某核电站1号机组补给水系统水箱内除盐水来源于水制备装置，制备水电导率小于0.05μS/cm。但由于补给水系统各水箱为非密封设计，除盐水直接与大气相通，二氧化碳等气体不断溶解于除盐水中，造成除盐水的电导率不断升高，通过取样测量日常水箱内除盐水电导率在0.7~0.8μS/cm。当机组功率运行时使用日常水箱向机组凝汽器供给除盐水时，由于除盐水电导率高，会造成凝结水（凝汽器内凝结水电导率0.1μS/cm左右）和给水系统的电导率波动，进而可能影响相关工作人员对系统状态的判断，甚至造成误操作。
为了消除正常补水对二回路水质的负面影响，对比同行电站的经验，决定从补给水系统除盐水箱的密封入手，使除盐水与大气隔离，减少二氧化碳溶解到除盐水中影响水质。鉴于补给水系统的重要性，需开展降低核电机组补水源除盐水电导率方法的研究工作。
目前国内外除盐水箱密封技术主要有缓冲水隔离法、密封液密封法、塑料小球密封法、碱液呼吸器法、充氮密封法、橡胶气囊浮顶、组合式浮顶密封以及单层膜式柔性浮顶等。各种技术优缺点总结见表1。
表1 除盐水箱密封技术优缺点对比
缓冲水隔离法效果非常有限，无法解决根本问题；密封液密封法成本高且可能对系统造成污染；碱液呼吸器法需要以水箱内负压作为驱动力且设备体积较大；橡胶气囊浮顶和组合式浮顶安装和检修难度大且易损坏。因此，结合电厂实际情况综合考虑各密封技术优缺点，本文选择浮球密封法、充氮密封法和单层膜式柔性浮顶进一步开展试验研究。
1 试验装置及试验步骤
1.1试验回路
试验回路流程如图1，试验装置照片如图2所示。该试验回路主要由两个子系统组成，分别是：水循环系统和水质监测系统。其中水循环系统主要包括1水箱，5水泵，6离子交换树脂以及相应的管道和阀门。回路运行时打开阀门V01通过进水管为回路补水；补水完毕打开阀门V02，V03，V04，V05，V06，V07，启动水泵，此时回路内除盐水由水箱经过水泵及离子交换树脂后返回水箱完成循环，通过调节阀门V04，V05，V06的开度控制经过离子交换树脂的水流量，对回路内除盐水进行净化。水质监测系统主要包括11水电导率监测仪以及相应的管道和阀门，通过控制各阀门的开闭将相应测点的水引至电导率监测仪进行水质监测。
图1 试验装置流程图
图中1为水箱箱体，2为进水管，3为排水管，4为过滤器，5为水泵，6为离子交换树脂，7为流量计，8为水泵旁路管道，9为离子交换树脂旁路管道，10为1#水电导率探头，11为2#水电导率探头，12为取样支管，13为取样总管，V01为进水管阀门，V08为排水管阀门，V02~V07为净化系统阀门，VC01~VC06为取样仪表阀。
图2 试验装置照片
1.2 测量控制系统
测量控制系统由测控模块和测控主机组成，采用基于NI模块的采集系统，其测量精度高，可以达到较高的采集频率。测量信号包括水泵三相电流及水电导率信号。信号类型及其说明见表2。
表2 信号类型及测量仪表
另外，为保证回路正常运行，对离子交换树脂进出口压力、泵旁路温度，离子交换树脂流量以及水箱液位设置就地仪表进行了监测。
1.3 试验步骤
连续测量水箱除盐水电导率变化测量方法包括如下步骤：
（1） 为水箱箱体注入除盐水直至达到目标水量；
（2） 启动水泵，水箱箱体内的除盐水在水泵的驱动下由水箱箱体一侧下部流出，依次经过过滤器、水泵、离子交换树脂旁路管道然后由水箱箱体对侧上部的回水管道流回水箱箱体，由水电导率探头1#测得系统内除盐水电导率值；
（3） 关闭水箱箱体顶面对空开孔，通过观察流量计读数，调节阀门开度来控制流经离子交换树脂的除盐水流量，使净化系统净化速率满足实验要求，直至水电导率探头1#读数达到实验要求的电导率值；
（4） 停止水泵，根据要求打开所需测量位置对应的取样支管上的取样仪表阀，然后打开取样总管上的取样仪表阀VC06，则水箱内的除盐水经相应的取样支管流至取样总管，流经水电导率探头2#后排出，此过程中可以测得水箱箱体该位置处的水电导率值；
（5） 根据实验要求，在规定的时间开启相应的取样仪表阀，即可获得不同时间水箱箱体不同位置处除盐水电导率值，进而获得水箱箱体内除盐水随时间的变化规律。
2 试验结果
2.1 基础试验
基础试验为水箱未采取任何覆膜措施的试验，图中红色竖线对应每日24时。取样过程中水电导率随时间的变化如图3所示，可以看出，本次取样过程持续291小时，水电导率由0.149μs/cm逐渐上升至0.780μs/cm。整体看来，水电导率上升速度逐渐变缓，这是因为水电导率越低（离子浓度越低）时CO2溶解速度越快，并且相同离子浓度变化对电导率影响也越明显。局部看来（D2、D4、D7、D11、D12），水电导率在日间上升速率较快，夜间上升速率放缓，如当天气温变化较大，甚至出现夜间电导率略微下降的现象。这说明环境因素在一定程度上会影响CO2溶解过程。
图3 基础试验取样过程中水电导率随时间的变化
对基础试验取样过程水电导率变化过程进行拟合，得到关系式如下：
(1)
2.2浮球试验
浮球主要有Ⅰ型Ⅱ型两种（如图4）。Ⅰ型浮球为发泡圆球，具有对液面面积变化适应性强、覆盖效果好、使用寿命长等优点。一般对液面作双层覆盖，特点是适应变径容器的覆盖。用于各种卧式酸贮槽，减少酸雾和各种气体的自身挥发及对周围环境的污染，单层覆盖率为92%，双层覆盖率为97%。Ⅱ型浮球为重心带边（配重）圆球，具有重心稳定，边与边重叠不易翻转的优点，提高了覆盖效果，覆盖率为99%。该方法适用于保护凝储水和除盐水箱的水质。
图4 液面覆盖球照片
浮球试验取样过程中水电导率随时间的变化如图5所示，可以看出，本次取样过程持续300小时，水电导率由0.108μs/cm逐渐上升至0.363μs/cm。整体看来，水电导率上升速度逐渐变缓；局部看来，亦存在水电导率在日间上升速率较快，夜间上升速率放缓的现象。水电导率变化趋势的原因与基础试验类似。
图5 浮球试验取样过程中水电导率随时间的变化
对浮球试验取样过程水电导率变化过程进行拟合，得到关系式如下：
(2)
2.3单层膜式柔性浮顶试验
近年国内市场出现的单层膜式柔性浮顶是一种抗水汽渗透能力强、密度小、耐腐蚀性强、不透气、延展性好、回弹性好的有机高分子材料。单层膜式柔性浮顶不需要浮块、气囊等附件就能自然漂浮在水面上，结构非常简单。因为单层膜式柔性浮顶的弹性很好，所以能够和水箱侧壁紧密结合，密封效果优良。同时具有安装方便、不易老化不易变形、维护方便的优点，非常适用于液体（水、酸、碱）的覆盖材料，目前国内已有电厂将其作为除盐水箱液体覆盖材料。其施工现场和完工效果分别如图6所示。使用单层膜式柔性浮顶的水箱运行过程中水箱水位不可过低，低水位运行时进水水流冲击可能造成浮顶打卷失去密封能力，严重低液位时可能将浮顶吸入出水管造成浮顶损坏和断水。
图6 单层膜式柔性浮顶完工效果
分别进行了95%覆盖率和99%覆盖率的单层膜式柔性浮顶试验。其中95%覆盖率试验取样过程中水电导率随时间的变化如图7所示。可以看出，本次取样过程持续267小时，水电导率由0.083μs/cm逐渐上升至0.585μs/cm。整体来看水电导率升高速度较快。局部看来，亦存在水电导率在日间上升速率较快，夜间上升速率放缓的现象，原因与基础试验类似。
图7 单层膜式柔性浮顶（95%覆盖率）试验取样过程中水电导率随时间的变化
对单层膜式柔性浮顶（95%覆盖率）试验取样过程水电导率变化过程进行拟合，得到关系式如下：
(3)
99%覆盖率试验取样过程中水电导率随时间的变化如图8所示，可以看出，99%覆盖率单层膜式柔性浮顶试验取样过程持续266小时，水电导率由0.087μs/cm逐渐上升至0.305μs/cm。整体来看水电导率升高速度明显减慢。
图8 单层膜式柔性浮顶（99%覆盖率）试验取样过程中水电导率随时间的变化
对单层膜式柔性浮顶（99%覆盖率）试验取样过程水电导率变化过程进行拟合，得到关系式如下：
(4)
2.4 充氮密封试验
充氮密封法是向水箱上部空间充入并维持一定的氮气压力，使水箱内水不与外界空气发生接触，以防止空气污染，该方法在国外电厂应用较广。
充氮密封试验取样过程中水电导率随时间的变化如图9所示，可以看出，本次取样过程持续290小时，水电导率由0.079μs/cm逐渐上升至0.267μs/cm。整体看来，水电导率上升速度逐渐变缓；局部看来，亦存在水电导率在日间上升速率较快，夜间上升速率放缓的现象。水电导率变化趋势的原因与基础试验类似。
图9 充氮密封试验取样过程中水电导率随时间的变化
对充氮密封试验取样过程水电导率变化过程进行拟合，得到关系式如下：
(5)
2.5 试验数据对比分析
图10对比了各试验取样过程中水电导率随时间的变化。
图10 各试验取样过程中水电导率随时间的变化
可以看出，水电导率上升速率由快到慢依次为基础试验、95%覆盖率单层膜式柔性浮顶试验、浮球试验、99%覆盖率单层膜式柔性浮顶试验、充氮密封试验。基础试验水电导率上升速度最快是因为未采取任何隔离措施，水箱内水与空气接触面积最大。95%覆盖率单层膜式柔性浮顶试验、浮球试验（覆盖率约97%）、99%覆盖率单层膜式柔性浮顶试验随着覆盖率的增大，水电导率上升速度减慢。充氮密封试验由于水箱上部气体空间内的空气被氮气取代，因此水电导率上升速率最慢。总之，不同措施对减缓水箱内水电导率上升作用效果主要取决于其对水与空气接触面的隔离能力，同时也可以看出空气的溶解速度不是很快，反映到电导率上是一个缓慢的过程。
3 结论
通过试验方法，结合电厂实际情况对浮球密封法、充氮密封法和单层膜式柔性浮顶进行了试验研究，主要结论如下：
（1） 充氮密封试验由于水箱上部气体空间内的空气被氮气取代，因此水电导率上升速率最慢；
（2） 单层膜式柔性浮顶方法与浮球方法原理类似，随着覆盖率的提高，水箱内水电导率上升速度减慢；
（3） 拟合得到了不同方法对应的水电导率变化曲线，可为后续工程改造提供理论支撑。
参考文献：
[1] 压水核电厂水化学控制（NB/T20436）. 2017版
[2] 核电厂结构材料的水化学和腐蚀（ANS），1999版
[3] 一种连续测量水箱去离子水电导率变化的装置.专利号ZL201920989720.3
[4] 一种连续测量水箱去离子水电导率变化的装置及测量方法.专利号ZL201910572592.7
[5] 俄罗斯专利：Устройство для непрерывного измерения изменения электропроводности деионизированной воды в резервуаре Регистрационный номер патентного поверенного:1083
作者简介：
刘世江（1980-），男，高级工程师，江苏核电有限公司，从事核电厂运行及常规岛设备研究。
