摘要：田湾核电站一至四号机组设计有地漏水处理系统，用于净化地漏水，得到蒸馏水和浓缩蒸残液，系统运行时存在碱液消耗量大的问题。造成碱液消耗量大的原因主要是高浓度硼酸因为一些原因排向了KPF系统，以及KPF二级蒸馏器浓缩合格率低，高浓度硼酸反复在KPF系统内流转。本研究主要从优化运行方式的角度，提出了减少排放向地漏水处理系统的硼酸量，以及提高地漏水处理系统二级蒸馏器蒸馏合格率的方案，从而减少氢氧化钠溶液、硼酸消耗量，减少放射性废物的产生。
关键词：地漏水处理；放射性废物；核电厂
Study on operation mode of reducing alkali consumption in Drainage treatment system
Peng Bin
（JNPC，Lianyungang city of Jiangsu Province）
Abstract：No.1 to No.4 units of Tianwan nuclear power station are designed with drainage treatment system，which is used to purify the drainage and obtain distilled water and concentrated residual liquid.There is a problem of large alkali consumption in the operation of the system.High concentration boric acid is discharged to KPF system for some reasons，and the qualified rate of concentration of KPF secondary distiller is low.High concentration boric acid flows in KPF system repeatedly.From the point of view of optimizing operation mode，this study puts forward a plan to reduce the amount of boric acid discharged into the ground water leakage treatment system and improve the distillation qualification rate of the secondary Distiller in the drainage treatment system，so as to reduce the consumption of sodium hydroxide solution and boric acid and reduce the generation of radioactive waste.
Keywords：Drainage treatment；Radioactive waste；Nuclear power plant
1、当前问题
田湾核电站三四号机组地漏水处理系统KPF用于蒸馏净化地漏水，同时得到蒸馏水和放射性浓缩液。蒸馏水达到排放标准后排放到环境，在二级蒸发器蒸馏后的浓度达到350g/L-400g/L（或硼酸浓度85 g/L -100g/L）时，将其传送至放射性废液收集系统KPK10水箱，再进一步固化处理。蒸馏前，当地漏水箱中硼酸浓度小于1g/L，则可以直接蒸馏；当硼酸浓度大于1g/L，需要加入氢氧化钠溶液调节pH，至pH大于11，方可蒸馏。
加入氢氧化钠溶液主要目的是调节废液体系中的钠硼比，降低结晶温度，防止含硼废液产生硼结晶而堵塞管道，影响地漏水处理系统以及放射性废液贮存系统正常运行。
目前该系统的运行情况是，单台机组一个换料周期内地漏水处理系统约需蒸馏65次，其中约34次地漏水箱KPF20BB001/002中硼酸浓度大于1.0g/L，且pH小于11。即约有53%的几率需要通过KBD10系统向KPF20BB001/002水箱加30%氢氧化钠NaOH溶液调pH，一个换料周期调节pH消耗30%的氢氧化钠溶液约13吨。
导致53%几率需要加碱的原因是高浓度硼酸由于某些原因进入了KPF系统。一方面，因为高浓度的硼酸溶液进入地漏水处理系统，导致蒸馏前不得不使用浓碱溶液调pH至大于11，消耗大量氢氧化钠溶液，另一方面，机组因硼酸消耗每个换料周期还需补充大量硼酸。当前一个换料周期一台机组约需要通过LFG系统补充约48吨40g/L的硼酸溶液，配制硼酸溶液需消耗干硼酸1.92吨。而这些消耗的浓碱和硼酸，最终都进入了KPK系统，形成放射性固体废物。放射性固废处理成本较高，消耗硼酸和浓碱的同时，将为后期三废处理增加成本，增加环保压力。
2、硼酸来源调查
KPF系统来水情况非常复杂，通过研究系统设计文件、运行数据，结合运行期间一些化学分析数据可以调查高浓度硼酸来源。
排向地漏水处理系统中水的来源有：
控制区厂房地漏水、离子交换器的再生水、过滤器的冲洗和卸料水、设备去活化溶液、设备和房间去活化后的清洗水、取样系统及化学实验室的排水、辅助系统不可控泄漏、去活化水池的排水、洗澡水和洗脸水、一级蒸发器、二级蒸发器、SG（蒸汽发生器）的化学清洗水、辅助系统的疏水。
2.1不含硼、低硼水来源
这些来水中，设备去活化溶液、设备和房间去活化后的清洗水、取样系统及化学实验室的排水、辅助系统不可控泄漏、去活化水池的排水、洗澡水和洗脸水、一级蒸发器、二级蒸发器、SG（蒸汽发生器）的化学清洗水、辅助系统的疏水，大部分为不含硼废水，少量为含硼量很低的水，不会造成KPF系统硼酸浓度＞1g/L。离子交换器再生水为再生KPF40、LCQ树脂床排水，不含硼酸。
地漏水来源复杂，包括了辅助厂房（UKA）地漏水系统（KTH40）来水，以及反应堆厂房（UJA）的特排系统（KTF40）收集的厂房地面疏水及工艺疏水。
其中辅助厂房（UKA）地漏水子系统（KTH40）主要收集UKA厂房93m-24m各层不含硼的放射性废水，分别是：
KPF贮槽间、KPF和KPK系统阀门间及泵房的疏排水。
KPF系统水力旋流器间、阀门间和蒸发器间的疏排水。
LCQ、KAA系统离子交换过滤器间的疏排水。
KPL-1系统以及KPL-2、3系统设备间、阀门间的疏排水。
公用放射性管廊、管道竖井间的疏排水。
对一回路及其相关系统取样及放化分析间的疏排水。
以及有组织疏水：
KPF、KPL系统疏排水。部分FAL、JNK、KTF、KTL、KBB、KBC-1和KBF系统的疏排水。KLE系统的凝结水以及部分KAA系统和不含硼KUA取样系统疏水。
正常情况下，来水不含硼或含硼很低。
反应堆厂房（UJA）的特排系统（KTF40）收集的主要是UJA34m平台以及其他楼层（22m、16m）过道区的地面疏水，以及有组织疏水：
FKK10/20系统的去污液。
KTB-1系统的疏水。
JMN的疏水。
KLA系统的疏水。
JEA系统的疏水。
KAA系统的疏水。
多数为不含硼或含硼浓度较低的放射性废水。
此外KTT40系统收集放射性水平较高的放化实验室排水以及FKK40/50化学去污槽的去污废液，排向KPF系统地漏水箱。此排水不含硼、有放射性。
正常情况下，以上直接排向地漏水箱KPF12BB001的废水大部分不含硼酸，或者含硼量很低，正常情况不会造成KPF20水箱中硼酸浓度＞1g/L。
2.2浓硼水来源
除了以上水源，还有含硼疏水收集系统KTC排向地漏水系统KPF的含硼水。
含硼疏水收集箱正常接收的是：
反应堆厂房特排水系统（KTF子系统KTF60，KTF70，KTF80）；
安全厂房特排水系统（KTL子系统KTL30）；
辅助厂房特排水系统（KTH子系统KTH60）；
纯凝结水供给系统水箱 KBC11/12；
乏燃料水池冷却系统（FAK）；
含硼水保存系统水箱（JNK）；
冷却剂贮存系统水箱KBB11/12；
化容系统除气器KBA10；
一回路冷却剂处理系统（KBF）；
燃料水池和含硼水箱水净化系统（FAL）。
这些含硼水通常浓度高，有放射性。
2.2.1 TOC高导致浓硼排向KPF
正常情况，浓度较高的含硼水收集至KTC水箱，再排向一回路冷却剂贮存系统KBB，后经过一回路冷却剂处理系统KBF蒸馏浓缩净化后回收。
KTC水箱中水质满足以下指标要求时，排向KBB系统水箱：
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当水质不满足要求时，排向地漏水箱KPF12BB001。
长期运行结果是KTC水箱中TOC指标经常性超过500mg/L，从而依照运行程序只能将其排放至KPF系统。机组根据长期运行经验，已将一些会产生较高TOC的操作，固化到了运行操作单中，将其排向KPF系统，比如KBB、FAK系统离子交换器的冲洗排水等。这样的一些操作每年会数次向KPF系统排入大量浓度远大于1g/L的含硼水。经化学取样分析这些排水到达KPF20水箱后，浓度可以达到4g/L-10g/L。这是造成KPF系统硼酸浓度高的重要原因。
日常取样KTC水箱中TOC一般小于150mg/L，由于KTC收集的疏水来源非常多，任何一路来水异常均会引起水箱水质偏离。查阅历史运行曲线发现，KTC在大修前后排向KPF系统的水次数较多。其原因主要为：离子交换器冲洗排水、地坑水质较差时排水。
离子交换器TOC较高的原因主要有：
新装载的树脂；
运行时吸附了较多TOC杂质，冲洗时脱离；
树脂因辐照分解产生。
新装树脂不含硼，冲洗水直接排向KPF系统，不会引起硼酸浓度高。运行时吸附的TOC大部分来自系统检修工作时进入疏水系统的油污。T301大修后三号机组KTC水箱TOC长期偏高，后经查找发现KTF60/80地坑内有油污，经冲洗干净后TOC降至正常范围。其油污来自于大修期间主泵检修工作。
因KTC系统不能在线监测TOC，只能通过手动取样分析，故常有TOC超标的水非预期排向一回路冷却剂贮存系统KBB，后续这些TOC吸附于KBF、KBB等系统的离子床，在离子床冲洗时重新引起KTC接水TOC偏高。
因此，在大修期间，可以禁止向地坑排放含油废水，在大修结束前，应对所有有地坑泵的地坑进行冲洗，此时将废水排向KPF系统。
2.2.2 树脂卸载、冲洗导致浓硼排向KPF
除了TOC高导致高浓度硼酸排至KPF系统外，KBF、FAL、KBB离子交换器在失效后需要卸载重新装载。卸载过程废水经KPK系统后汇集至KPF系统。因为这些离子交换器树脂在运行时硼酸浓度很高，KBF50AT001/002硼酸浓度接近40g/L，虽然卸载前有硼酸置换操作，但往往由于置换时间不足、或KBB接水空间有限等原因，置换出去的硼酸十分有限。大部分硼酸最终进入KPF系统，进入了浓缩流程。这也是导致机组硼酸消耗量大的一个重要原因。
2.2.3浓缩合格率低，浓硼在KPF系统内反复流转
此外，二级蒸馏器浓缩合格率低，高浓度硼酸不能排向KPK，只能排回KPF系统反复蒸馏也是另一个导致KPF水箱硼酸浓度＞1g/L的原因。
当二级蒸发器的浓缩液达到350 g/L -400g/L（或者硼酸浓度85 g/L -100g/L），能够固化时，排放至放射性废液储槽；当浓缩液的浓度<300g/L或者硼酸浓度小于85g/L，未达到固化浓度则返回至地漏水箱。二级蒸馏器相对于KPF20水箱的实际浓缩比率约为15倍，当KPF20系统水箱内硼酸浓度低于5.6g/L时正常蒸馏，二级蒸馏器中浓缩液浓度将不能满足排向KPK的标准，只能重新回到KPF系统。这样，按照规程要求进行蒸馏，低于5.6g/L的硼酸将不易蒸馏合格排向排向KPK，而长期在KPF系统内流转。KPF20水箱将长期因硼酸浓度高而需要加入氢氧化钠溶液调节pH。
利用系统设计参数计算，二级蒸馏器相对于KPF20水箱浓比可以达到约70倍，即当KPF20水箱中硼酸浓度达到1.2g/L-1.43g/L或者总固浓度达到5g/L-5.7g/L时，二级蒸馏器浓缩液将能达到总固350g/L-400g/L（或者硼酸浓度85g/L-100g/L）的排放标准。经分析，二级蒸馏器浓缩合格率低的原因主要有：
加热蒸汽流量不足；
蒸汽疏水不畅；
停运蒸馏时，一级蒸馏器中仍留存较多浓度较高的一次浓缩液；
KPF20水箱中的硼酸、总固浓度过低。
3、结论
综上所述，地漏水系统来水复杂，但地漏系统排水不会造成KPF系统硼酸浓度高，造成KPF系统水箱硼酸浓度高的主要原因是：
KTC水箱中高浓度硼酸因TOC高排向KPF系统；
离子交换器卸载过程高浓度硼酸经KPK排放至KPF系统；
KPF二级蒸馏器现行运行浓缩倍数不够，浓缩合格率低，高浓度硼酸反复在KPF系统内流转。
针对以上原因，可以相应制定以下一些措施，优化KPF系统运行：
a）对维修人员宣贯，禁止将废油污排向地漏、地坑系统；
b）大修后期，使用除盐水对排向KTC系统的地坑进行冲洗，冲洗后对KTC水箱进行取样分析，TOC合格方可排向KBB，防止TOC进入一回路冷却剂相关系统；
c）新装树脂冲洗水排向KPF，后续硼化后的冲洗水排向KTC回收至KBB水箱，通过取样分析重新审查操作单中排向KPF系统的操作；
d）对KTC水箱设置在线TOC监测仪表；
e）水质异常时及时查找原因，防止过多硼酸长时间排向KPF系统；
f）离子交换器卸载前可以用KBB水箱低浓度硼酸置换硼酸，再用除盐水置换，将离子交换器硼酸大部分回收至KBB系统后，再进行卸载。
g）适当提高二级蒸馏器加热蒸汽流量，提高二级蒸馏器浓缩倍率；
h）根据二级蒸馏器取样浓度，将一级蒸馏器中的一级浓缩液排至二级继续浓缩，减少排回KPF20中的硼酸和总固。
以上措施，大部分可以通过优化现行运行方式实现，实施成本较低。控制住排向KPF系统的高浓度硼酸，提高二级蒸馏浓缩合格率之后，KPF系统碱液消耗量预计将能够下降至当前10%以下，机组硼酸消耗量、放射性固废产量预计将较大降低。
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论文作者:彭彬
论文发表刊物:《电力设备》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/30