摘要：文章以三門核電一期工程AP1000機組為例，分別對采用氨水和乙醇胺(ETA)為控制劑的兩種常用pH控制方案進行了介紹，并給出了三門一期最終選用氨水pH控制劑的高AVT方案的原因;說明了pH控制方案應根據電廠實際配置和經濟性來選擇，對后續核電項目二回路pH控制方案選擇有一定的借鑒作用。

　　關鍵詞：國家級電力技術論文發表,AP1000機組,全揮發處理,pH控制方案,氨水,乙醇胺

　　1 概述

　　壓水堆核電站中，對二回路的水質要求比常規火電更加嚴格，這是因為蒸汽發生器傳熱管是一回路壓力邊界最薄弱的部位，而其腐蝕主要是二回路側的各種腐蝕。二回路系統其他設備如受到腐蝕，大量的腐蝕產物將會隨著給水進入到蒸汽發生器，使得蒸汽發生器內腐蝕沉積物增加，腐蝕性環境形成，加速腐蝕的發生，威脅到整個核電廠的安全經濟運營，因此，二回路水質需嚴格控制。研究發現，合理控制二回路的pH值能顯著減少腐蝕產物的形成和沉積，保證二回路系統設備特別是蒸汽發生器結構材料的完整性，提高核電站的運行安全性和可利用率，因此，對二回路pH控制方案的研究有著十分重要的意義。

　　2 腐蝕發生機理

　　三門核電一期工程AP1000項目中二回路管道和設備均由碳鋼等鐵基材料組成。當pH值較高時，會限制鐵基金屬材料的氧化速率，使鐵電位進入磁性Fe3O4鈍化區，從而抑制腐蝕。另外，對于碳鋼材料，危害最大的腐蝕形式為流動加速腐蝕(FAC)。FAC是指在流動的單相水或者兩相的濕蒸汽中，由于介質的流動對材料表面的沖刷，在鋼鐵材料表面生成的Fe3O4氧化膜發生溶解，并被流體帶走，從而使材料表面失去保護，腐蝕速度提高而發生的腐蝕。當流體的pH值較高時，其中的OH?―會限制氧化膜的分解，保護金屬免于腐蝕，因此提高pH值到足夠的高度，可以顯著抑制FAC。不過，二回路水的pH值亦不能太高，因為在強堿性環境下，碳鋼等鐵基材料易發生應力腐蝕開裂，即堿脆。

　　綜上，控制二回路系統設備腐蝕的首要參數是pH值。大量經驗表明，給水25℃下的pH值控制在9.5～10.5之間，流體對二回路設備的腐蝕可降到最低。

　　3 核電站二回路常用PH控制劑

　　3.1 氨水(NH4)

　　氨水(NH4)為pH控制劑的全揮發處理(AVT)方案是現在仍廣泛應用的一種傳統二回路水質控制方案。由于氨是易揮發性的物質，且具有不會受熱分解的特點，因此采用這種方案，不會增加蒸汽發生器中鹽類的含量，亦不易發生局部濃縮而造成的堿腐蝕，氨進入蒸汽發生器后會隨蒸汽揮發出來，并隨蒸汽進入汽輪機及各級加熱器。

　　在早期的核電站設計中，給水pH25℃通�？刂圃谛∮�9.5的水平，為低AVT控制方案。然而，運行實踐表明，采用低AVT方式的機組，給水及疏水系統存在流動加速腐蝕(FAC)現象。這是因為氨具有很高的分配系數，因此在蒸汽中含有較高濃度的氨，而在各級加熱器的疏水部分氨濃度則較低，致使汽液兩相區域的pH明顯偏低，導致對濕蒸汽區域的保護不足，從而引起碳鋼、低合金鋼等材料的流動加速腐蝕(FAC)，因此低AVT控制方案逐漸被淘汰，由高AVT控制或有機胺方案替代。高AVT控制即向給水中添加足夠高濃度的氨，以提高疏水中的pH值。通過多年的運行實踐，該方案起到了良好的控制流動加速腐蝕的作用，管線FAC現象得到很好的抑制，腐蝕產物大大減少，使得進入SG的雜質量減少，傳熱管及其支撐板和管板的腐蝕速率也大幅度下降，因此，目前高AVT方案在世界核電站中應用得比較廣泛。

　　3.2 有機胺

　　有機胺類物質作為pH控制劑，具有較低的分配系數，能夠在汽液兩相均勻分布，蒸汽在換熱設備中冷卻時，胺類也會部分進入液相從而提高液相區域的pH值，從而起到全面保護設備材料的目的，因此，針對低AVT控制的不足，除了高AVT外，有機胺pH控制也是十分合適的替代方案。

　　乙醇胺(ETA)是有機胺試劑中最常用的pH控制劑，使用乙醇胺控制二回路水的pH值，由于其較低的揮發性，含有乙醇胺的蒸汽被冷凝時乙醇胺也凝結下來，因此，冷凝水將含有較高濃度的乙醇胺，其pH值較高，氧化層能夠保持穩定狀態難以溶解，從而抑制了FAC的發生，使得腐蝕產物大大減少。目前，乙醇胺處理方案得到了十分廣泛的應用，美國有超過50%的核電站正在實行乙醇胺處理，世界上已有60%以上核電廠應用乙醇胺代替氨調節給水pH值。

　　4 三門核電一期工程二回路pH控制方案選擇

　　三門核電一期工程兩臺機組核島設計采用的是美國西屋公司開發的AP1000壓水堆核電技術，為當前世界最先進的第三代核電技術，常規島采用日本三菱公司的設計，單機容量1251MW，目前正處于安裝調試期。初步設計中，二回路pH控制采用的是高AVT控制方案，考慮到目前乙醇胺處理方案應用更為廣泛，在初步設計審查時曾考慮過采用乙醇胺處理方案來代替高AVT方案。

　　4.1 乙醇胺處理方案

　　采用乙醇胺處理作為二回路pH控制手段，首先需要考慮有機酸的影響。有機酸的產生主要是因為乙醇胺的受熱分解。乙醇胺在高溫條件下相對比較穩定，但是仍然會有2%～5%的乙醇胺受熱分解，并且釋放、傳播到整個二回路系統。

　　乙醇胺在高溫下首先被分解成甲胺和乙胺，并且最終轉化成乙酸、蟻酸、乙二醇等有機酸。一般來說，二回路水中正常的雜質分配系數都非常小，約0.0000001，因此基本上所有雜質都主要留在蒸汽發生器內。但這些因乙醇胺熱分解產生的有機酸，比如乙酸、蟻酸的分配系數大約等于0.2，因此它們可以進入蒸汽側，對蒸汽純度造成影響，并遍布整個二回路，對二回路水質處理及水質監測都將產生不同程度的影響。 　　4.1.1 由于乙醇胺的分配系數非常小，蒸汽發生器排污除鹽裝置負荷將增大。而且由于有機酸的產生，對蒸汽發生器排污的除鹽裝置的能力有更高的要求。另外為除去乙醇胺分解產生的有機酸，電廠正常功率運行時將要求凝結水精處理裝置運行，而有機酸的存在也會使得精處理樹脂床的再生效率從氨水處理的100%降到乙醇胺處理的80%，因此在蒸汽發生器排污除鹽及凝結水精處理裝置設計時需考慮此影響。

　　4.1.2 采用高AVT處理時正常運行情況下的氨的損耗量極小，不需連續加藥，但如果改用乙醇胺處理，蒸汽發生器排污除鹽裝置和凝結水精處理裝置的連續運行會消耗部分乙醇胺，因此為了補償消耗的乙醇胺，維持二回路水質，必須在電站運行時連續加藥，從而對加藥系統的設計產生影響。

　　4.1.3 乙醇胺分解產生的有機酸會影響水質監測系統儀表比如陽電導儀的指示值，據設計方三菱的經驗，在含有很少量乙醇胺(約2ppm)的情況下，蒸汽發生器排污的陽電導就將從0.4μs/cm增加到1.2μs/cm。另外，根據設計方三菱的經驗，在用離子色譜測量蒸汽發生器排污水時，乙醇胺受熱分解產生的各種有機酸，也會對總離子雜質濃度的測量產生影響，并影響離子濃度的峰值測定，因此在取樣系統的詳細設計時需考慮上述影響。

　　4.1.4 二回路排污水中的乙醇胺處理也非常困難。為了降低排污水的COD指標，必須通過廢水處理系統除去乙醇胺，但乙醇胺相對比較穩定，通過普通的廢水處理系統很難將它分解和除去，處理成本很高。

　　綜合考慮以上因素，如果改用乙醇胺處理方案，由于其對水處理系統、加藥系統和廢水處理系統的上述影響，相應設備裝置的占地面積將超出預期。而三門核電一期工程總平面積有限，廠房布置空間較為緊張，因此乙醇胺方案實現非常困難。

　　4.2 高AVT處理方案

　　采用高AVT方案，有兩個問題需要重點考慮：氨對銅設備的腐蝕和對凝結水精處理裝置的影響。

　　4.2.1 氨對銅設備的腐蝕。碳鋼、低合金鋼和腐蝕速率隨pH值的關系曲線如圖1所示：

　　圖1 pH值和金屬材料腐蝕速率關系圖

　　由此可見，采用氨作為pH控制劑的高AVT方案，由于氨濃度的增大，對銅具有較強的腐蝕作用，氨蒸發進入蒸汽系統和凝結水系統，與銅發生化學反應，會產生局部腐蝕，嚴重時將導致含銅設備在較短時間內發生泄漏。日本大部分核電站水處理升級選擇從低AVT處理轉變成了乙醇胺水化學處理，就是因為原先電站的凝汽器的傳熱管是用的銅合金管道，如果采用高AVT處理將導致大的凝汽器修改，因此大多數核電站選擇了乙醇胺方案而放棄了高AVT處理。如果要采用高AVT處理，要避免對銅材料的腐蝕，需排除銅合金在二回路的使用，三門核電一期工程凝汽器傳熱管為鈦管，整個二回路換熱設備及管道材料均不含銅，因此此問題得到完美解決。

　　4.2.2 凝結水精處理的影響。采用高AVT方案，pH提高有助于材料的保護，但高含量的氨使凝結水精處理系統運行周期縮短，也就是說會增大凝結水系統離子交換樹脂的負擔，因此在給水高pH值工況下如凝結水精處理系統連續運行需要消耗大量的化學藥品和除鹽水，同時增加廢水排放，運行管理工作量大，綜合成本非常高。

　　為了應對高AVT控制而引起的凝結水陽離子負荷過高的問題，三門核電一期工程凝結水精處理系統采用“陽床-混床”的處理工藝，以增加系統中陽離子交換樹脂的裝載量，減少混床的再生次數。同時在今后運行中，在正常運行工況下，通過蒸汽發生器排污可以去除由除鹽補充水帶入的鹽類和二回路水系統產生的金屬腐蝕雜質，保證二回路水質達到較高的標準，因此不需投運凝結水精處理系統，通過適當的排污和有效的運行管理，蒸汽發生器的水質即可達到運行控制標準;當凝汽器傳熱管泄漏或者由于其他原因造成二回路水質惡化時，投運凝結水精處理可以確保有足夠的時間進行凝汽器查漏、修復或完成正常的安全停機，因此十分必要，此時可適當降低給水pH25℃控制值到小于9.6的水平，以維持精處理系統的持續凈化能力。具體pH值可以通過后續實際運行時，綜合考慮給水鐵離子含量和凝結水精處理樹脂床再生頻率來確定。

　　4.3 三門核電一期工程pH值最終控制方案

　　考慮到本項目的實際情況不適合采用乙醇胺方案，而高AVT處理能很好地控制二回路的pH值且其帶來的問題三門核電一期工程項目都能很好解決，因此在三門核電一期工程這個項目上，高AVT方案比乙醇胺更加合適，最終采用了氨作為pH控制劑的高AVT處理方案，控制功率運行期間，給水pH25℃>9.5。由于二回路是一個閉式回路，氨損失非常少，因此采用一點式加藥，加藥點位置在凝結水精處理裝置的下游。

　　5 結語

　　壓水堆核電站二回路給水的pH控制對于抑制系統管道、設備的腐蝕起到至關重要的作用。目前乙醇胺處理方案在核電站應用較為廣泛，然而三門核電由于廠房布置空間較為緊張，難以處理采用乙醇胺方案帶來的水質處理、加藥監測和廢水處理等難題，但卻能很好地解決高AVT方案帶來的銅設備腐蝕和對凝結水精處理裝置影響的問題，更適合采用氨水為pH控制劑的高AVT方案，因此三門核電一期工程最終選擇了高AVT方案進行水質控制以維護電站設備長期穩定運行。由此也可見，pH控制方案的選擇與很多因素有關，取決于電廠實際情況，設計時應綜合考慮電廠實際配置和經濟性來選擇最適合本項目的pH控制方案。

　　參考文獻

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