VVER机组一回路加氨量化控制方法的研究

胡 海，王 磊，王宇宙

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

VVER机组一回路加氨量化控制方法的研究

胡 海，王 磊，王宇宙

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

通过对一回路净化和除气流程的深入研究，针对一回路中各主要物质及产物的相互关系，经过物料衡算，总结出不同工况下一回路连续加氨的量化控制方法，降低了功率运行时因加氨量不平衡导致的溶氢、总碱金属（钾、钠、锂的物质的量的总和）等一回路水化学控制指标偏离的风险，优化了一回路水化学工况，为今后的工作提供了理论指导。

氨；氢；总碱金属；物料衡算；量化控制

田湾核电站1、2号机组采用的是俄罗斯VVER-1000机型，一回路中的氢气是通过氨辐照分解产生的，同时，以KOH作为pH控制剂。这种运行方式需在机组启动初期对一回路净化系统进行氨钾饱和，使树脂床中的阳树脂转换为NH4+-K+型。在功率运行时通过向上充水中加入氨水，维持一回路的氢浓度，并控制树脂床对碱金属的排代和吸收，使总碱金属保持在图1中A区，与一回路冷却剂最佳pH范围相吻合[1]。

图1 一回路硼酸-总碱协调曲线图Fig.1 Total molar concentration of alkaline metal ions (potassium, sodium and lithium) in the primary coolant depending on current concentration of boric acid

之前在对一回路加氨时，是根据俄罗斯机组经验，采取非连续加氨的方式。这就造成了一回路冷却剂中氨浓度变化较大，总碱金属也随之波动，当机组运行至中后期，随着硼酸—总碱区间越来越窄，特别当遇到功率或工况变化时，容易出现偏离。若偏离时间累积过长，可致使机组状态回退，直至停机。因此，加氨量的控制对一回路水化学工况极其重要。

根据1、2号机组的运行经验，从第四轮燃料循环开始采用连续加氨的方式，并对加氨量进行量化控制。

1 一回路净化和除气流程简介[2]

在机组功率运行期间，要对一回路进行净化和除气（见图2），使水质满足运行要求。

图2 一回路净化和除气流程图Fig.2 Flow chart of purification and deaeration in the primary coolant

1.1 一回路净化系统（KBE）

一回路净化系统由两个净化系列KBE10和KBE50并联组成。其中，KBE10是由一个阳床（KBE10AT001）和一个阴床（KBE10AT002)串联，KBE50是一个混床（KBE50AT001）。主要功能是去除一回路中以阴、阳离子形式存在的溶解物（氯、碘、钼、钌、锶、铯等），以及以悬浮状态存在的放射性腐蚀产物。一回路冷却剂经KBE净化后，大部分与KBA上充水汇合直接返回一回路，小部分去往除气器除气。

之前对KBE的运行模式进行了优化：KBE10氨钾饱和后正常投运净化一回路冷却剂，KBE50硼酸饱和后不再进行氨钾饱和，停运备用，在一回路冷却剂中总碱金属偏高时，可以启动KBE50去除冷却剂中的总碱金属。

1.2 除气器（KBA10BB001）

除气器主要用于去除一回路下泄（①和②）中的放射性裂变气体、氮气、氧气等气体，副作用则是去除了其中的氢气。为了补充被去除的氢气，除气后需加注氨水，随上充（④）返回一回路。

1.3 冷却剂储存系统中的阳离子交换器（KBB10AT001）

冷却剂储存系统中设计有阳离子交换器（KBB10AT001）。当一回路中碱金属浓度偏高时，可投运KBB10AT001，进入除碱（总碱金属）工况，除碱后的冷却剂返回KBA10BB001。

2 一回路中的主要物质及反应

一回路中主要添加物有硼酸、氨、联氨、氢氧化钾（同时带入微量钠），这些物质在一回路中发生反应生成锂、氢气、氮气等。此外，碱金属离子与铵根离子在树脂床中动态交换影响冷却剂中的氨浓度。这些反应的反应式如下：

根据以上反应式，整理出一回路物质关系如图3所示。

图3 一回路物质关系图Fig.3 The connection of substances in the primary coolant

从图3可以看出，氨是一回路中各物质相互联系的关键，若要控制好一回路的水质，必须对一回路连续加氨有精确的量化控制。

3 物料衡算

在一回路正常运行条件下，期望一回路各项水化学指标保持平稳即各项数据不变，物料衡算方程可简化为：

一回路正常运行时，输入的物质是氨和少量的联氨，消耗的物质主要是除气器去除的氢气以及在投运KBB10AT001和KBE50AT001时除去的氨和碱金属。

4 一回路加氨量的计算

4.1 一回路正常运行工况的加氨量控制

在机组运行前期，无需投床除碱，故只需考虑一回路下泄对物料平衡的影响，即主泵轴封水和KBE10排往KBA10BB001中的下泄，流量分别为0.8 kg/s和x kg/s。通过数据可知在不同的燃氢开度下，氢气均可被完全去除，但对氨基本没有去除能力。结果见表1和表2。

表1 除气器在燃氢系统开度5.4%的除气效果Table 1 The effect of deaeration when the opening degree of hydrogen burner in the deaerator is 5.4%

表2 除气器在燃氢系统开度7.4%的除气效果Table 2 The effect of deaeration when the opening degree of hydrogen burner in the deaerator is 7.4%

即加氨量只需考虑被除气器去除的氢气量就可维持一回路水质稳定。根据式（2）及式（6），每小时向一回路加入的氨量为：

根据物料衡算方程：

4.2 一回路除碱工况的加氨量控制

随着机组运行，KBE10AT001中的钾离子因连续加氨不断被置换出来，以及硼酸被辐照分解持续生成锂，总碱金属逐渐向“硼酸-总碱曲线”A区上限偏移，如果不控制将出现偏离。若以减少加氨量的方式减少KBE10AT001中钾离子的释放，又会导致一回路溶氢不断下降，也有偏离的风险。因此，需要投运KBB10AT001或KBE50AT001除碱金属。投运KBB10AT001和KBE50AT001除碱各有利弊：

KBB10AT001除碱的优点是阳树脂装载量大（2.4 m3），树脂失效可以随时更换;缺点是除碱效率受限于进入KBA10BB001中的下泻流量，效率较低（工作流程见图2）。

KBE50AT001除碱的优点是不受流量限制，可以快速降低一回路总碱金属;缺点是树脂装填量较少（0.9 m3），树脂失效无法立即更换，只能停机后才能更换新树脂。

根据两床的优缺点，选择在机组运行的中后期投运KBB10AT001除碱，在机组运行末期投运KBE50AT001除碱。

4.3 一回路注水工况的加氨量

根据运行规程，在向一回路注水时必须联动加联胺去除给水中的溶氧，添加量为水中饱和溶氧值（10 mg/L）的2～3倍。实际给水已经进行了除氧处理，溶氧含量较低（约0.1 mg/L），注水时加入的联氨绝大多数在进入一回路后发生式（3）反应，向一回路贡献了氨和氢气。在机组运行前期，注水量少，联氨贡献的氨和氢气可忽略不计。但是到后期，注水量不断增大，联动加入的联胺也同时增大，此阶段向一回路加氨时必须考虑联胺的贡献。

一回路冷却剂总体积为300 m3，为维持机组功率每天硼浓度下降0.022 g/L。根据无限稀释公式以及式（2）、式（3），平均每小时由于注水向一回路中引入的联胺转换为氨的当量为：

式中：MNH3——每小时向一回路加入的氨当量，g/h；

CH2——一回路氢浓度，mg/L；

CNH3——一回路氨浓度，mg/L；

C硼——一回路硼酸浓度，g/L。

图4 加氨量化控制前后一回路氨浓度对比Fig.4 Concentration of ammonia in the primary coolant before and after quantitative control

图5 加氨量化控制前后一回路氢浓度对比Fig.5 Concentration of hydrogen in the primary coolant before and after quantitative control

5 效果与总结

通过对以上3种工况的深入分析，得到加氨量化控制的理论依据，在实际工作中将它们组合运用，取得了良好的一回路水质控制效果。

从图4、图5可以看出，相比加氨量化控制前的第二轮燃料循环，实行量化控制后，第六轮燃料循环的一回路氨和溶氢控制得更加平稳，波动幅度更小。同时，实行量化控制后，一回路氨和溶氢浓度相对更高，在功率或工况变化时，操作裕量更大（一回路氨诊断指标：≥3 mg/L，一回路溶氢控制指标：2.2～4.5 mg/L） 。

从图6、图7和表3可以看出，相比加氨量化控制前的第二轮燃料循环，实行量化控制后，第六轮燃料循环的一回路硼酸-总碱运行曲线更加平稳地沿A区最佳曲线下降，未出现水质偏离的情况。

图6 加氨量化控制前一回路硼酸—总碱运行曲线Fig.6 Total molar concentration of alkaline metal ions (potassium, sodium and lithium) in the primary coolant to corresponding concentration of boric acid before quantitative control

图7 加氨量化控制后一回路硼酸—总碱运行曲线Fig.7 Total molar concentration of alkaline metal ions (potassium, sodium and lithium) in the primary coolant to corresponding concentration of boric acid after quantitative control

表3 加氨量化控制前后总碱金属偏离（A区）状况对比Table 3 The deviation of total molar concentration of alkaline metal ions (potassium, sodium and lithium) from zone A in the primary coolant before and after quantitative control

通过对一回路加氨量化控制方法的研究和运用，提高了机组运行时水化学工况的稳定性和安全性，对一回路设备腐蚀速率和辐射场的控制产生了积极的作用，为延长机组服役年限创造了良好的条件。同时，这些成果也进一步推动了我们对一回路水化学工况的持续深入了解，为今后的研究奠定了坚实的基础。

[1] 王宇宙. 江苏核电有限公司化学监督大纲[R]. 江苏核电有限公司，2012.(WANG Yu-zhou. Chemistry Surveillance Program of Jiangsu Nuclear Power Co.，Ltd.[R]. Jiangsu Nuclear Power Co.，Ltd，2012.)

[2] 骆纯珊. 田湾核电站VVER系统与运行（第三册）[R].江苏核电有限公司，2006.(LUO Chun-shan. The Systems and Operation of VVER unit for Tianwan Nuclear Plant (Volume III）[R]. Jiangsu Nuclear Power Co.，Ltd.，2006.)

[3] 王宇宙. 一回路冷却剂净化系统的优化运行[J]. 中国核电，2009，2（2）:116-125.(WANG Yuzhou. Opyimized Operation of the Primary Loop Coolant Purification System[J]. China Nuclear Power，2009，2(2)：116-125. )

Study on Quantitative Control of Feeding Ammonia Solution to the Primary Coolant of VVER Unit

HU Hai，WANG Lei，WANG Yu-zhou
（Jiangsu Nuclear Power Co.，Ltd.，Lianyungang of Jiangsu Prov. 222042，China）

Through study on the process of purification and deaeration in the primary loop, the quantitative control methods of feeding ammonia solution continuously to the primary coolant were summarized in different operating modes by material balance calculation of the main adding substances and products in the primary coolant. The methods reduced the risks of control parameters for the primary coolant deviating from zone A, such as dissolved hydrogen and total molar concentration of alkaline metal ions (potassium, sodium and lithium), caused by feeding ammonia solution inaccurately during unit operating. They also improved quality of the primary coolant and provided a theoretical guidance for future work.

ammonia; dissolved hydrogen; total alkaline metal; material balance; quantitative control

TM623Article character：A

1674-1617(2014)04-0326-05

TM623

：A

：1674-1617(2014)04-0326-05

2014-04-21

胡 海（1983—），男，江苏连云港人，工程师，学士，从事核电厂化学工程工作。