聂雪超，侯 涛，姜 磊，吴旭东
（三门核电有限公司，浙江 台州 317112）
蒸汽发生器（SG）是核电厂一、二回路的枢纽，是核电厂中最重要的设备之一。它的主要作用是将一回路冷却剂中的热量传递给二回路给水，加热给水产生蒸汽驱动汽轮机发电。蒸汽发生器中传热管作为一、二回路的分界面，对机组长期安全稳定运行起着至关重要的作用，其传热效率影响机组出力，其完整性则直接与放射性泄漏相关。
机组实际运行过程中，在SG 传热管二次侧由于水的沸腾蒸发导致化学物质“隐藏”浓缩，形成恶劣的局部化学环境，从而引起传热管腐蚀并影响SG 运行。因此，为更好地评估SG 长期运行的结构完整性，除了要控制好SG 二次侧大空间水质确保各参数按水质控制规范要求处于运行限值内，还需要结合大修停堆有针对性地进行SG 杂质隐藏盐返回试验，对SG 二次侧局部隐藏盐返回状况进行评估。
三门核电1 号机组为美国西屋公司设计的AP1000 （ Advanced Passive Pressurized-Water Reactor 1000，非能动先进压水堆）全球首堆，因其蒸汽发生器在设计上与其他二代核电存在不同，导致SG 隐藏盐返回试验评估方法与其他传统电厂存在差异。本文通过结合AP1000 SG 设计特点，开发出一套针对AP1000 特有的SG 隐藏盐返出的试验方法和评估流程，并在三门核电1、2 号机组大修期间进行运用，为二回路水质优化、确保SG 持续处于最优水化学环境提供保障。
在反应堆启动、升功率及满功率运行的过程中，炉水（排污水）中非挥发性溶液累积在流动闭塞区域，由于闭塞区域中水的蒸发造成杂质的隐藏现象。杂质的隐藏一般发生在SG传热管支撑板、管板、管板上方的泥渣堆或沉降在传热管上方的多孔腐蚀产物中。杂质主要有固体悬浮物Fe3O4、Cu、Ti 等，微溶离子Pb2+、Fe2+、Zn2+、Cu2+、Ca2+、Mg2+、SiO32-等，易溶离子如Na+、K+、Cl-、SO42-等。排污水中杂质浓度由给水流量、排污流量和蒸汽排放流量（一般杂质携带较少）、流动受限区域的杂质堆积损失率决定。
当反应堆降功率或者停堆排污时，流动闭塞区域中隐藏的杂质会重新溶解返回大空间水中，这种现象称为隐藏盐返回。隐藏盐返回主要研究的是以上隐藏的可溶性杂质离子，即易/微溶解性离子和低挥发性离子。
SG 进出的杂质输送控制关系可以根据SG 中的物料平衡来建立，如图1 所示。物料平衡关系可作如下描述：隐藏区域杂质的积累率 + 排污水中杂质的积累率 = 给水进入的杂质率 - 蒸汽带走的杂质率 - 排污带走的杂质率，得出公式（1）。
式中：C——杂质浓度，10-9；
W——质量流量，kg/h；
A——隐藏区域杂质浓缩量，μg；
t——时间，h；
M——SG 工质质量/水装量，kg；
下角：
FW——给水；
S——蒸汽；
BD——排污水。
根据以上物料平衡关系，结合不同运行阶段的特点，可分别得出稳定功率运行、降功率期间、热零功率 - 降温冷停堆阶段的计算公式。
1.1 稳定功率运行阶段
机组在稳定功率正常运行时，任何时间间隔Δt内的杂质隐藏以下面的增量公式来计算：
这里带横线的变量为Δt时间段内的平均值。根据（2）式，需要给出准确的给水、蒸汽、排污水和炉水中的杂质成分浓度。由于给水和蒸汽中杂质成分（如钠离子、卤离子和硫酸根离子）接近传统检测方法的可检测水平限值，且获得具有代表性的样品也存在很大的困难，因此，必须采取专门的实验方法，以便能够使用（2）式来估算杂质隐藏情况。
1.2 降功率阶段
在降功率期间，在时间间隔Δt内杂质隐藏盐返回量计算公式如下：
这里R表示时间Δt内从隐藏区域返出的杂质量。
由于排污水中的隐藏盐返回十分显著，蒸汽和给水中浓度的准确测量值无法得到，因此，可以将（3）式简化如下：
这个简化实际上相当于认为蒸汽和给水中输送的杂质数量与隐藏盐返回的杂质数量相比可以忽略不计。由于蒸汽中携带的杂质一般小于给水中携带的杂质，根据（4）式估算出的隐藏盐返回量是偏高的。需要注意的是，在计算中，应考虑在降功率期间，由于蒸汽的减少而导致SG 二次侧水体积的增加。
1.3 热零功率 - 降温冷停堆阶段
在热零功率～降温冷停堆阶段，蒸汽中携带的杂质可忽略。因此，可将（3）式简化如下用于估算隐藏盐返回。
通过以上各阶段的物料平衡关系，结合各阶段的水质分析结果，即可计算出蒸发器隐藏物返出量。
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AP1000 在设计上与传统电厂存在较大差异。
2.1 浓缩倍率不同
AP1000 设计给水流量6 800 m3/h，正常排污最大流量42 m3/h，SG 浓缩倍率约160 倍，国内M310 机组SG 浓缩倍率约85 倍，根据蒸发器设计特点，相同水质条件下，浓缩倍率高，腐蚀产物、杂质离子等更容易在SG 内部发生沉积、隐藏。即以上公式中CFW相同的情况下，CBD将存在较大差异，对计算过程造成影响。
2.2 SG 给水和排污流量不同
从以上公式中可以看出，给水、排污和蒸汽流量均为计算输入值，因AP1000 给水流量较传统 M310 机组要大（AP1000 流量为6 800 m3/h，传统M310 机组约为5 000 m3/h 左右），排污流量较M310 机组要小（AP1000 单列排污流量为20 m3/h，传统M310 电厂约为30 m3/h），将对计算过程造成影响。
2.3 SG 水装量不同
从以上公式可以看出，蒸汽发生器水装量为计算输入值，因 AP1000 蒸发器水装量与M310 机组存在差异（AP1000 约为150 m3，M310 约为100 m3），将对计算过程造成影响。
2.4 SG 支撑板上的管孔结构不同
AP1000 单个SG 设计有10 块支撑板，支撑板结构如图2 所示，采用三叶草形管孔结构[1]。传热管位于管孔内部，水汽通过传热管与支撑板的缝隙向上流动，由于淤渣密度大，其将不同程度的停留在各级支撑板管孔间的实心区域。如图3 所示，而国内M310 机组SG 支撑板上的管孔设计成拉制的“四叶梅花形管孔”[2]，较AP1000 机组接触面积要大，更容易发生腐蚀产物沉积。
根据隐藏盐返回量计算机理分析，以上差异将对SG 隐藏盐返出计算评估过程造成影响。基于此原因，下文将根据AP1000 设计特点，开发出一套适用于AP1000 蒸发器隐藏物返出的试验方案及评估方法。该方法在AP1000 机组——三门核电1、2 号机组进行应用，评估当前水化学状况，为二回路水质优化、SG 持续处于最优水化学提出建议。
结合AP1000 机组设计特点，对AP1000隐藏盐返出试验方法及评估流程进行开发，整个试验流程如图4 所示。
3.1 试验方法开发
根据EPRI 蒸发器隐藏盐返出导则中推荐的取样频率及分析项目要求，结合同行经验，确定出AP1000 蒸发器隐藏盐返回试验的实施方案，不同阶段的取样频率、分析项目要求如表1 所示。在隐藏盐返回研究中，同时记录一、二回路的温度、压力、SG 水位、主给水/启动给水流量、排污流量等参数，为隐藏盐返回计算提供原始数据。
表1 取样频率、分析项目要求[3]Table 1 Requirements for the sampling frequency and analysis items[3]
3.2 杂质隐藏盐返回具体评估流程开发
通常，隐藏盐返回评估流程主要包括杂质隐藏盐返回总量计算和缝隙化学计算，具体评估流程如下。
3.2.1 隐藏盐返回量计算
首先对ChemWorks软件HR Project模块进行建模[4]，计算出不同阶段蒸发器液位、液体质量、液体体积和功率之间的相互关系，为降功率期间、降温停堆期间隐藏盐返回总量计算提供输入。
（1） 蒸发器液位与水装量（体积）的关系计算
在执行隐藏物返出试验期间，根据水质分析结果，需根据不同阶段的水装量将离子含量换算至SG 本体中，进行隐藏盐质量及后续缝隙区域高温pH（t）计算。表2 统计了AP1000 SG窄量程液位与水装量的关系。
表2 AP1000 不同SG 窄量程液位下单个SG 水装量（体积）Table 2 The water capacity (volume) of single SG under different SG narrow range levels in AP1000
将表2 中的数据进行拟合，如图5，得出蒸发器中水装量（质量）和窄量程液位变化的关系式：
式中：V——SG 水装量（体积），m3；
NR——蒸发器窄量程液位，%。
将表3 中的数据进行拟合，如图6 所示，得出蒸发器中水装量（质量）和功率变化的关系式：
表3 AP1000 不同功率平台下单个SG 水装量（质量）Table 3 The water capacity (mass) of single SG under different power platforms of AP1000
式中：M1——不同功率下SG 中水的质量，kg；
M0——零功率平台下SG 中水的质量，kg；
P——功率，%。
分别将公式（6 ）、公式（7 ）输入ChemWorksHR Project 模块，并将表1 中Na+、Al3+等所需分析杂质离子信息输入，隐藏盐返回量计算的准备工作完毕。
3.2.2 不同浓缩因子状况下SG 传热管垢层底部及狭缝区域的高温pH(t)值计算
一般来说，核电厂SG 在运行过程中，其二次侧大空间水环境一直保持碱性，但在流动性较差的狭缝内，局部过热会使这些区域的杂质发生浓缩，致使局部区域含有大量侵蚀性离子，形成恶劣的局部化学环境，甚至可能会导致狭缝内形成酸性环境，因此需要根据杂质隐藏量计算缝隙化学高温pH(t)值。
结合计算出的降功率期间、降温停堆期间隐藏盐返回总量，分别计算降功率期间和降温停堆期间杂质隐藏盐返回对应的杂质浓度，通过ChemWorks 分析软件MULTEQ 模块模拟计算缝隙化学高温pH(t)值。
以上试验方案及评估流程建立后，三门核电1、2 号机组大修过程中均执行了SG 隐藏杂质返出试验，其中101 大修SG 隐藏杂质返回试验从2019 年12 月3 日6:00 开始至2019 年12 月4 日11:20 结束，历时29.33 小时；
201 大修SG 隐藏杂质返出试验从2021 年1 月31 日7:45 开始至2021 年2 月1 日13:20 结束，历时29.58 h。
4.1 各杂质隐藏盐返回总量计算结果与分析
根据分析结果，输入ChemWorks 软件进行隐藏盐返回量计算。表4 计算得到的三门101大修和201 大修杂质隐藏盐返回量，并记录了其他M310 电厂大修期间SG 隐藏盐返回量。通过比较可以看出，AP1000 电厂在设计的浓缩倍率偏高的情况下，但杂质返出量与同行M310电厂基本相当。一方面与AP1000 管板结构相关，另一方面则是由于AP1000 电厂在二回路水质控制方面采用国际新技术、借鉴先进的方法，严格过程控制，实施全面质量管理，在不同阶段采用不同的控制方式，从设计源头、设备安装、系统冲洗路径设计、量化冲洗水质的验收指标、及时开展系统设备的保养、严格执行机组启动时的二回路冲洗排污水回收、尤其是及时跟踪参数趋势变化并采用有效的方案纠正异常、严格化学品的管理和使用，确保二回路水质得到持续优化。
表4 各电厂大修期间杂质隐藏盐返回量[5]Table 4 The hideout return amount of impurities during outage of each power plant[5]
续表
图7 为201 大修期间杂质离子的隐藏物返回量随时间变化的趋势。可以看出，整个试验期间，热态零功率至冷停堆期间大部分杂质离子的隐藏盐返回量明显大于100%功率至热停堆期间的杂质隐藏盐返回量，特别是Ca2+、Mg2+离子。根据SG 杂质隐藏盐返回的机理和特点，一般情况下，从100%功率到热停堆阶段，隐藏盐返回的杂质主要来自传热管垢层底部；
从热停堆到冷停堆阶段，隐藏盐返回的杂质主要来自SG 狭缝（包括管板上方泥渣堆处、传热管与支撑板狭缝和传热管与管板狭缝），这说明杂质主要隐藏在SG 狭缝中。对Ca2+、Mg2+隐藏盐返回量及对应浓度随SG 隐藏盐返回研究时间而增加的原因进行分析，可以认为随着热停堆向冷停堆过渡，Ca2+、Mg2+升温溶解度随温度降低而增加，其形成的结垢物质因溶解而从SG 狭缝中返出。
4.2 SG 传热管结垢垢层底部、狭缝内部高温pH 计算结果与分析
利用大修期间降功率和热态零功率平台SG 杂质的隐藏盐返回量，作为模拟计算高温pH 的输入值。图8、图9 为模拟计算201 大修期间SG 内部在不同浓缩因子（CF）条件下的高温pH(t)值。
图8 所示是降功率期间隐藏盐返出量计算预测的高温pH(t)与浓缩因子（CF）的关系。由图 8 pH(t)与 CF 之间的关系曲线可知，当CF≤103时，移除沉淀物的pH(t)、不移除沉淀物的pH(t)都在中性pH（pH(n)）附近，随着浓缩因子增加，移除沉淀物的pH(t)和不移除沉淀物的pH(t)继续增加，当CF≥107后移除沉淀物的pH(t)继续增加，不移除沉淀物的pH(t)逐渐降低。根据SG 杂质隐藏盐返回的机理及特点，通常情况下，从100%功率到热停堆阶段，隐藏盐返回的杂质主要来自传热管垢层底部。隐藏盐返出数据模拟计算不移除沉淀物的pH(t)和移除沉淀物的pH（t）结果显示传热管表面垢层的化学环境在较低浓缩因子CF≤103条件下呈中性，较高浓缩因子CF＞103条件下呈碱性。
图 9 所示是零功率热停过程隐藏盐返出量计算预测的高温pH(t)与浓缩因子（CF）的关系。通常认为零功率热停阶段，隐藏盐返出的杂质主要来自SG 狭缝（包括管板上方泥渣堆处、传热管与支撑板狭缝和传热管与管板狭缝）。由图9pH(t)与CF 之间的关系曲线可知，当102＜CF≤108，不移除和移除沉淀物的 pH(t)高于pH(n)，当CF＞108，除2#SG 不移除沉淀的pH(t)处于pH(n)附近外，1#SG 移除沉淀物和不移除沉淀物的pH(t)、2#SG 移除沉淀的pH(t)仍高于pH(n)。在较低浓缩倍率CF≤102条件下缝隙处pH(t)呈中性。
根据国外研究成果[6]，正常运行状况下，SG 传热管结垢垢层底部的最大浓缩因子（CF）为103，而SG 狭缝杂质的最大浓缩因子（CF）为106，即杂质质量浓度可以从大空间的ppb 级最大浓缩到%级。当狭缝里出现大量的泥渣堆积，且泥渣堆积厚度高，空隙率小时，表现为最严重的杂质浓缩，此时达到最大的浓缩因子，伴随的是局部狭缝将会出现局部蒸干现象，即SG 二次侧局部温度与一次侧温度相同。因此在计算高温缝隙化学 pH 时降功率期间对应的传热管结垢垢层底部杂质的浓缩因子取值范围设为10～103，热零功率阶段对应的狭缝内部的浓缩因子设为104～106。
根据相关研究结果[6]，pH(t)在3.5～10.5 范围内690 合金发生腐蚀的可能性很小。综上所述，SG 传热管垢层底部和SG 狭缝内部pH(t)在推荐的安全范围之内，水质状态较好，发生腐蚀的概率很低。
本文结合AP1000 SG 设计特点，开发出一套AP1000 特有的SG 隐藏盐返出试验方法和评估流程，并在三门核电1、2 号机组大修期间进行运用。通过试验及评估，AP1000 电厂SG 正常工况运行期间二次侧存在较少量的杂质隐藏，隐藏量与同行电厂相当；
根据高温pH（t）计算结果，在不同的浓缩环境下传热管结垢垢层底部呈弱碱性至中性环境，SG 狭缝区域内呈弱碱环境，均在推荐的安全范围内，说明当前水质状态较好。该试验方法及评估流程的开发及应用，对于后续新机组设计、调试、启动及正常运行期间的水化学控制具有一定借鉴作用。