解O2。相比于使用I-600合金时，因I-800合金的二次侧应力腐蚀（ODSCC）抗性增大，杂质浓度限值明显提高，相应地增加SGBD阳电导参数，控制阴离子总含量。

表1　同堆型、不同类型SG的CPI指标参数限制及计算公式

注：上述计算公式中，［］为各参数测量值，（）为各参数限值。

CPI指标的数据统计有如下特点：当机组运行功率＞30%满功率时，水质参数参与计算；当某一项［］/（）＜1.00时，按1.00计算；每季度统计的结果取均值，计算CPI季度值，因此，季度值无法实时体现每月对标情况，延迟化学控制的反应速度，称之为“季度隐藏效应”；年度值按各季度运行功率＞30%满功率的天数进行时间加权，计算CPI年度值。

1.3　应用现状

国外PWR核电机组广泛使用CPI指标对标，图2为2015年国外部分PWR机组1年、1.5年、2年、3年的CPI对标结果，对比发现，不同时间周期的对标结果较为统一，大部分电厂对标1.00，只有少部分电厂的CPI＞1.00，不能准确反映机组水化学控制的待改进项。

图2　国外核电厂2015年CPI指标年度对标情况

韩国核电有限公司（KNHP）对外使用CPI对标，如表2所示，1999年和2000年对标结果超标现象较多，经过水化学控制调整之后，近几年（2017年和2018年）对标结果均处于最佳值。该对标结果说明，CPI对标能够在一定程度上促进水化学控制的调整优化，但优化效果有限，不能持续反映待改进项。

表2　韩国15台机组的CPI指标年度对标情况

续表

韩国199920002004200820162017 Kori 2 1.101.001.001.00 Kori 3 1.211.001.001.00 Kori 4 1.001.001.00 Shin-Kori 1 1.001.00 Shin-Kori 2 1.001.00 Shin-Wolsong 1 1.001.00 Shin-Wolsong 2 1.001.00

2　CEI指标计算方法

2.1　应用背景

鉴于CPI指标存在的不足，2006年，WANO提出了化学控制效能指标CEI。该指标全面评估和控制核电机组一、二回路水化学工况，一经提出便得到业内广泛认可，为核电运行水化学控制做出了巨大贡献。截至2016年，已经过CEI-2、CEI-R两次升版。

2.2　计算方式

CEI指标涉及一、二回路水化学参数，包括一回路冷却剂F、Cl、SO4、H2、Li、58Co、60Co，SG排污水Na、长期Na污染、Cl、SO4，给水Fe、Cu、O2等。该指标计算方式与堆型、SG类型等有关，相应的化学参数类型也存在差异。

针对PWR机组，CEI指标涉及5个维度，维度1：一回路冷却剂F、Cl、SO4，SG排污水Na、Cl、SO4，给水O2；维度2：给水Fe、Cu；维度3：一回路冷却剂H2、Li；维度4：SG排污水长期Na污染；维度5：一回路冷却剂58Co、60Co。由于维度5的计算结果没有显著的差异性，CEI指标升版到CEI-R后，指标中不再涉及维度5。

每个维度的具体化学参数限值如表3所示，对于维度1，从CEI-1向CEI-2升版后，各参数限值均有所下降，而继续向CEI-R升版后，一回路冷却剂Cl又从15.0 μg/kg回升到CEI-1的20.0 μg/kg；对于维度2，从CEI-1向CEI-2和CEI-R升版后，给水Fe限值从5.0 μg/kg降低到3.0 μg/kg，给水Cu限值从1.0 μg/kg降低到0.2 μg/kg。对于维度3，从CEI-1向CEI-2和CEI-R升版后，H2的下限值从25 ml/kg提高到了30 ml/kg；对于维度4，从CEI-1向CEI-2升版后，SGBD Na的限值从0.8 μg/kg降低到0.6 μg/kg，继续升版到CEI-R后，SGBD Na限值又重新回升到0.8 μg/kg；对于维度5，CEI-1放射性限值为0.005 μCi/mL，升版到CEI-2时，放射性限值降低到0.001 μCi/mL，继续升版到CEI-R后，因计算结果无明显差异，不再将维度5列入CEI指标计算。

每个维度的计算公式如下：

1） CEI-1维度1=∑{[]×i(1)/(168×1)+5([]>2)+10([]>3)}×3

2）CEI-1维度2=∑{[]×i(1)/(168×1)}×2

3） CEI-1维度3=∑{i（1）/24}×2

4） CEI-1维度4=∑{[]×i(1)/(168×1)}×2

5） CEI-1维度5=∑{[]/0.005}+CRE

6） CEI=7.5*CEI维度1+5*CEI维度2+5*CEI维度3+ 5*CEI维度4+2.5*CEI维度5

其中1、2、3分别为各参数值的1、2、3级限制；［］为各参数记录值，当实测值＜1时，［］=0，当实测值在1和2之间时，［］=实测值，当实测值＞2时，［］=2；i（1）为实测值超过1限值的时间。

表3　PWR机组CEI指标涉及的水化学参数及限值设置

相对于CPI指标，CEI指标具有显著的优势。CEI指标涉及一二回路水化学参数，可以实现全厂化学控制；使用月度对标弥补“季度隐藏效应”；考虑参数超标的时间效应；通过调整参数限值，打破对标天花板，将对标值控制在0～100之间，增加区分度。

2.3　应用现状

国外PWR核电机组在使用CPI指标的同时，逐渐开始CEI指标对标。图3为2015年国外部分PWR机组1年、1.5年、2年、3年的CEI-2对标结果，对比发现，不同时间周期的对标结果同样较为统一，大部分电厂CEI＞0，水化学控制有待提高，对标值基本分布在0～60，具有很好的区分度。

图3　国外部分PWR核电厂CEI指标2015年对标情况

南非KOEBERG电厂1号机组使用CEI指标的对标结果，如图 4 所示。月度值和年度值

图4　南非KOEBERG电厂CEI指标对标情况

均随时间逐渐降低，说明机组化学控制状况逐渐改善。但是月度值波动明显高于年度值，说明月度值具有更好的区分度，而年度值具有年度隐藏效应，湮没了短时间的指标波动。

从2010年开始，EDF在借鉴CEI指标制定规则的基础上，结合自身化学控制规范，提出针对法国核电厂的IPC指标[4,5]。IPC指标同样以0为指标最佳值，100为指标最差值，实行超标加分累积。该指标经历了IPC-1到IPC-2的升版过程，少量参数稍加改动，但并没有显著变化。

法国CAT1核电厂在2011年进行CPI指标对标，对标值基本接近对标天花板1.00，而针对相同监测数据也进行了IPC对标，如图5所示，IPC对标值在0～50之间均匀分布，具有很好的区分度，直观体现了IPC对标的优势。

图5　法国CAT1核电厂2011年IPC月对标结果

3　中国压水堆化学指标计算方法

3.1　应用背景

我国压水堆核电机组材料先进，水化学控制工艺各异，CPI、CEI、IPC指标已不能完全适应我国机组特点，由此获得的对标结果无法对机组水化学控制优化起到指导作用。

2017年1月，中广核在充分借鉴CPI、CEI和IPC指标的基础上，结合国内压水堆机组（M310、CPR1000）的运行工况，正式提出了适合国内PWR机组对标的中国压水堆化学指标，致力于优化国内PWR机组的水化学控制工艺。中国压水堆化学指标采用扣分统计，100分为最佳值，0分为最差值，6个维度计算得分为扣分项，超标越多，扣分越严重。

3.2　计算方式

中国压水堆化学指标主要涉及水化学控制的6个维度，维度1：一二回路溶解污染物，一回路冷却剂F、Cl、SO4，SG排污水Na、Cl、SO4，给水O2，控制腐蚀导致裂纹萌发和生长[9]；维度2：给水向SG的金属氧化物迁移，给水Fe，控制SG二次侧结垢，结垢下局部区域裂纹萌生；维度3：一回路锂氢控制，一回路冷却剂H2、Li，控制一回路边界氢致开裂、控制燃料棒表面结垢和腐蚀、影响源项剂量[10-12]；维度4：二回路长时间低浓度的钠污染，SG排污水低浓度Na，控制SG腐蚀累积效应，Na是杂质代表性参数。根据蒸汽发生器中的Na浓度高于1.5 μg/kg的累积时间，计算该领域，计算中所考虑的Na浓度被限制为维度1的1级限值3.0 μg/kg，避免与维度1重复计算；维度5：放射性腐蚀活化源项，一回路冷却剂58Co、60Co，控制辐射剂量；维度6：在用水箱杂质，除盐水储存箱O2、Na、Cl、SO4，控制补水过程向一二回路引入杂质，主要考虑各系统在用水箱。

中国压水堆化学指标是结合中国机组特征提出的，从6个维度按分配权重计算出一二回路化学控制效能扣分（0～100），最终得分100为最佳效果，0为最差效果，用以评估核电厂在一二回路核心化学参数控制成效。

每个维度的计算公式如下：

1）中国压水堆化学指标维度1=∑{[]×i(1)/(对标值×1)+5([]＞2）+10([]＞3）}

2）中国压水堆化学指标维度2=∑{[]×i(1)/(对标值×1)}

3）中国压水堆化学指标维度3=∑{i(1)/ 24+10([]＞1）}

4）中国压水堆化学指标维度4=∑{[]×i(1)/(24×1)}

5）中国压水堆化学指标维度5=∑{[]MAX+[]MIN}/{35×([Zn]MAX+[Zn]MIN）}

6）中国压水堆化学指标维度6=∑{[]×i(1)/(对标值×1)+2([]＞2）+4([]＞L3）}

7）中国压水堆化学指标=100-（6*维度1+1.5*维度2+3*维度3+3*维度4+1.25*维度5+1.25维度6）

其中，1、2、3分别为各参数值的1、2、3级限制；［］为各参数记录值，当实测值＜1时，［］=0，当实测值在1和2之间时，［］=实测值，当实测值＞2时，［］=2；i（1）为实测值超过1限值的时间；对标值为机组超出1限值后，允许运行的时间；［Zn］为溶解Zn含量，当［Zn］MAX和［Zn］MIN＜1 μg/kg时，［Zn］MAX=1，［Zn］MIN=1，当［Zn］MAX或［Zn］MIN＞1 μg/kg时，记录测量值。

3.3　国内外应用

从2018年开始，国内21台机组采用中国压水堆化学指标进行对标，年度对标情况如图 6所示。综合分析发现，各电厂水化学控制情况差异明显，其中19号机组的年度值扣分较多，很好地反映了新机组运行初期水化学控制存在的诸多问题。

图6　国内21台机组2018年度中国压水堆化学指标对标情况

表4为2018年国内21台机组的中国压水堆化学指标月度对标情况，236次对标结果中，有6次偏离，7次轻微偏离，其余223次接近最佳值。该对标结果可以直接追溯扣分项，有利于及时反馈、改进，这是中国压水堆化学指标应用的良好开端。

表4　2018年国内21台机组的中国压水堆化学指标月度对标情况

4　对比分析

4.1　CPI、CEI、IPC、中国压水堆化学指标优缺点对比

CPI指标将二回路杂质离子浓度、溶氧等关键的化学参数组合成单一的控制指标，实现了电厂运行化学控制有效性的直观反映；参数值≤限值时取限值，参数值＞限值时取测量值，从而避免了“对标合格项”对“超标项”的抵消作用；将技术层面要求转变为施加到电厂整体的压力和动力，有力的推进了相关控制措施在电厂运维和大修执行中的落实和持续改进，准确地反应超标项，为运行化学控制改进提供建议。同时，CPI指标也具有诸多局限性。例如，CPI指标只关注了SG二次侧水质控制，未评估一回路水化学控制和活化源项控制；未关注杂质浓度限值超出管理期望的累积时间，一些长时间、低浓度杂质污染被弱化或“隐藏至消失”；采取季度对标，将3个月的统计结果进行加权平均，存在“季度隐藏效应”；CPI指标涉及的几个化学参数低于限值时，对标结果记为1.00，即使继续优化控制，降低杂质浓度，也无法突破1.00的“对标天花板”，难以实现化学控制关键领域待改进项的持续进步。

相对于CPI指标，CEI指标和IPC指标将控制范围扩展到一回路杂质离子浓度和源项等关键领域，实现了全厂化学控制；关注杂质超标的累积时间，能够有效地体现杂质离子的长时间累计效应；采取月度对标，弥补了CPI指标的即“季度隐藏效应”；对标结果一般在0～100之间分布，突破了CPI的“对标天花板”，提高了对标结果的区分度。同时，CEI指标和IPC指标也存在一些局限性。首先，这两个指标没有考虑补给水水箱水质控制，未从源头上考虑控制各水化学参数；其次，因放射性核素指标归于CRE集体剂量指标，CEI-R版本不再包含放射性核素指标；第三，这两个指标针对国外机组堆型、材料提出，在我国直接应用具有一定局限性。

中国压水堆化学指标是在充分借鉴CPI、CEI、IPC指标优点的基础上，结合我国核电机组特点提出的，是具有中国特色的化学控制效能指标。中国压水堆化学指标针对国内M310、CPR1000机组设计计算方法、参数类型及限值，考虑补给水水箱水质控制，从源头上控制各水化学参数，能够更好地反映国内机组的水化学控制工况。

4.2　CPI、CEI、IPC、中国压水堆化学指标限值对比

表5针对各指标最新版本CEI-R、IPC-2、中国压水堆化学指标包含的化学参数类型和限值进行了对比，结果如下：

针对维度1中一回路冷却剂F、Cl、SO4，中国压水堆化学指标紧缩了各级限值，说明中国压水堆化学指标对一回路杂质含量的控制较为严格；但是中国压水堆化学指标将一回路冷却剂SO4的一级限值提高到100 μg/kg，这是充分考虑到目前国内大部分机组SO4超标的现状；一回路冷却剂SO4主要促进600合金发生SCC[13-15]，但国内机组SG传热管材料已不再使用600合金，取而代之的是690合金或800合金，所以可以适当放宽SO4的限值[16-18]，100 μg/kg限值是否合理需要进一步研究确定[19-21]；针对维度1中SG排污水Na、Cl、SO4和给水O2，中国压水堆化学指标同样紧缩了各级限值，说明中国压水堆化学指标对二回路杂质控制也较为严格。

针对维度2，中国压水堆化学指标只包含给水Fe，这是考虑到国内大部分核电机组二回路不再使用Cu合金[22-24]，且Fe测量值具有很好的腐蚀情况代表性；同样考虑到SG传热管材料耐蚀性的提高，中国压水堆化学指标放宽了给水Fe限值。

针对维度3中一回路冷却剂H2，相比于CEI-R指标和IPC-2指标，中国压水堆化学指标降低了H2下限值，这是借鉴了日本的研究结果，认为当氢浓度降低时，燃料包壳底部沉积物中的Ni金属含量减少，从而降低了辐射场。但是根据现有的经验，仍无法排除低氢环境带来的SCC风险[25,26]，有必要在低氢含量环境中验证690合金的SCC敏感性。

针对维度4，SG排污水长期Na污染的限值在CEI-R、IPC-2、中国压水堆化学指标中分别为0.8 μg/kg、1.0 μg/kg、1.5 μg/kg，中国压水堆化学指标增大了长期Na污染的限值，这是考虑到690合金的SCC敏感性降低，允许少量Na的长期存在。

针对维度5，CEI-R已不再考虑此维度参数，而IPC-2和中国压水堆化学指标测量的参数和限值相同，包括一回路冷却剂58Co、60Co，且总活度限值为35 MBq/t。

维度6在中国压水堆化学指标中首次提出，用于管控在用水箱杂质，包括除盐水储存箱O2、Na、Cl、SO4。

综上所述，中国压水堆化学指标结合了CEI指标和IPC指标的特点，从材料耐蚀性和机组控制现状出发，适当放宽了一回路SO4、给水Fe和SG排污水长期Na污染的限值，降低一二回路杂质离子浓度的限值。

表5　CEI-R、IPC-2、中国压水堆化学指标化学参数限值对比

续表

维度化学参数化学参数限值L1-L2-L3/（μg/kg） CEI-RIPC-2中国压水堆化学指标 维度2 给水腐蚀产物物迁移给水Fe＜3可溶＜3＜5 给水Cu＜0.2可溶＜3- 给水物-＜5- 维度3 一回路氢锂控制协调硼锂根据实际硼锂协调平衡 一回路冷却剂 H230＜H2＜50 ml/kg35＜H2＜45 ml/kg22＜H2＜40 ml/kg 维度4 二回路长期钠污染SG排污水长期Na污染＜0.8＜1.0＜1.5 维度5 放射性腐蚀活化源项一回路冷却剂58Co + 60Co-35 MBq/t35 MBq/t 维度6 在用水箱杂质除盐水储存箱O2--80-100-200 除盐水储存箱Na--2-5-10 除盐水储存箱Cl--2-5-10 除盐水储存箱SO4--2-5-10

5　结论

针对压水堆核电厂化学控制工况的评估与改进，国内外陆续提出了CPI指标、CEI指标、IPC指标和中国压水堆化学指标。其中，CPI指标是最早在国际上提出的化学控制效能指标，仅从一个维度控制二回路杂质离子浓度、溶氧等关键的化学参数，未关注一回路化学参数和杂质超标的累积时间，存在季度隐藏、对标天花板等局限性。

CEI指标和IPC指标，将控制范围扩展到一回路杂质离子浓度和源项等关键领域，从五个维度控制全厂化学指标；另外，CEI指标和IPC指标关注杂质离子的长时间累计效应，弥补了CPI指标的“季度隐藏效应”，突破了CPI指标的“对标天花板”，提高了对标结果的区分度。

国内在充分借鉴CPI、CEI、IPC指标优点的基础上，结合我国核电机组特点提出了具有中国特色的中国压水堆化学指标。中国压水堆化学指标针对国内M310、CPR1000机组设计计算方法、参数类型及限值，从六个维度控制机组的水化学工况，关注在用水箱杂质，为国内压水堆核电厂的一、二回路系统化学控制提供依据与指导，为国产核电机组走出去提供技术支撑。

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Review on Application of Pressurized Water Reactor Chemistry Effectiveness Indicator

ZHANG Yu，FANG Jun，CHEN Hongyu，LIN Genxian，WU Yibing，LIU Canshuai，ZHANG Jinzhe*

（Daya Bay Nuclear Power Operation and Management Co.，Ltd. Shenzhen of Guangdong Prov. 518124，China）

Chemistry effectiveness indicator combines the key hydrochemical parameters of primary and secondary circuits into a single control index，which realizes the intuitive reflection of chemical control effectiveness and the accurate reflection of over-standard items in power plants，and provides suggestions for chemical control improvement. CPI，CEI，IPC，Chinese index have been used gradually. CPI index controls the key chemical parameters such as impurity ion concentration and dissolved oxygen in the secondary circuit from a single dimension. It realizes the intuitive reflection of the effectiveness of chemical control in power plant operation. However，CPI indicators also have some limitations，such as not paying attention to the primary loop control，not paying attention to the cumulative time，hiding the quarter，and benchmarking the ceiling. On the basis of CPI index，CEI index and IPC index were put forward abroad，which extended the control range to key areas such as impurity ion concentration and source term in the primary circuit，and realized chemical control in the whole plant from five dimensions. Paying attention to the accumulation time of impurity exceeding the standard can effectively reflect the long-term accumulation effect of impurity ions. Monthly benchmarking has made up for the "quarterly hidden effect" of CPI indicators. The benchmarking results break through the "benchmarking ceiling" of CPI and improves the discrimination of benchmarking results. On the basis of fully drawing on the advantages of CPI，CEI and IPC indicators，and combining with the characteristics of nuclear power units in China，Chinese indicators with Chinese characteristics are put forward. According to the design calculation method，parameter types and limits of domestic M310 and CPR1000 units，chinese index can better reflect the hydrochemical control conditions of domestic units from six dimensions. It focus on chemistry of using tank，and it can provide basis and guidance for chemical control of primary and secondary loop systems of domestic PWR nuclear power plants，and provide technical support for domestic nuclear power units to go global.

Chemistry effectiveness indicator；Chemistry parameter；Calculation；Benchmarking

TL48

A

0258-0918（2021）05-0948-10

2021-01-11

张 裕（1977—），男，湖北鄂州人，学士，高级工程师，现主要从事核电化学方面研究

张锦浙，E-mail：zhangjinzhe@cgnpc.com.cn