Коррекционные ВХР 2-х контуров для ВВЭР-440

СПЕЦВОПРОС 

«Коррекционные  водно-химические режимы II-х контуров для АЭС с ВВЭР-440»   

10. Общие проблемы  организации водно-химического  режимов энергоблоков 

     Водно-химический режим (ВХР) не может быть выбран и  оптимизирован изолированно от конкретных конструктивных особенностей отдельных элементов оборудования (с их гидродинамикой, температурным режимом, наличием механических напряжений и т. п.), характеристик соответствующих конструкционных материалов и, наконец, параметров водного теплоносителя и рабочего тела. Кроме того, с каждым годом все более сильное влияние на водно-химический режим и методы его поддержания оказывает неукоснительное требование учета воздействия на окружающую среду - количество и характеристики образующихся стоков, возможность их сброса в водоемы, радиационную обстановку и т. п.

      Общие задачи организации водно-химических режимов электростанций могут быть сформулированы кратко следующим образом. Водно-химический режим должен обеспечивать:

- нормальную гидродинамику рабочей среды по всем элементам пароводяного тракта;

     - интенсивный и надежный теплообмен во время эксплуатации;

- отсутствие отложений тех или иных примесей, нарушающих гидродинамику или теплообмен;

- возможность поддержания всех физико-химических характеристик рабочей среды в пределах установленных норм, в том числе и в области двухфазной среды;

- возможность ограничения радиоактивных загрязнений теплоносителя и рабочего тела на допустимом для эксплуатации и ремонта уровне;

- отсутствие отрицательного воздействия на окружающую среду вследствие сброса отходов как ТЭС, так и АЭС.

     Каждая  из перечисленных задач организации  водно-химического режима энергоблоков может, естественно, иметь различное  значение для отдельных элементов оборудования. Важным, однако, является принцип комплексного подхода к оптимизации водно-химического режима энергоблока в целом. 
 

11. Водный режим парогенераторов  АЭС с ВВЭР и  его нормирование 

      Водный  режим парогенераторов двухконтурных  АЭС с водным теплоносителем первоначально осуществлялся как бескоррекционный, так как коррекция фосфатами в СССР с самого начала развития атомной энергетики была отвергнута. Известно, что фосфатирование предотвращает кальциевые накипи, но приводит к образованию гидроксилапатита, выпадающего в водяном объеме в виде шлама. В котлах ТЭС этот шлам поступает с пароводяной смесью в свободный водяной объем барабана котла, откуда он выводится с непрерывной продувкой. В парогенераторах АЭС водяной объем корпуса в очень большой мере занят тесным теплообменным пучком. В этих условиях фосфатный шлам, отлагаясь на поверхностях трубок, уменьшал бы полезную поверхность теплообмена и сужал площадь прохода пароводяной смеси между трубками. Все эти явления и привели к отказу от фосфатирования.

      Бескоррекционный  водный режим парогенераторов АЭС  с ВВЭР не исключает железо-оксидных отложений, причем шлам осаждается не только в нижней части корпуса парогенератора, но в большей мере и на теплообменных трубках парогенераторов АЭС с ВВЭР, однако без значительного концентрирования, как в парогенераторах с нижней трубной доской. При этом увеличивается термическое сопротивление переходу теплоты от теплоносителя к кипящей воде, т. е. снижается общий коэффициент теплопередачи и уменьшается производительность парогенератора, т. к. увеличение температуры теплоносителя исключено. Во избежание этого проектно-конструкторские организации предусмотрели довольно большой запас поверхности теплообмена парогенератора (20-25%), что является недостатком бескоррекционного водного режима, так как удорожает парогенератор. Кроме того, неизбежность отложений вызывает необходимость периодических очисток, проведение которых в условиях АЭС является довольно трудоемкой операцией и создает дополнительное количество радиоактивных вод, подлежащих переработке. В наибольшей мере бескоррекционный водный режим неблагоприятен для охлаждающих вод с большой жесткостью в отсутствие 100%-ой конденсатоочистки.

      Надежный  водный режим парогенераторов АЭС  с ВВЭР требует 100%-ой конденсатоочистки, высокой степени очистки добавочной воды, непрерывной байпасной очистки воды парогенератора.

      В настоящее время приняты следующие  нормы:

Таблица 21. Нормы водно-химического режима при работе парогенератора на мощности. 

12. Байпасная очистка парогенераторов  ВВЭР

      Как уже упоминалось выше, необходимо непрерывно выводить из парообразующего агрегата примеси, поступающие в него с питательной водой. Из паровых котлов продувочная вода после расширителя и поверхностного теплообменника может быть сброшена в канализацию. В парогенераторах АЭС имеет место незначительный переток в них среды первого контура. В связи с этим вода парогенераторов блоков ВВЭР радиоактивна и очистка ее со сбросом недопустима. У парогенераторов устанавливается байпасная ионообменная очистка с возвратом очищенной воды в парогенератор. Поэтому расход очищенной воды парогенератора лишь условно назван продувкой. При наличии 100%-ной конденсатоочистки потребная байпасная очистка у парогенератора уменьшается.

      Байпасную очистку можно производить или  при полном давлении (см. рис.4), или  при пониженном (см. рис. 5). В последнем случае при снижении давления от парогенераторного p_пг до деаэраторного p_д из воды парогенератора образуется количество пара, равное b на 1 кг воды, причем 

                               ,    (12.1)

где и - энтальпии воды при температурах кипения для давлений в парогенераторе и в деаэраторе, кДж/кг; - теплота парообразования при давлении в деаэраторе, кДж/кг.

1 - парогенератор;

2 - регенеративный подогреватель;

3 - доохладитель продувочной воды;

4 - катионитный фильтр;

5 - анионитный фильтр;

6 - насос байпасной очистки.

      При этом на очистку на фильтрах и охлаждение в теплообменниках будет направлен  не полный расход продувочной воды парогенератора, а лишь его часть: (1-b). Это удешевляет установку. Но по сравнению с представленной на рис. 4 установка, показанная на рис. 5, требует большего расхода электроэнергии на насос возврата очищенного конденсата. В последнее время предпочтение отдано схеме рис. 4, с учетом радиоактивности воды парогенератора. Радиоактивность байпасной очистки находит свое отражение и в ее наименовании - спецводоочистка. В системе АЭС установка у парогенератора имеет номер 5 и кратко именуется поэтому СВО-5. 
 

1 -подача воды на очистку;

2 -дроссельная шайба;

3 - расширитель;

4 - сброс пара в деаэратор;

5 - регенеративный подогреватель;

6 - доохладитель;

7 - катионитный фильтр;

8 - анионитный фильтр;

9 - насос возврата очищенной воды в         парогенератор;

10 - подача в парогенератор.

13. Коррекционные режимы ПГ ВВЭР 

      Анализ  норм (см. табл. 21) показывает, что соблюдение их не исключает отложений на теплообменных трубках. В самом деле, допустимые концентрации Fe в питательной воде (15 мкг/кг) существенно превышают значения истинно растворенных соединений железа; в еще большей степени это относится к воде парогенератора. Поэтому в парогенераторе при любой концентрации для любого водного режима конденсатопитательного тракта отложения неизбежны. Коррекционные ВХР позволяют не только снизить количество отложений, но и имеют ряд других преимуществ перед бескоррекционным режимом. Рассмотрим коррекционные режимы подробнее. 
 

13.1 Гидразинно-аммиачный  режим  

     Гидразинно-аммиачная  обработка питательной воды парогенератора способствует:

- «смыву» основной массы отложений, образовавшихся на внутренних поверхностях теплосилового оборудования;

- предотвращению образования железоокисных и медистых отложений на трубчатке парогенераторов;

- образованию защитной (пассивирующей) пленки на поверхности конденсатно-питательного тракта после полного удаления продуктов коррозии.

Аммиак вводится для поддержания в питательной  воде pH=9,1±0,1. Щелочная среда, созданная аммиаком, способствует обескислороживанию питательной воды гидразином. В непромытом тракте гидразингидрат вступает в реакцию с окислами железа и меди: 

     6Fe₂O₃+N₂H₄®N₂+2H₂0+4Fe₃O₄;

     2CuO+N₂H₄®2Cu+2H₂O+N₂. 

После этого  связывается кислород: 

     N₂H₄×H₂O+O₂®N₂+3H₂O.  

     Для постоянной работы насосов-дозаторов, что является необходимым условием при коррекционной обработке питательной воды, в рабочих баках исходного раствора поддерживается концентрация гидразина не выше 0,15%, а концентрация аммиака не выше 0,0025%.

     Как показал опыт Кольской АЭС, в результате коррекционной обработки содержание продуктов коррозии во втором контуре  существенно уменьшилось: железа до 20-40 мкг/кг (при начальном содержании до 100 мкг/кг), меди до 5-10 мкг/кг (против 60 мкг/кг). Значительно (в 2-3 раза) понизилось содержание окислов железа в продувочной воде парогенераторов; прозрачность продувочной воды установилась в пределах 90-100%.

     Осмотр  парогенераторов показал, что удельная загрязненность поверхностей нагрева снизилась до 5-20 г/м² (против 55-70 г/м²), причем отложения присутствовали только в районе гибов. На основной поверхности теплообмена отложения практически отсутствовали.

13.2 Гидразинно-комплексонный  режим 

     Суть  его заключается в том, что  перед ПНД дозируют гидразин, а  за 10-15 м перед ПГ вводят раствор комплексона. В качестве него применяют обычно двузамещенную натриевую соль этилендиаминтетрауксусной кислоты - трилон Б. Гидразин уменьшает вынос продуктов коррозии в рабочее тело, а комплексон образует со всеми катионами прочные, хорошо растворимые комплексы.

     Комплексонный водный режим парогенераторов АЭС  с ВВЭР может проводиться как для отмывки «на ходу» ранее образовавшихся отложений, так и для предотвращения образования отложений. Строго говоря, речь идет не вообще о ликвидации отложений, а об обеспечении их преобразования в плотные слои, внутри которых упаривание невозможно.

     Определение расхода комплексона (мкг/кг) производят по формуле: 

            ,  (13.2.1) 

.  где -жесткость питательной воды, мкг-экв/кг; , , - концентрации железа, меди и цинка в питательной воде, мкг/кг.

     При комплексонной обработке питательной  воды парогенераторной воды АЭС с  ВВЭР необходимо:

1. автоматизировать дозировку от расхода питательной воды для недопущения передозировки комплексона;
2.   следить за тем, чтобы концентрации дозируемого раствора комплексона были не более 15 г/л;
3. производить ввод комплексона только в питательный трубопровод на расстоянии 10-15 м от его входа в парогенератор, с защитой места ввода комплексона (см. рис. 6);
4. бак концентрированного раствора, а также весь тракт от этого бака до места ввода в трубопровод и клапаны насосов дозировки выполнять из аустенитных нержавеющих сталей. 

1 - подача раствора комплексона;

2 - трубопровод питательной  воды;

3 - защитная «рубашка».

     Место ввода раствора комплексона в трубопровод должно быть защищено «рубашкой»  (см. рис. 6) во избежание попадания на стенки труб холодного концентрированного раствора до его смешивания с основным потоком воды. Несоблюдение этого условия может вызвать как циклические термические напряжения в металле питательного трубопровода, так и его интенсивную местную коррозию.

     Дозировочные  насосы следует устанавливать индивидуально  на каждый парогенератор. Целесообразно  иметь резервные дозировочные насосы (по два на блок) с возможностью их подключения к любому парогенератору в случае останова его дозировочного насоса. В настоящее время дозирующие установки для комплексонного режима входят в состав всех новых проектов АЭС с ВВЭР. Наряду с этим проектируются установки для действующих АЭС с ВВЭР. Принципиальная схема узла приготовления и дозировки раствора комплексона приведена на рис. 7. Производительность дозировочного насоса (л/ч) можно найти по формуле: 

            ,    (13.2.2)

где - концентрация трилона Б в питательной воде, определенная по формуле (13.2.1), мг/кг; 15 - предельная концентрация дозируемого раствора, г/л; 0,6 - коэффициент, учитывающий увеличение комплексообразующей способности комплексона в связи с его термическим разложением.

      Состав  этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) позволяет предположить, что в процессе деструкции комплексона в результате его термического разложения (при температуре выше 423 К) в растворе образуются амины. Об этом свидетельствует повышение pH в процессе термического разложения. Можно полагать, что образующиеся амины обладают комплексообразующей способностью и что именно вследствие этого комплексообразующая способность ЭДТА в процессе термического разложения повышается. При значительном повышении температуры (выше 543 К) происходит разложение и аминов, вследствие чего комплексообразующая способность теряется полностью. Таким образом, в процессе термического разложения комплексона его комплексообразующая способность не только не уменьшается, но даже увеличивается.

     Рассмотрим  особенности комплексонного  водного  режима парогенераторов АЭС с ВВЭР-440 по сравнению с котлами ТЭС средних давлений. Давление в парогенераторе составляет 4,7 МПа, cоответствующая температура равна 259°С. При этом будет происходить термическое разложение комплексонатов железа с образованием магнетита на перлитных сталях. Для котлов это означает создание пленки, защищающей от коррозии всю трубную систему, как обогреваемую, так и не обогреваемую. Для парогенератора это означает создание магнетитной пленки только на корпусе, но не на теплообменной поверхности. На последней могут разлагаться и создавать защитные пленки только комплексонаты хрома и никеля. За 30 лет эксплуатации блоков АЭС с ВВЭР суммарная толщина магнетитной пленки, образующейся на корпусах, составит не более 1,5 мм. Создание таких отложений на корпусах парогенераторов защитит их от коррозии и соответственно уменьшит переход в воду парогенераторов продуктов их коррозии. Кроме того, осаждение большей части оксидов железа на поверхностях корпусов уменьшит сорбцию комплексов железа на очистной установке СВО-5, увеличив длительность ее эксплуатации между регенерациями. Это особенно важно в условиях радиоактивности установки.

7 - дренажная линия бака;

8 - насос-дозатор;

9 - обратный клапан;

10 - питательная вода;

11 - задвижка;

12 – пар.

1 - парогенератор;

2 - бак-мерник раствора комплексона;

3 - водоуказательное стекло;

4 - бак приготовления раствора комплексона;

5 - электропривод мешалки;

6 - отбор питательной воды;

     В условиях бескоррекционного водного режима катионы железа, кальция и магния, а также взвешенные формы этих примесей задерживаются преимущественно катионитом и лишь незначительная часть, по-видимому, коллоидных форм железа, имеющих отрицательный заряд, задерживается на анионите.

     При комплексонном водном режиме основная доля катионов поступает на ионообменные фильтры в форме соединений, имеющих  отрицательный заряд, и поэтому  задерживается на анионите.

     Кремниевая  кислота при комплексонной обработке  сорбируется преимущественно анионитом, и в этом смысле ее поведение не отличается от поведения при бескоррекционном водном режиме.

     При переходе от бескоррекционного водного  режима к комплексонному основные показатели обменной емкости смол не изменяются, но так как теперь основная доля катионов в виде соединений с отрицательным зарядом задерживается на анионите, то необходимо изменить соотношение анионита и катионита в пользу первого.    
 

14.Вывод  

     Основное  преимущество коррекционных водно-химических режимов в том, что они позволяют более эффективно использовать парогенераторы, т.к. уменьшается количество отложений на теплообменных трубках и создается защитная пленка, что, в свою очередь, способствует снижению интенсивности местных видов коррозии и увеличению сроков между отмывками парогенераторов.

     В настоящий момент наиболее распространенным является гидразинно-аммиачный режим, т.к. он наиболее опробован в традиционной теплоэнергетике и более дешев  чем гидразинно-комплексонный.