核电厂循环冷却水系统冷却水源中往往含有藻类、菌类、鱼类、贝类等生物,在系统运行过程中,微生物的滋长和繁殖过程中会产生粘泥和植物残骸等有机附着物,与此同时它们的幼虫、孢子和卵也会附着在冷却水流道中,使其通流面积减小,阻力增加,导致凝汽器传热效率降低,甚至引起设备故障。因此,采用一些有效的杀菌剂对核电厂的循环冷却水进行处理是至关重要的。

　　 某滨海核电厂,规划建设6台百万千瓦机组,分3期建设,每期建设2台1 000 MW压水堆核电机组。常规岛循环水系统(CRF)和重要厂用水系统(SEC)均以海水为水源,采用海水直流方式冷却。循环冷却水处理系统要求采用可靠、经济的防污工艺抑制循环冷却水中的菌藻和贝壳类等生物的生长,从而保持凝汽器和热交换器系统洁净,保证取水流道的通流面积,保障机组的安全运行。

　　 目前,电厂循环冷却水防止污染的主要方法是投加杀菌剂^[1,2]。常用的杀菌剂主要有:次氯酸钠、氯气、非氧化性杀菌剂(氯酚、季胺盐等);其中次氯酸钠杀菌剂根据制取的方式不同分为直接投加工业次氯酸钠和电解法制取次氯酸钠两种,现将常用杀菌剂进行比较分析,结果如表1所示。

　　 通过表1比较结果可知,电厂循环冷却水采用加次氯酸钠杀菌剂比较可行。沿海核电厂设备冷却水用水量大,海生物较多,杀菌剂用量大。综合考虑系统可靠性、水文地质条件、投资及运行成本等因素,目前多采用电解法生产次氯酸钠。

　　 电解法生产次氯酸钠分为电解海水和电解食盐水两种。选择的关键是海水的氯离子含量及其含砂量。当海水的氯离子含量≥8 000mg/L时,一般采用电解海水法。当氯离子含量<8 000mg/L时,一般采用电解食盐水法。当海水中含沙量大时,系统管路和设备长期运行后淤积量大,对管道和设备的冲刷大,导致电极的使用寿命缩短,因此,需加除砂装置,运行管理、生产成本也会相应加大。

　　 根据本工程厂址有关的设计参数,本工程附近天然海水中的氯离子平均浓度为16 500mg/L,最高浓度为17 370 mg/L,冬季与夏季平均含沙量分别为0.071kg/m³和0.051kg/m³,满足电解海水制氯的要求并且无需增加除砂装置,因此本工程采用电解海水制氯系统,以达到经济、可靠、高效、环保的目的。

　　 天然海水中常见的阴、阳离子主要有Cl^-、SO₄^2-、OH^-、Na⁺、Mg²⁺、K⁺、H⁺等,在特制的阳极上通直流电就会发生电解反应,电解时主要产生以下反应:

　　 阳极反应:2CL^-=Cl₂+2e^-(1)

　　 阴极反应:2H₂O+2e^-=H₂+2OH^-(2)

　　 总反应:NaCl+H₂O=NaClO+H₂↑(6)

　　 上述反应中的HClO、ClO^-、Cl₂统称为有效氯,这些有效氯就是循环冷却水中微生物的杀生剂。平衡反应式(3)、式(4)和式(5)的运动方向主要取决于环境pH和温度。

　　 电解海水制氯其他反应:

　　 上述式(7)、式(8)反应就是电解过程中钙、镁沉淀物沉积在电极上的主要原因,沉积到一定程度就要通过酸洗去除。

　　 本工程循环冷却水总量为139.8m³/s,单套电解槽入口海水流量为2×34m³/h,循环冷却水采用连续重力流加药,加药浓度按1mg/L设计,次氯酸钠出口浓度为2 132mg/L。2台机组对有效氯的需求量是503.28kg/h。考虑电解设备检修等不可用情况,本工程设置4套电解海水制氯装置,单套产氯量为145kg/h。电解槽阳极累计使用寿命≥5a,阴极累计使用寿命≥40a。

　　 根据上述技术参数,确定本工程电解海水制氯工艺流程如图1所示。

　　 首先,海水通过PX联合泵房中的4 台耐海水腐蚀的海水升压泵(2用2备)升压后,进入电解槽组件电解。制氯单元是由4组电解槽模块组成,每组电解槽由水路并联的2列电解槽模块组成,每列电解槽模块水路串联。每组电解槽组在电路上通过导电母排串联连接。4套整流装置将交流电转化为直流电分别供给对应的电解槽组,将流经电解槽的海水电解,产生次氯酸钠溶液及副产物氢气进入次氯酸钠储罐。在次氯酸钠储罐内将副产物氢气稀释后排放至大气。次氯酸钠储罐内的溶液通过重力自流输送至循环水过滤(CFI)系统粗格栅的加氯框和重要厂用水(SEC)系统加药点。

　　 电解海水制氯系统的主要设备是电解槽。电解槽设计主要考虑:钙、镁在电极上沉积、极化、电解能耗、电极寿命、电解槽的维修等问题^[3]。解决上述问题主要从阳极材料和电解槽结构选择来考虑。目前,采用钛基体上涂贵金属氧化物涂层(如DSA阳极),比纯钛基体或铂合金基体阳极寿命大大提高,并且当电极使用到一定程度可以重新涂上涂层,再生利用。

　　 电解槽的结构主要有管式电解槽和板式电解槽两种。近几年,国内大型电解海水制氯系统多采用板式电解槽。板式电解槽体积小,结构紧凑,易安装、维修,调试运行简单,维护费用低,电极寿命长,但电流效率偏低、耐压低、电极有极化现象^[4]。

　　 针对板式电解槽的不足之处,本工程采用了如下3种优化措施:

　　 (1)采用了SC型板网式透明电解槽。运行过程中可以透过盖板直接观察槽内情况,有利于直观地判断和掌握电解槽维修和酸洗的时机。电解槽壳体采用极耐次氯酸钠腐蚀的PVC材料,壳体和盖的密封采用硅橡胶“O”型圈单点密封,消除了多点密封泄露的隐患。

　　 (2)阳极采用板网式DSA阳极(单极型)。在0~45 ℃范围内均有良好的电化学性。和板式阳极相比,寿命更长,增加了海水的湍流,提高了电流效率,增大了活性面积,提高了单槽产氯量。电解槽直立放置,海水由下向上一次性高速流过。电解产生的氢气顺水流排出,不会在槽内积存。高流速下减缓了钙、镁沉淀物在阴极上的积存,延长了酸洗周期。

　　 (3)阴极采用哈氏合金,在海水和次氯酸钠介质中比钛具有更强的耐蚀性。 其析氢电位比钛低0.45V,从而降低电耗10%~15%,并且不会象钛那样产生氢脆腐蚀。阴极表面抛光,减少了钙、镁沉积。

　　 如图1所示,整个电解海水制氯系统可分为4个子系统:供水系统、制氯系统、冷却系统、酸洗系统。

　　 供水系统设计主要注意海水加压泵及自动反冲洗过滤器的选择。选用海水加压泵时主要考虑以下几方面:(1)电解槽的处理流量;(2) 过滤器的反洗流量;(3)整流器冷却水量。为了保证电解槽高效率工作,必须保证流过电解槽的海水有合适的流量。

　　 因海水氯离子含量很高,腐蚀性强,海水泵及自动反冲洗过滤器设计时均要注意防腐问题。根据部分运行电厂经验反馈,过滤器碳钢衬胶的防腐效果不理想,过流部分仍被腐蚀,因此本工程采取碳钢衬重防腐涂层+阴极保护的方式。

　　 制氯系统主要设备为电解槽、整流装置、次氯酸钠储罐。电解槽装置是整个电解制氯系统的核心设备。本工程设置4套电解海水装置。单套电解槽装置实物如图2所示。

　　 电解槽采用新技术的SC型单极海水电解槽。每套电解槽组可单独运行,在海水氯离子浓度大于10 000mg/L时,产氯量为145kg/h,同时满足在海水氯离子含量低至8 000mg/L时,电解装置能够正常运行。当产氯量为145kg/h的50%、70%、90%时,调节电解槽电流至满负荷的50%、70%、90%即可。

　　 本工程4套电解制氯装置对应4套整流装置。整流装置把厂区6.6kV的厂用中压电经变压、整流成额定输出为7 200A、120V的直流电,给电解槽提供电解电流。

　　 本工程选2台有效容积为50m³的次氯酸钠缓冲罐,考虑到防腐,采用玻璃钢材质。通过吸取国内外大量的自然排氢气工程实例的经验和准确的计算,在次氯酸钠缓冲罐顶部上封头与罐体间留有合理的空间,真正达到了氢气在次氯酸钠缓冲罐顶部通过空气自然稀释而后再排入大气的目的。

　　 整流器冷却系统其冷却介质为除盐水和海水。冷却系统采用内外循环方式,内循环冷却水采用除盐水,外循环冷却水采用海水,内外循环共同在板式热交换器进行热量交换。为了防止热量的积累损坏晶闸管,整流冷却水管路上设置了低流量报警保护和传统的电接点压力保护,共同确保整流器的工作状态更安全、可靠。

　　 随着系统运行,电极上钙、镁沉淀物将会不断增加,这将会增加电解海水的能耗、损害阳极涂层、腐蚀阴极,酸洗系统主要是清洗电解槽阴极上因电解海水而产生的钙、镁沉淀物。

　　 本工程4套制氯装置共用1套酸洗系统,在电解槽运行达到一个酸洗周期时,酸洗系统可对单套的电解槽模块独立酸洗,不影响其他模块运行。系统通过PLC分析运行时间和槽压的异常自动判断是否需要酸洗,判断条件为:(1) 单列电解槽进出口压差超过一定的数值;(2) 现场观察阴极存在沉淀物;(3)电解槽电压达到电压上限值6.0VDC。

　　 考虑到运行人员的工作环境、人身安全和操作方便,并结合以往核电工程运行经验,本工程对酸洗系统进行了优化设计,增加了浓酸罐、浓碱罐、酸雾吸收器、二氧化碳吸收器等设备。

　　 (1)工艺布置。因电解海水制氯过程中会产生氢气,电解间及次氯酸钠储罐均有发生爆炸的危险,根据《建筑设计防火规范》(GB 50016-2014)制氯站生产类别按甲类设计。按照制氯系统工艺流程,将制氯站按功能分区布置,分为6 个功能区(整流间、电解间、酸洗间、冷却设备间、控制室、电气间),每个功能区独立设置。考虑到次氯酸钠缓冲罐自然排氢以及酸碱贮存的安全问题,次氯酸钠和酸碱储罐均布置在室外。

　　 (2)安全防护措施。电解槽设置在电解间,电解间会产生氢气,存在爆炸危险,因此将电解间设计为防爆车间。电解间建筑顶部设置有检测氢气浓度装置,当氢气浓度超过1% 时,检测报警,并连锁启动通风设备,对电解间进行强制通风。电解间与其他车间的隔墙采用防爆墙,电解间外墙及其屋顶采用轻质材料,一旦发生厂房爆炸起到泄压的作用。电解车间内用电设备均采用防爆型设备。

　　 考虑到安全性,参考氢气站,制氯站及次氯酸钠储罐均考虑防雷设计,储罐区重点防护。

　　 大型电厂循环冷却水杀菌剂的选择至关重要,通过对比分析以及实际工程设计,笔者认为滨海核电厂杀菌剂的选择及电解海水制氯系统设计应注意以下几方面:

　　 (1)滨海核电厂循环冷却水水量大,其杀菌剂的选择应根据技术可靠性、水文地质条件、投资及运行成本、自动化程度等多因素综合比较确定。条件具备的情况下,采用电解海水制氯工艺无论从技术、经济还是环保等各个方面都具有一定的优势。

　　 (2)对于电解海水制氯工艺,合理选择电解槽及电极材料是设计的关键。与管式电解槽相比,板式电解槽总体更优,其工艺特点突出,模块化设计,自动化水平高,同时设备紧凑、维修方便,应用较为广泛。板网式阳极比板式阳极增加了海水的湍流,提高了电流效率,有更大的有效活性面积,可以提高单槽产氯量。阴极采用哈氏合金,比钛更具耐蚀性且不会产生氢脆腐蚀。

　　 (3)电解海水制氯系统生产及贮存过程中会有氢气排出,采用自然排氢的方案是经济可行的,但是电解间及次氯酸钠储罐区必须采取一定的安全防护措施,防止爆炸。