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                海阳核电海水淡化技术分析

                发布时间: 2018-01-20 10:01:54   作者:无   来源:
                由于核电站的特殊性,其安全稳定运行需要大量安全、可靠淡水水源作为保证,而核电站建设地水库水源受制于季节和气候变化,在干旱缺水时节无法有效保证核电站大量淡水供应,因而海水淡化技术就成为各滨海核电厂解决淡水水源有效途径之一。
                目前海水淡化领域,应用最为广泛并形成产业化规模的几种方法分别为低温多效蒸馏法;多级闪蒸法;反渗透法。
                上述三种海水淡化方法各有优劣,反渗透法海水无相变过程,能耗较低,但预处理要求严格且反渗透膜需定期更换;多级闪蒸法单机容量大,产水水质高,预处理过程简单,主要控制进水的含沙量,但设备运行温度高,结垢严重,能耗大,初期工程投资高;低温多效蒸馏法海水蒸发温度不超过70℃。减缓了设备腐蚀和结垢,能耗较低,但低温多效蒸馏设备体积较大,装置费用较高。
                海阳核电站选用的方案为反渗透海水淡化处理工艺。

                1海阳核电海水淡化项目概况
                海阳核电12号机组淡水水源取自厂址北侧23km处的盘石水库,批准取水量8000t/d,待海阳34号机组投产后盘石水库供水能力3×106t/a将无法满足海阳核电淡水用量,盘石水库向海阳核电淡水供应量如表1所示。
                因而海阳核电海水淡化规模按照满足海阳4台机组淡水用量设计,规划场地250m×110m,系统设计出力700t/h,并预留56号机组海水淡化设备扩建场地,海水淡化投产后,盘石水库水源将作为备用水源。反渗透设备及其配套取水泵、保安过滤器、高压泵、能量回收装置和升压泵等设备分2批供应,一期工程布置2套反渗透装置,每套反渗透装置设计出力175t/h,满足12号机组淡水用量,二期工程增加2套反渗透装置以保证34号机组淡水用量。

                2海水淡化各主要工艺系统和关键设备
                系统主要工艺流程:海水(夏季为原海水,冬季为机组冷却水温排水)→混凝、沉淀设备→V型砂滤池→清水池→给水泵→卧式细砂过滤器→反渗透高压泵(含能量回收装置及高压泵)→海水反渗透装置→淡水池→水泵→各淡水水源用户。

                2.1取水系统
                海阳核电海水淡化系统春、夏和秋季海水水源取自经循环水系统鼓型滤网过滤后海水,12号机组设置4台立式长轴泵,设计流量480m3/h,布置于一期循环水泵房内,安装标高0.2m,将海水升压后输送至海水淡化处理厂房,1号机组投运时,泵组31备,12号机组投运时,泵组22备。当3号机组投运时,系统在二期循泵房内增加2台立式长轴泵,泵组33备,4号机组投运时,泵组42备。
                冬季海水淡化系统海水水源取自凝汽器出口的温排水,一期工程设置4台卧式离心泵,设计流量480m^3/h,分别布置于12号机组凝汽器出口侧-14.20m层,当1号机组投运时,布置于1号机组凝汽器出口侧的泵组11备,2号机组投运时泵组22备。3号机组投运时,系统在3号机组凝汽器出口侧增设2台卧式离心泵,泵组33备,当4号机组投运时,泵组42备。海水取水系统将经海水淡化系统电解制氯设备制备NaClO杀菌后的海水输送至混凝沉淀池。

                2.2预处理系统
                根据海阳海水水质,海水淡化系统采用混凝沉淀池+V型滤池+卧式细砂过滤器的预处理工艺,用以去除海水中的悬浮物、有机物、胶体、微生物等。
                海阳核电混凝沉淀池总出力为2700m^3/h,设置3组混合絮凝沉淀池,每组处理水量为900m^3/h,单池尺寸30.53m×14.00m×6.30m,入口进水管前端设置1DN500L=3000mm的法兰连接的玻璃钢材质涡旋式管道混合器,用以混合聚合氯化铝、聚合氯化铁等混凝剂和聚丙烯酰胺(PAM)等助凝剂。
                加药后海水进入絮凝池,絮凝池为立式流向翻腾式絮凝池,内设湍流凝聚设备,利用颗粒碰撞发生的凝聚效应,通过改变水流结构形式创造的湍流凝聚条件,控制湍流强度,形成不同强度的微涡旋,控制碰撞强度和有效碰撞次数,在短时间内发生凝聚,通过水力分级,使水流剪切力逐级递减,絮体增大和密实,以提高湍流凝聚效果。
                湍流凝聚设备采用改性PVC材质,按照水力梯度分为三级凝聚:第一级1028×837mm^2,流速0.12m/s;第二级1388×880mm^2,流速0.09m/s;第三级1414×1387mm^2,流速0.06m/s;每座混凝沉淀池共计26个湍流凝聚设备单体。单体湍流凝聚设备散件包括立柱、型材、配套安装组件、安装支撑角钢等,具体结构如图1所示。
                经絮凝池后,海水进入受控沉淀池。沉淀池设置由大板及肋条热熔焊接成的斜板受控沉淀设备。
                设备材料为乙丙共聚材质,大板长1000mm,宽310mm,高1000mm,间距25mm,厚度1mm,海水上升流速0.8mm/s,安装方式为60°倾角斜铺,结构如图2所示,每套受控沉淀池安放336m^23套沉淀池共计1008m^2,设备在利用浅池沉淀理论的基础上,通过结构控制碰撞凝聚作用的产生,提高矾花在设备内碰撞凝聚的概率,在一定高度形成密实、抗冲击、动态悬浮泥渣层,可拦截、过滤、吸附絮状物,从而保证沉淀池的出水效果。
                受控沉淀设备上部布置集水槽用以汇流经混凝沉淀后的海水,设备材质选用玻璃钢。单根集水槽尺寸为长6500mm,宽160mm,高340mm,集水孔直径25mm,每套沉淀池布置20 根,3套共计60根,具体布置如图3所示。
                沉淀池下部设置排泥斗,以降低排泥系统的堵塞,排泥管管段并联设置角阀与蝶阀,用于排泥。预处理系统混凝沉淀池总体结构如图4所示。
                海水经絮凝沉淀后通过V型滤池进水总渠,溢过堰口后经两侧的V型槽,进入滤池进行过滤。系统共设置3套混凝土结构V型滤池,每套处理能力为900m^3/h,单套滤池长2574mm,宽1765mm,高5000mm,滤池中央为双层排水渠,将V型滤池分开,水渠上层低于V型槽用汇流以滤池反冲洗水,下层为反冲洗气、水分配渠,正向过滤器汇流过滤后的海水,反洗时用以分配反冲洗气和反冲洗水,系统设置3V型滤池反冲洗水泵及3台反冲洗罗茨风机,气洗强度1317L/S·m^2,水洗强度46L/S·m2
                海阳核电海水淡化系统选用单层均质滤料,材质为海砂,承托层海砂粒径48mm,装填厚度100mm,过滤层选用粒径0.91.2mm海砂,厚度1200mm,砂层下部为整体浇筑式滤板,如图5所示。
                滤板内均匀设置滤座用于插入可调试长柄滤头,用以进一步过滤海水,滤头采用ABS材质,结构如图6所示。
                V型滤池过滤后海水经2套清水池静置后,由5台海水反渗透水泵输送至卧式细砂过滤器进行进一步过滤。系统共设置8台卧式细砂过滤器,单台设备尺寸为Ф3028×12445mm,过滤器分为4室,每室最大处理能力为68m3/h,上下部各设置一个人孔用于设备检修,另设置观察窗,单台设备最大处理能力为272m^3/h,设备本体采用碳钢材质,内衬胶防腐。细砂过滤器上部铺设4层均质海砂,底层为承托层厚度为100mm粒径2.55mm,第二层厚度为150mm粒径1.62.5mm,第三层厚度为150mm粒径0.51.6mm,顶层滤层厚度为800mm,粒径为0.30.5mm,下部采用多孔板,板上设置ABS材质双速水帽。系统设置2台卧式细砂过滤器反冲洗水泵及2台反冲洗罗茨风机,气洗强度30L/S·m2,水洗强度12.5L/S·m2

                2.3反渗透系统
                经预处理系统过滤后的海水,一部分用于海水淡化系统电解制氯,系统设置2套电解海水制氯装置,单台设备出力3kg/h,用于制备取水系统的杀菌剂NaClO,剩余海水在添加还原剂NaHSO3、阻垢剂TitanASD200SCH2SO4、杀菌剂BioGuard ACS(S)后进入海水淡化反渗透系统。
                海水在经过预处理系统时,由于预处理水池防腐材料剥落、设备管道可能存在杂质以及可能发生的二次污染等,经V型滤池和细砂过滤器过滤后的反渗透进水中,仍可能存在粒径较大的固体颗粒,这些固体颗粒物不仅会对高压泵叶轮造成损伤,经高压泵升压后也会严重损坏反渗透膜元件,并影响反渗透设备产水率和脱盐率,因而系统在每台反渗透高压泵前设置1台保安过滤器,用以保护高压泵及反渗透装置。单台保安过滤器设备尺寸Ф750×2697mm,单台设备出力440m^3/h,材料为碳钢衬里,内壁浸塑,外壁涂刷耐海水腐蚀的防腐漆,过滤器内放置PP材质折叠式滤芯,过滤精度5μm
                经保安过滤器过滤后,海水进入反渗透高压泵,系统共设置4台卧式多级离心高压泵,高压泵由变频器控制,可避免海水反渗透装置启动时膜组件受高压水的冲击,同时能够调节海水反渗透的运行压力,单台设备流量175m^3/h,扬程压力6MPa,材质选用耐海水腐蚀的双相不锈钢,为反渗透系统运行提供足够的压力能,用以克服海水的渗透压。
                在海水淡化系统设计时,回收率大小对投资费用和运行费用有很大影响。在一定的范围内,提高回收率,可以减少给水量从而减少引水工程、预处理设备及相应水泵的容量、也可以减少添加化学药剂的用量,因此可以降低投资和运行费用。在目前的技术水平下,反渗透海水淡化工程的回收率一般在35%50%。本工程按40%的回收率进行设计。
                海水淡化系统共设置4台反渗透装置,一期工程先行布置2套,满足12号机组需求,单套反渗透装置设计出水量175m3/h(15),膜元件采用美国陶氏公司聚酰胺材质涡卷式反渗透膜,型号为SW30HLE400i,单套反渗透装置布置49支膜壳内装343根膜元件,允许pH值为211,通量范围1320L/S·m2,设备除盐率99.3%(20),反渗透膜结构如图7所示。
                经反渗透装置除盐后,一路出水为最终产出的淡水,经添加杀菌剂NaClO后,汇流至6座工业水池,工业水池容量可保证部分海水淡化系统设备故障维修时,持续为全厂供应淡水,且工业水池的储存水量和备用淡水水源能够保证海水淡化设备全部停用时为厂内供水,以保证系统在预期时间内修复。淡化水给水泵房内布置6台淡化水给水泵,单台水泵流量50m3/h,扬程压力0.7MPa;布置4台除盐水原水泵,单台水泵流量160m3/h,扬程压力0.35MPa,用以将淡水输送至除盐水厂及厂内其他淡水用户。工业水池内添加NaOH以便于除盐水系统而设置的二级反渗透去除CO2,并定期添加缓蚀剂用以减缓后续管道、设备的腐蚀。
                经反渗透装置除盐后,另一路出水为浓盐水,浓盐水进入能量回收装置进行能量回收,以节省电能,反渗透装置和能量回收装置管道均采用耐海水腐蚀的双相不锈钢材料。当前主流能量回收技术主要有以下几种。
                a.水力透平式能量回收装置。其原理是利用浓盐水驱动涡轮转动,通过轴与泵和电机相连,将能量输送至进料原海水,过程需要经过水压能-机械能-水压能两步转换。原理如图8所示,其原理简单、技术成熟、占地面积小、维护费用低,但缺点是经过两次能量转换,能量回收效率低。
                b.活塞式阀控压力交换器式能量回收装置。其原理是采用2个大直径液缸,其中一个液缸中高压浓水推动活塞将能量传递给低压原海水向外排液,另一个液缸中供料泵压入低压原海水补液并排出低压浓水,2个液缸在PLC和浓水换向阀的控制下交替排补海水,从而实现浓水能量转换成原海水能量的回收过程。
                其中具有代表性的为瑞士Calder AG公司的DWEER装置,其原理如图9所示,其能量回收效率高,液缸内部设置活塞从而避免了压力交换过程中浓盐水与原海水的混合,但需要外加动力以实现LinX阀内部活塞的往返运动。
                c.转子式能量交换装置。其能量回收效率高,能量交换过程不需外加动力,结构紧凑,但其能量交换过程中浓盐水与原海水会造成少量混合,提高了反渗透进水的含盐量,此外需定期更换反渗透膜元件。
                海阳核电海水淡化系统采用的能量回收装置为ERI公司生产的PX转子式能量回收装置,回收效率94%。其原理为PX能量回收装置将高压浓盐水的压力直接传递给低压新鲜原海水,这两股水流在转子的内通道中通过隔层完成压力交换。转子装在一个间隙尺寸精确的陶瓷套中,该陶瓷套位于2个陶瓷端盖之间。当高压浓盐水注入时,可形成一个几乎无摩擦的水力轴承。在水力轴承里旋转的转子是PX装置中唯一的运动部件。在任意时刻,转子内通道的一半处于高压浓盐水流中,而另一半则处于低压原海水流中。转子转动时,通道会通过一个将高压和低压隔离的密封区。这些含有高压浓盐水的通道与相邻的含有低压原海水的通道被转子通道间的隔断和陶瓷端盖形成的密封区隔离,其原理如图10所示。由海水供水泵供应的原海水进低压区左侧的通道,该水流将浓盐水从通道的右侧排出。
                在转子转过密封区后,高压浓盐水从右侧流入通道,对海水增加压力,受压后的海水再流入循环泵。转子每旋转一圈,这个压力交换过程就在每个通道内重复,从而不断有水流注入和排出。转子公称转速为1200r/min。经PX量回收装置加压后的原海水通过升压泵加压后进入反渗透装置进行除盐,每套反渗透系统设置1PX能量回收升压泵,升压泵为卧式离心泵,流量265m3/h,扬程35m,材质为耐海水腐蚀的双相不锈钢。
                反渗透系统经长期运行后,膜元件表面会附着碳酸钙结垢、硫酸钙结垢、金属氧化物垢、硅沉积物及有机物、微生物沉积物等污染物,这些污染物会堵塞膜元件影响海水除盐率和产水量。此外,在设备正常运行时,浓盐水会被不断排放,而系统一旦停机后,由于海水渗透压的作用,浓水侧会从产水侧回吸大量淡水,这也会对反渗透膜的脱盐层造成损害。因此海水淡化系统设置反渗透化学清洗装置在设备长期运行和停机后清洗反渗透装置。
                化学清洗装置设置125m^3的化学清洗水箱,水箱材质为碳钢内壁衬胶,内设4×75kW电加热器用以加热清洗水,清洗水源取自工业水池。清洗水动力源为1台流量为450m3/h,扬程30m的卧式离心泵,水泵材质为耐腐蚀的SS316L,并经1Ф750×2697mm反渗透膜清洗过滤器过滤,过滤器材质为碳钢内壁称胶,内装PP材质滤芯,过滤精度5μm
                对于膜元件中无机污染物选用氨水将1%2%浓度柠檬酸或草酸调整为pH24后,进行清除;对于有机污染物选用三聚磷酸钠溶液将0.025%浓度的十二烷基硫磺酸钠调整为pH710后进行清除。
                反渗透停机后,首先利用pH24的柠檬酸溶液循环清洗反渗透装置,待酸洗完毕后,再利用清水冲洗反渗透装置,直至进水pH约等于出水pH值后,停止清洗,清洗完毕后,化学清洗设备投入1%浓度的NaHSO3溶液来进行保护,待注满保护液后,所有阀门均关闭以防止空气进入反渗透装置。当环境温度在033℃范围时采用NaHSO3保护液,若温度低于0℃,则需添加18%甘油。2.4反渗透废液排出系统海水淡化系统设置2座废液收集池,用以收集反渗透排放的浓盐水、反渗透清洗水以及其他废水。系统布置4台立式自吸泵,过流部件均采用耐海水腐蚀的双相不锈钢,单台水泵流量600m^3/h,扬程20m
                为保证在获取淡水的同时,确保排除的浓盐水不伤害海洋生物与生态环境,海阳核电站委托中国海洋大学对海水淡化反渗透装置浓盐水进行了排放数学模型试验分析。根据分析结果,海水淡化浓盐水经与循环水混合稀释后排放,反渗透膜冲洗水等部分含有酸、碱的废液,经清洗水泵输送至DTS废水中和池,经搅拌中和达标后统一排放。

                3后续建议
                海阳核电海水淡化系统自201611月生产出合格淡水后,目前系统运行稳定。为进一步提高海水淡化系统产水量及综合利用效益,可考虑从以下几方面进行改进。
                a.目前海阳海水淡化系统反渗透装置前未设置电加热器,单套反渗透设备设计产水量为175m^3/h,其产水量对应的设计温度为15℃,但冬季自凝汽器出口侧海水温度约为10℃,对应产水量下降到145165m^3/h,因此反渗透装置前可增设电加热器或其他热源加热反渗透原海水,以提高冬季淡水产量。
                b.海水淡化系统设置2套电解海水制氯装置,电化学反应式为
                阳极:2Cl2eCl2
                阴极:2Na++2H2O+2eH2+2NaOH
                溶液中化学反应:Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O
                总反应式:NaCl+H2ONaClO+H2
                其主要利用海水中Cl制备NaClO,目前电解海水制氯水源为经细砂过滤器过滤后的海水,其Cl浓度近似等于海水盐度,根据《山东海阳核电厂工程海水淡化浓盐水数模试验项目研究报告》其盐度约为32Psu,经反渗透排出的浓盐水盐度为50Psu,因此电解海水制氯水源可取自反渗透浓盐水,不仅可增加单位海水中Cl浓度,提高电解效率,也可避免自细砂过滤器取水,增大进入反渗透装置进水量,从而提高反渗透装置淡水产量,另一方面也可实现对浓盐水的二次利用,减少浓盐水的排放量。