某核电厂凝结水抽取系统溶解氧含量异常原因分析

刘义仁 虞泽锋 李付平 梁义才 韩文涛

摘要：本文简要介绍了CPR1000型某核电厂凝结水抽取系统溶解氧含量影响因素，着重讲述了某核电厂运行期间凝结水抽取系统氧含量异常的原因及解决对策。

关键词：核电厂；凝结水抽取系统；氧含量；

0、引言

压水堆核电机组中凝结水溶解氧超标将引起给水系统设备的过度锈蚀，不仅消耗给水设备的使用寿命，还会导致蒸汽发生器的换热管发生应力腐蚀破坏^[1]。

为防止该类事件的发生，核电厂化学与放射化学技术规范中要求凝结水抽取系统溶解氧含量期望值需控制在小于5ppb水平，限值控制在小于10ppb水平。然而，某核电厂在运行期间曾多次发生凝结水氧含量超期望值甚至超限值情况，针对上述问题，本文对该核电厂凝结水氧含量异常原因进行了分析，并制定凝结水抽取系统溶解氧含量异常解决对策。

1、凝结水抽取系统介绍

某核电厂凝结水抽取系统主要包括：两台冷凝器，三台凝结水泵，两个疏水接收箱，凝结水过滤器及相应管道和阀门等，凝结水抽取系统流程如图1所示。凝结水抽取系统是核电厂汽水循环中非常重要的一个环节，接收汽轮机低压缸排出的乏气，通过海水冷凝，冷却后进入水回路。

冷凝器是一种表面式热交换器，循环冷却水（海水）在管束内流过，冷凝管束处的蒸汽。在冷凝器内，由于蒸汽凝结其体积骤然缩小，形成一定真空，其压力为凝结水温度对应的饱和压力，同时冷凝器抽真空系统（CVI）及时抽出不凝结气体，保持冷凝器内压力为凝结水温度对应的饱和绝对压力。

某核电厂凝结水泵为三级立式沉箱型离心泵，正常两台泵运行，一台备用。在凝结水泵出口弯管上设置有机械密封装置，防止凝结水沿泵轴向外泄漏，机械密封正常由凝结水泵出口母管供应密封和冷却水（除氧水），另外轴封密封水设计由常规岛除盐水分配系统供应作为后备（含氧水）。

图1凝结水抽取系统流程图^[2]

2、某核电厂凝结水抽取系统溶解氧含量升高原因分析

根据上文介绍，若凝结水中溶解氧超过控制范围，需查找原因并将溶解氧降低至正常控制范围内。下面介绍一下国内某核电厂凝结水抽取系统溶解氧含量升高的一些原因。

2.1 凝结水泵备用轴封水漏入导致凝结水抽取系统氧含量升高

某核电厂一期建造四台百万千瓦压水堆机组，其中1/2号机组由于冷凝器与凝结水泵之间设计高度落差和3/4号机组不同，其中3/4号机组冷凝器正常运行时热井水位至凝结水泵机械密封装置落差足以保证在凝结水泵启动或者跳泵后惰转时，冷凝器热井水靠重力，能够给凝结水泵提供密封水。因此该核电厂3/4号机组在整个运行期间，凝结水泵轴封水全部由泵出口母管供应，备用密封水长期处于关闭状态。其中该核电厂1/2号机组，为防止在凝结水泵启动或者停运惰转期间发生机械密封装置干磨情况，设计要求SER密封水供应管线阀门保持开启。因设计不同，2016年该核电厂2号机组出现冷凝器氧含量居高不下情况，经最终排查，排查原因为凝结水泵SER轴封水高氧水漏入凝结水抽取系统，导致凝结水抽取系统氧含量异常升高。

2.2 汽轮机轴封系统疏水箱U型水封溢流管吸气导致凝结水抽取系统氧含量升高

汽轮机轴封系统（CET）主要功能是对汽轮机、给水泵汽轮机的轴封和汽轮机截止阀及调节阀的阀杆填料函提供密封蒸汽，防止外部空气漏入气缸影响机组真空，同时也防止蒸汽外泄。轴封系统排气经轴封冷却器凝结成水后流入疏水箱，疏水箱中水通过阀门自动控制最终排往冷凝器，同时为防止疏水箱液位过高，疏水箱设计有U型水封溢流管。该核电厂3号机组曾在2016年出现凝结水抽取系统氧含量异常升高情况，经最终排查为汽轮机轴封系统疏水箱U型水封溢流管吸气导致空气漏气冷凝器，吸气原因为U型水封水柱高度不足，使得溢流管排冷凝器管线裸露，未形成有效水封，导致空气吸入。汽轮机轴封系统流程图如图2所示。

图2汽轮机轴封系统流程图

2.3冷凝器抽真空系统（CVI）抽真空泵出力不足导致凝结水抽取系统氧含量升高

某核电厂冷凝器抽真空系统（CVI）主要由两级液环式真空泵及抽气管道组成，系统主要功能为抽出冷凝器中随蒸汽带入的不凝结气体和由大气漏入的空气，建立和保持冷凝器真空度，提高汽轮机经济效益。

液环式真空泵由转子、进口、出口、锥面及工作液等组成，如图3所示，转子与外壳有一定偏心距，当转子在壳体内转动时，在泵壳内形成一个偏心的旋转液环，对冷凝器内的气体进行吸入、压缩和排出等过程，达到从冷凝器内抽出空气的目的。

图3 液环式真空泵工作原理图^[2]

对于两级液环式真空泵而言，第一级转子旋转从冷凝器内吸出不凝结气体，经压缩后从第一级排气口排气，直接与第二级进气口相连，再经第二级压缩，从第二级排气口排出至气水分离水箱。冷凝器抽真空系统流程图如图4所示。

图4 冷凝器抽真空系统流程图

^[3]

该核电厂在冷凝器抽真空系统（CVI）真空泵切换或者正常运行期间，曾多次出现凝结水抽取系统氧含量异常变化情况，经过对真空泵进行切换，切换期间跟踪凝结水抽取系统溶解氧含量变化趋势，最终锁定原因为真空泵出力不足导致影响凝结水抽取系统溶解氧含量。

2.4机组低功率运行工况导致凝结水抽取系统氧含量升高

某核电厂冷凝器在低功率运行情况下，尤其是核功率小于8%pn，凝结水抽取系统氧含量升高至20-75ppb水平（正常小于5ppb），经调查国内同类型核电厂存在相同现象，经综合分析，低功率下凝结水抽取系统氧含量升高原因如下：

1）凝结水过冷度升高

低功率下，蒸汽对凝结水的再热能力低，凝结水过冷度升高，水中溶解氧的能力提高，使得凝结水抽取系统溶解氧含量升高。

2）真空边界扩大

低功率下，真空边界的范围扩大，真空去除不凝气体的效率降低，水中不凝结气体溶解量增加导致凝结水氧含量升高。

3）冷凝器补水

在正常功率运行期间，冷凝器补水对凝结水抽取系统氧含量影响不大，但是在机组低功率运行期间，由于此时冷凝器热井水循环量降低，此时冷凝器补入高氧水，降导致凝结水抽取系统溶解氧含量升高。

4）冷凝器蒸汽量较少

正常功率运行期间，冷凝器内由于大量蒸汽凝结其体积骤然缩小，形成一定真空，当低功率运行情况下，进入冷凝器蒸汽量减少，蒸汽凝结形成真空能力降低，使得冷凝器真空度降低，造成凝结水抽取系统氧含量升高。

2.5其他因素导致凝结水抽取系统氧含量升高

1）取样管线漏水导致仪表测量值上涨

某电厂曾发生多起因取样管线安全阀漏水，导致空气通过漏水点扩散进入取样回路导致仪表测量值上涨情况，经对取样管线安全阀漏水点进行维修后，溶解氧测量仪表恢复至正常测量范围。

2）真空边界漏气

真空边界阀门关闭不严或者存在内漏也是导致凝结水抽取系统氧含量升高的一个原因，此时需要对真空边界整体进行全面排查。

3）冷凝器海水温度和流量

海水温度降低或者流量增大，将会导致凝结水温度降低，使得凝结水过冷度增大，水中氧的溶解度将升高，导致凝结水抽取系统溶解氧含量升高。

3、凝结水抽取系统溶解氧含量异常解决对策

上文主要介绍了某核电厂运行期间凝结水抽取系统溶解氧含量升高的一些原因，下面来介绍下该核电厂日常期间一些应对凝结水抽取系统溶解氧含量异常的解决对策。

1）当发现凝结水抽取系统溶解氧含量异常上涨时，需结合该系统其他取样仪表进行辅助判断，确定是否为系统溶解氧含量真实上涨。可参考凝结水抽取系统阳电导率与溶解氧变化趋势进行分析，正常情况下若系统溶解氧含量真实升高，其主要原因为空气漏入导致，空气在漏入系统时，空气中CO2会与凝结水中氨反应，生产碳酸铵，将会导致凝结水阳电导率同步出现上涨情况，下图5为某核电厂3号机组凝结水溶解氧异常时，阳电导率与溶解氧关系图。若凝结水中只有溶解氧发生异常上涨，而阳电导率未出现明显变化，此时需要重点排查是否为由于溶解氧测量仪表故障或者取样管线有漏水导致凝结水抽取系统溶解氧含量异常。

图5凝结水溶解氧与阳电导率变化趋势图

2）当发现凝结水抽取系统溶解氧含量真实升高时，需要对于凝结水泵SER轴封水进行重点排查，同时某核电厂根据其电厂内发生凝结水泵SER轴封水漏入导致凝结水抽取系统氧含量异常升高的反馈，对于凝结水泵SER轴封水逆止阀安装方向进行了改动，将原来轴封水逆止阀由垂直方向安装改变为水平位置安装，此改动有利于保证凝结水泵备用SER轴封水供水回路密封性，防止在凝结水泵运行期间，高氧含量水通过凝结水泵轴封水漏入系统。改造示意图如图6所示。

图6凝结水泵SER轴封水逆止阀改造示意图

3）针对汽轮机轴封系统疏水箱U型水封溢流管吸气问题，当出现凝结水抽取系统氧含量真实上涨时，需立即对U型水封溢流管进行吸气检查，短期措施可以通过调节溢流管疏水去冷凝器阀门的开度进行管线负压调整，降低吸气现象。长期措施为将U型水封溢流管进行适应性改造，增加U型水封水柱高度，保障在正常运行期间水柱能够始终淹没通向冷凝器排水管线。

4）当通过采取以上措施均无法降低凝结水抽取系统溶解氧含量时，此时需进行真空边界阀门密封性检查，同时可对液环式真空泵出力进行检查，检查是否为真空泵出力不足导致冷凝器抽真空能力不足。可通过监测液环式真空泵工作液温度、密封水泵工作电流、真空泵运行电流等手段对真空泵运行情况进行排查^[3]。根据现场实际运行经验发现，通过保持液环式真空泵密封水箱持续小流量补水，可以有效降低密封水温度，进而保证真空泵出力，该项操作对降低凝结水抽取系统氧含量有良好的效果。

4、结束语

核电厂凝结水抽取系统溶解氧含量的控制，能够减少二回路腐蚀产物向蒸汽发生器的迁移量，进而保障蒸汽发生器传热效率。掌握并熟悉凝结水抽取系统溶解氧含量的影响因素，当溶解氧含量异常时，通过进行有针对性的系统排查和处理，及时恢复凝结水中溶解氧含量到控制标准范围内，对于保障机组稳定安全运行有重要的意义。

参考文献：

[1] 石建中.核电机组凝结水溶解氧超标问题理论分析与试验研究[A]. 核 动 力 工 程,2015(6):145-149.

[2]寇全喜.压水堆核电站系统与设备[B].福建宁德核电有限公司，2015

[3]凌学会.浅谈寒冷地区核电厂液环式真空泵的运行及维护[J].内蒙古科技与经济，2019 (3):84-86.

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