淡化技术是解决当今水资源匮乏的重要手段之一, 海水淡化已成为沿海地区解决水资源短缺的有效途径。随着淡化技术的发展和社会需求量的增加, 海水淡化技术日趋成熟, 规模不断扩大, 成本不断降低。但是因所建地点的区域性差异和应用环境的不同, 该技术仍存在着各种不同的问题。

在寒冷地区核电厂进行海水淡化在国内核电尚属首例, 其冬季海水温度较低, 不满足膜法海水淡化系统的进水要求, 且核电厂用水量不稳定等因素, 导致膜法海水淡化设计困难重重。但由于在核电厂机组运行期间所用淡水主要由海水淡化提供, 因此要保证整个核电厂的安全可靠运行, 海水淡化系统设计必须彻底解决上述因素带来的问题。

海水淡化生产工艺方法较多, 较为常见的方法是蒸馏法和膜法, 结合该核电厂取水口海水水质及厂址条件等因素考虑, 经综合技术经济分析评价, 最终选择膜法中的反渗透膜法海水淡化工艺, 主要工艺流程为混凝沉淀池—砂滤池—超滤装置—反渗透系统。

由于该地区核电冬季水温较低 (极端低温-2.5℃) , 机组用水量不稳定等问题的存在, 实际设计中存在很多困难, 其中主要的技术难点是水量优化和解决水温过低问题。

岭澳核电站水源水为水库水, 原水经过预处理后, 一部分用于生产和生活用水, 一部分进入除盐系统进行脱盐处理, 制取合格的除盐水。根据供应商提供的接口资料, 两台机组正常运行时除盐水的用水量为3 205m³/d;有一台机组处于启动中, 一台机组运行时, 除盐水的最大用水量为4 406m³/d。考虑一定的富裕度, 岭澳核电站除盐水生产系统 (SDA) 的设计生产能力为2×120 m³/h (每天生产时间为20h) 。设置2个有效容积为3 600m³的偏碱性除盐水箱 (SER水箱) , 2个有效容积为500m³的中性除盐水箱 (SED水箱) 。

根据核电站运行经验, 2台机组最大除盐水用量发生在机组启动时, 每天最大用水量达5 000m³/d, 持续运行时间超过3d;而正常运行时用水较小, 用水量不超过800m³/d。SDA系统的设计运行时间为20h/d, 但机组正常运行时, 运行时间不超过8h/d, 所以大部分时间设备处于闲置状态。除盐水生产系统的设计接口资料值和实际值差别很大。

核电厂海水淡化采用膜法工艺, 若设备大部分时间处于闲置状态, 不仅造成设备投资的浪费, 且保养困难, 膜的性能降低寿命减短。因此有必要对水量进行优化。

海水淡化站主要供水为综合用水 (包括生产用水、消防用水、绿化用水及厂区内普通冲洗用水) 、生活用水及除盐水生产系统用水。其简要流程如图1所示。

设海水取水总量为Q_总, 海水反渗透系统的出力为Q (即海水淡化系统的出力) , 综合用水量为Q₁ (包括生产用水、绿化用水及厂区内普通冲洗用水) , 生活用水量为Q₂, 除盐水平均用水量为Q₃。

在本系统中二级反渗透系统的回收率为85%, 除盐水系统的自用水率为5%。则正常运行情况下海水淡化系统的出力为Q=Q₁+Q₂÷0.85+Q₃×1.05÷0.85。

(1) 综合用水量分析。综合用水包括泵的轴封用水、ZB厂房生产冷却用水、厂区内冲洗用水、消防补水、绿化补水等。综合用水量最大约为97m³/h, 并考虑约15%的未预见量及管网漏失量, 取Q₁=110m³/h。

(2) 生活用水量分析。生活用水分为厂区内和厂区外两部分, 厂区内生活用水量参考岭澳核电站的设计用水量, 厂区外生活用水量根据业主提供的人员定员综合计算得到。由于生活用水很难控制, 考虑到厂区中长期发展规划, 预留20%的余量, 再考虑管网漏失量, 生活用水最后取75m³/h (在实际设置时出力为2×40m³/h) 。

(3) 除盐水量的分析。根据接口资料, 2台机组正常和启动工况下的用水量分别为:正常运行时, 二台机组除盐水用量3 205m³/d;机组启动时, 每台机增加水量1 200m³/d。

4台机组的总用水量与机组的运行工况有关, 经对各工况进行分析计算, 除盐水用量出现在3机运行、1机冷启动工况下 (或2机运行, 1机冷启动、1机大修) , 最大除盐水用量为7 600m³/d, 4台机组正常用水量为6 400m³/h。

根据核电站除盐水各用户的运行方式, 并参考《火力发电厂化学设计技术规程》 (DL/T 5068-2006) , 计算出除盐水生产系统的平均净产水量Q₃为325m³/h。

参考电站经验值, 根据大亚湾核电站和岭澳核电站的运行经验, 机组正常运行时实际用水量约为每2台机800m³/d (每台机组400m³/d) , 机组启动时用水量最高可达到5 000m³/d。所以根据经验数据取值为1台机组正常运行时用水量为400m³/d, 机组启动时每天的用水量5 000 m³/d。4台机组最大除盐水量为6 200 m³/d, 正常用水量为1 600m³/d。

根据核电站除盐水各用户的运行方式, 并参考《火力发电厂化学设计技术规程》 (DL/T 5068-2006) , 计算得出除盐水生产系统的平均净产水量为183.3m³/h。

(4) 海水淡化系统的出力分析及对策。根据上述接口资料用除盐水量进行计算, 海水淡化系统的最大出力为14 382m³/d, 正常出力为12 664m³/d;而以经验用除盐水量计算, 海水淡化系统的最大出力为10 206m³/d, 正常出力为6 734m³/d。所以综合考虑取海水淡化系统的规模为15 000m³/d, 其中膜设备分批设置, 首次配置出力11 000m³/d, 预留4 000m³/d, 预留设备可以根据1号、2号机组的实际运行情况决定是否需要投入, 若该核电厂运行用水工况和参考电站用水量相当, 则不需要投入预留出力设备。

本工程中, 对项目的用水量情况根据接口资料和经验数据分别进行分析计算, 设计中以膜设备分批建设为设计原则, 既可以保证水处理系统的预量不会过大, 降低膜的保护难度, 避免膜受到微生物污染, 又可以节省工程投资成本。经过初步估算, 如果预留设备不投入, 则可节省投资约1 600万元。如在机组运行后根据数据分析, 需要投入预留设备, 则在3年的利息和运行成本上仍可节省约750万元。

反渗透膜对进水温度有一定的要求, 一般情况反渗透膜的最高进水温度不超过45℃, 最低进水温度不低于5℃, 温度对产水通量与产水水质均有影响, 温度与产水通量的关系见图2。而为了保证产水量, 温度降低时可以通过提高运行压力增大, 温度与运行压力的关系如图3所示。

从图2可以看出, 水温每升高1℃, 在系统条件不变的情况下, 其产水通量大致增大3%, 但反渗透膜的进水水温为5~8℃时水的粘度增大, 此时渗透速率变慢, 产水量严重降低, 软件计算值与实际值差别很大, 仅通过提高进水压力无法达到产水要求。

该核电厂海水淡化系统水源所在工程海域多年表层水温月均值记录数据见表1。

根据表1数据显示, 全年有4~5个月海水平均水温低于5℃, 并且有资料记载在冬季时最低水温达到-2.5℃, 使用膜法进行海水淡化, 必须先解决冬季进水水温过低问题。

由于核电站采用海水直流系统作为设备冷却方式, 核电站通过海水泵房提取海水, 海水经过细格栅、鼓网过滤进入厂区冷却系统, 经过冷却设备换热后直流排入指定的海域, 海水换热后温升约8℃。如能有效利用核电厂循环水的热能, 冬季时利用循环水温排水作为海水淡化的进水则使问题可以基本解决 (极端低温除外) 。

该核电厂每台机组循环水量约180 000m³/h, 为了消除冰絮对滤网的影响、减少低温水的过冷现象, 冬季时循环水的排水部分回流到循环水泵房区域, 引至进水间进行融冰, 每台机组回流量约为35 280m³/h, 海水淡化的最大取水量为1 600m³/h, 因此增加此部分温排水回流量对整个循环水系统的设计影响不大, 同时海水淡化站的位置距离循环水排水回流井较近, 取水便利。由此可以看出冬季从循环水温排水取水作为海水淡化系统的进水是可行的。

海水淡化站4台机组共用, 为了防止单台机组取水的不可靠性, 在1号, 2号机组热水回流井堰前引热水至海水淡化升压泵房前池, 经海水提升泵送至海水淡化站, 同时在3号, 4号机组热水回流井设置潜水泵, 将热水输送至海水淡化蓄水池, 作为1号, 2号机组失去热水回流时的备用方案, 这种取水方式安全可靠。

采用循环水温排水作为海水淡化系统的进水可以提高其进水温度, 但极端低温下原海水的温度为-2.5℃, 循环水温排水的温度约为6.7℃, 无法满足设计温度8~28℃的要求。为了能有效保证海水淡化系统的出力, 在极端低温时将SVA蒸汽通入海水淡化蓄水池加热提供进水温度的措施。

在极端低温时, 通过SVA系统设置的调节阀将蒸汽压力降到约0.3 MPa后引入海水蓄水池将海水由6.7℃加热到8~14℃, 在海水淡化预处理入口管道上设有温度监测点, 用来控制海水蓄水池的温度, 通过分析此方案可行。

进水温度越低, 产水通量越低, 制取相同的水量需要的膜元件越多。因此在低温条件下合理选择膜产水通量尤为重要。

采用沙滩井取水时海水反渗透膜通量一般为为13.8~18.6L/ (m²·h) , 本系统采用超滤作为预处理系统, 其出水水质等同或优于沙滩井取水, 所以膜通量可按照13.8~18.6L/ (m²·h) 选取。本系统的最低设计温度为8℃, 为保证低温时系统的产水量不变, 设计通量不能过高, 本项目设计通量宜按照下限选择。

将以上3种对策结合, 即可以解决该寒冷地区核电厂膜法海水淡化冬季水温过低问题。

海水淡化要在机组投运约两年前运行, 以保证机组的调试用水及生活需求, 而在机组投运前, 冬季没有循环水温排水, 因工程进度等方面的原因海水蓄水池也不能投入使用, 因此只能设置临时取水设施为海水淡化系统供水。此时要解决海水低温问题, 需考虑设立临时加热措施。经过分析, 在超滤进水前增加临时换热器对海水进行换热, 加热后的海水进入超滤和反渗透系统, 此种方式从技术上可行, 但是需要对换热形式, 热源的来源等进行经济性分析。

加热海水的热源有煤锅炉、油锅炉或电锅炉等多种型式, 本项目主要对电锅炉和煤锅炉两种方式进行分析。根据临时运行的海水量及温升计算热负荷约15.1MW, 若采用蒸汽锅炉, 则需蒸汽量约21.6m³/h, 从设备购置费、建筑费用、运行费用3方面进行比较后发现, 电锅炉方案总成本约为燃煤锅炉方案的2倍;同样即使利用热水锅炉, 电锅炉也比燃煤锅炉总费用高得多, 而结合现场已有的临时采暖锅炉 (增扩1台即可满足要求) 进行分析, 采用燃煤热水锅炉的投资比采用蒸汽锅炉的投资要节省。由于锅炉房作为临时热源, 使用时间很短暂, 所以主要从经济性方面考虑选用燃煤热水锅炉进行临时海水加热, 即临时采暖锅炉增加1台, 当海水淡化系统不再需要临时热源的情况下, 还可以作为其他锅炉的备用。

赤潮是在特定的环境条件下, 海水中某些浮游植物、原生动物或细菌爆发性增殖或高度聚集而引起水体变色的一种有害生态现象, 赤潮持续的时间也无统计数字。当海水发生大型赤潮时, 海水中的微生物等会污堵海水淡化系统, 从而导致系统无法运行。对于该核电厂来说, 正常运行时核电站用水主要是由海水淡化制取, 一旦发生大型赤潮, 则影响海水淡化系统的运行, 难以保证核电站的安全运行。

常规火电厂或一般企业在用海水淡化时, 往往根据企业对生产用水供应的依赖程度来确定是否设置备用水源, 如浙江玉环电厂就采用了市政自来水作为备用水源, 而且由于其自来水水质相对较好, 直接接入后级除盐系统。

该核电厂在建成投运后电站用水主要由海水淡化提供, 不考虑自来水作为备用水源, 而核电站周围的水源也只有一个水库水可用, 在核电厂施工期间的用水采用水库水, 现场已经布有水库的输水管网, 经分析借助此有利条件, 采取水库的水作为紧急备用水源, 但由于该水库水质较差, 不能直接进入除盐系统, 在应用时需要应用海水淡化的预处理系统进行水质处理。具体措施是在海水淡化进水阀门井处设置东风水库进水接口, 一旦发生赤潮, 则关闭海水进水阀, 切换成水库水进入海水淡化的预处理系统, 经过混凝沉淀、滤池过滤、超滤系统处理后, 越过一级RO系统, 直接进入二级RO系统, 通过适当调整二级RO系统回收率, 即可保证系统的运行。

此方案为国内首次应用, 仅在原系统上增加少量的阀门和管道, 经分析是经济可行的。

该核电厂海水淡化系统自调试出水至今已运行近7年, 整体系统运行比较稳定, 产水品质高, 试验分析结果表明, 一级反渗透膜组件脱盐率达到99.6%, 高于设计指标[99.3% (一年内) ], 二级膜组件脱盐率达98%, 高于设计指标[97.5% (一年内) ]。生活饮用水水质符合《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 规范要求。

实际运行证明, 该核电厂海水淡化技术方案水平处于行业领先水平。