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          海水淡化技术在国内外核电站的工程应用

          发布时间: 2018-11-22 23:53:00   作者:无   来源:

                 海水淡化技术作为主要的淡水制取手段,自20世纪应运而生以来,已逐渐被全世界认可并广泛应用。迄今为止,全球范围内已有1.3万座之多海水淡化处理厂投入运行,淡化水产量可达35 Mt/d,并以10%~20%的年速度逐年增长。但是,高能耗依旧是制约海水淡化技术全面应用的主要问题。将高产能的核电站与高能耗的海水淡化技术结合起来,不仅能够解决核电站的用水问题,也能大大提高核能的利用效率。

          本文主要介绍国内外核电站对海水淡化技术的应用实例,并分析目前国内外核电站中海水淡化装置的应用差异,为我国核电行业今后的淡化水技术提供借鉴,甚至为海水淡化装置的全面推广提供思路。

          1我国核电站的应用

                 目前我国大陆核电站在运28台、装机容量26.148 GW,在建26台、装机容量29.12 GW,到“十三五”末,可以达到58 GW。我国已建和即将建成的工程累计海水淡化能力约为600 kt/d,淡化海水成本已降到4~5元/t。

                 海水淡化技术的日趋成熟及经济可行性的大步提升,以及我国沿海核电站得天独厚的水资源条件,诱使我国很多沿海核电站先后采用海水淡化技术来解决淡水使用问题,并取得了较好的效果。其中,红沿河核电站、宁德核电站、三门核电站、海阳核电站、徐大堡核电站、田湾核电站以及未来的山东荣成示范核电站均采用海水淡化技术为厂区提供可用淡水。而反渗透(RO)法因其显著的节能特点,成为我国核电站现有海水淡化装置的主流技术。

          1.1 红沿河核电站

                 红沿河核电站是我国核电系统投运海水淡化装置的第1个示范性工程。海水淡化的产能10.2 kt/d,于2010年6月正式产出合格水。其工艺流程主要分为前期预处理、后期预处理、一级反渗透及二级反渗透,具体如图1所示,工艺参数如表1所示。

           

           

                 超滤采用INGE DIZZER5000 PLUS膜元件,与市面上常用的单通道中空纤维膜相比,具有超滤效果显著、结构稳定、产水能力强、运行操作灵活等优点。同时,由于其独特的膜结构,膜丝粘连的问题已经彻底解决,而且大大缩短了膜冲洗时间。

                 一级反渗透采用3套并联,其中2套采用SW30 HRLE-400型反渗透膜元件,并采用PX180型能量回收装置,大大提高了系统的能量回收利用率。二级反渗透采用A、B 2列,且各有2套。A列选用6元件压力容器16个,一段二段压力容器比为11:5,每套装有膜元件96根;B列选用6元件压力容器6个,一段二段压力容器比为4:2,每套装有膜元件36根。各参数见表1。

                 红沿河核电站的海水淡化装置,超滤产水的污染指数(SDI)能够稳定在5以下,完全满足反渗透的进水要求。其水源水的电导率基本保持在45.7 mS/cm左右,经一级反渗透装置处理后,产水电导率可降到0.234 mS/cm,海水脱盐率为99.51%;经二级反渗透装置处理后,产水电导率可达到4.3 μS/cm,海水脱盐率为98.2%。

          1.2 宁德核电站

                 宁德核电站是中国第1座海岛式核电站,也是我国2007年颁布《国家核电发展专题规划(2005-2020年)》后,首个建造的以CPR1000为堆型的百万千瓦级核电站。该电站的淡水的年用水量约为3.63×106 m3左右,最高日取水量约为19.80 kt。

                 宁德核电站的海水淡化工艺,主要分为预处理、一级反渗透及二级反渗透,具体流程如图2所示,工艺参数如表2所示。

           

           

                 SW30HRLE-400i型号膜元件其突出的高产水率和高脱盐率,能够极大程度的降低海水淡化装置的运行成本,实现淡化水费用的最低化。同时,由于膜壳两端的独特的iLEC自锁结构,大大简化了膜组件的安装、固定流程,自锁功能还能有效减少产水“O”形密封圈的泄漏,保持膜组件结构的完整性与稳定性,避免出水受到污染。能量回收装置选用的PX220型,共4套16支,每支元件设计量为180~220 m3/h。

                 一级反渗透装置后加设二级反渗透,进一步去除一级反渗透出水中的盐含量,尤其是硼含量,以使二级反渗透出水满足GB 5749-2006的要求。二级反渗透中,主要利用NaOH来调节进水pH,进而控制水中硼的存在形态,促进二级反渗透对硼的去除,实现出水水质满足生活饮用水中硼的限值。经计算,该项目反渗透制水成本为4.31元/m3

          1.3 三门核电站

                 三门核电站是国务院正式批准实施的首个采用世界最先进的第3代先进压水堆核电(AP1000)技术的依托项目。一期工程为除盐水项目,出力为2×150 m3/h,正常时1用1备,最大时2列全部投运;二期工程增加1列,正常2用1备。海水淡化项目为二期工程,其设计水量与除盐水处理系统建设规划相匹配。海水淡化产水量为2×177 m3/h。

            三门核电海水淡化系统的主要流程如图3所示。

           

                 自清洗过滤器采用AZUD叠片式过滤器,可自动冲洗,用在超滤装置前面去除相对较大的颗粒,防止划伤、污堵膜元件。超滤设计采用了Norit卧式XIGA膜,产水量4×183 m3/h(10 ℃),产水浊度<0.2 NTU,SDI<3,胶体硅去除率>99%(≥0.1 m),与立式超滤装置相比具有系统管路布置美观、方便、投资少、运行费用低、维护简单、出水水质稳定和使用寿命长等优点。

            因此,其在海水淡化、饮用水、化工生产、电力生产、钢铁制造等水流量需求较大的众多水处理领域得到广泛应用。反渗透膜采用低能耗高脱盐率的SW30HRLE-400i型和SWC5-LD海水膜组件,能量回收装置回收率可达45%。

          1.4 海阳核电站

                 山东海阳核电站,是继浙江三门核电站之后,AP1000三代核电技术引进消化吸收的另一依托项目,也是中国核电技术自主化的重要工程之一。

                 其海水淡化系统采用分期分批建设方式,海水淡化建设规模、进度与全厂用水量匹配。本期工程(海水淡化一期工程)对应1#~4#机组,总出力满足1#~4#机组用水量,系统布置一次规划,系统设备一次采购,其中反渗透系统分2批供货、安装,第1批设备满足1#、2#机组用水量,第2批设备满足3#、4#机组用水量,第2批于3号机组投运前完成安装调试。

                 海阳核电反渗透装置的第1批设备分为A、B 2套,其中反渗透装置B已于2016年9月21日制出合格水,反渗透装置A于2016年11月14日制出合格水。

          海阳核电海水淡化系统处理工艺,主要流程分为预处理及反渗透2部分,工艺流程如图4所示。

           

                 反渗透作为海水淡化的核心装置,其反渗透膜采用与宁德核电站相同类型的SW30HRLE-400i,能量回收装置采用65系列PX260型号,允许体积流量180~260 m3/h,相对于PX220来说,流量提高了40 m3/h。海水淡化装置出水,为厂区工业用水、生活水及除盐水系统提供用水保障。且为避免在电站运行期间海水原水水质突然恶化引致海水淡化系统无法运行,或出水量急剧降低无法满足机组正常运行,淡化水给水区域设置6×5000 m3清水池,作为后续用水设施的储备水源。

          2国外核电领域的应用

                 自1987年以来,国际原子能机构(IAEA)便关注到核能海水淡化技术的发展,并组织了有关国家对其技术与经济的可行性进行研究。目前,可行的并得到实践验证的核能海水淡化技术,主要有2种应用形式:1)针对城镇热力、水源需求,建设低温供热核反应堆,在向城镇周边供应热源的同时,提高能源的利用效率,实现海水淡化;2)依托现有核电站,以二回路系统的低温蒸汽作为海水淡化的能量来源。有研究表明,核能海水淡化的产量为80~100×103 t/d到200~500×103 t/d。造水成本,RO为0.5~0.94美元/m3,多效蒸馏(MED)为0.6~0.96美元/m3,多级闪蒸(MSF)为1.18~1.48美元/m3

          2.1 低温供热核反应堆的海水淡化

                 1989年,清华大学成功研发的5 MW低温核供热试验堆实现首次临界,开创了我国低温核供热技术领域的先河。随后,清华大学以低温核供热堆为基础,探讨了其与海水淡化技术耦合的可行性。

          摩洛哥作为清华大学将低温核供热堆与海水淡化技术耦合后的首个受益体,其拥有1座低温核供热堆(NHR- 10)耦合竖直蒸发管高温多效蒸发(VTE-MED)的核能海水淡化厂。该核能电站的功率为10 MW,其配套的海水淡化厂的产量达到800 t/d,商用化淡水生产成本约为2.8美元/m3,与当地同规模的燃油淡化厂产水价相当。

          2.2 依托现有核电站的海水淡化

                 依托现有核电站的海水淡化技术,已在很多国家得到了实践,并取得了良好的成绩。其基本原理如图5所示。

           

                 哈萨克斯坦很久以来就面临严峻的水电供应问题。1973年,苏联在舍甫琴科市建造了1座大型多用途的核电站,以缓解哈萨克斯坦的电力、热能、及淡水需求。该核电站采用BN-350型快中子增殖反应堆(FBR),并与多效蒸发和多级闪蒸装置相结合用以海水淡化。该核电站60%的能量用于海水淡化,淡化水生产能力可达80~140 kt/d。自投运至退役共成功商运长达26年之久。

                 印度在巴巴原子研究中心利用研究反应堆的废热,于2004年建成了产量为30 t/d的低温蒸馏海水淡化系统,为反应堆提供补给水。此外,印度在其东南部的卡培坎的马德拉斯原子能核电站,建成了1座与重水堆反应器相匹配的产量为6300 t/d的核能海水淡化示范厂。此核能海水淡化示范厂包括1套4500 t/d的多级闪蒸MSF装置以及1套1800 t/d的反渗透RO装置。这是目前以核电站低压蒸汽与海水为基础的最大的MSF-RO核能海水淡化厂。自2014年起,印度开始设计新一代重水慢化反应堆AHWR,淡化系统包含在反应堆回路,利用反应堆热能生产淡水来满足反应堆及其他工艺用水需求。

                 日本作为具有80堆年的核能淡化经验之国,迄今为止,已有近10个核能海水淡化耦合装置,其海水淡化装置主要集中在多效蒸发、多级闪蒸和反渗透。日本的核能海水淡化装置具有规模小、产量低的特点,产水量基本保持在1000~3000 t/d。其生产水仅仅作为锅炉的补充水或就地区域的饮用水源,并非与市政管网相连,实现市政管网的大面积供水。

                 KHALID等对比了坎杜堆-6与钠冷快堆在核能海水淡化方面的能力。坎杜堆-6与钠快冷堆的热电联产效率分别为32.8%和36.8%。钠冷快堆因其高压力比而在全厂的有效能效率上更占优势。同时,由于钠快冷堆的凝汽器温度较坎杜堆要高,故其给水预热对反渗透的影响更有利。

          3国内外核电站海水淡化技术的对比

                 我国与外国在核能海水淡化技术方面的现存差异主要体现在海水淡化装置的动力源、生产安全性及海水淡化的方法选择等方面。

                 目前我国的海水淡化厂均作为核电站的附属装置,即以独立个体的形式存在,其能量来源为单一的厂外电能。而外国一些国家作为核能发电的始者,更早地选择以核能作为海水淡化的能量来源,将核能与海水淡化装置耦合在一起。也正因如此,相比之下,我国核电站现有的海水淡化装置则在安全性能上更胜一筹,其不会因核反应堆的突发事故造成核泄漏及污染,避免了核事故的扩大。从脱盐方法选择上来看,我国现存核电站基本采用的海水淡化方法均为反渗透膜法。这主要取决于目前我国核电站反应堆与海水淡化装置的依存形式。同时,在水电联产发展的大趋势下,制水成本的降低,多种脱盐方法的选择及联合应用必将成为未来淡化水装置的主流趋势。

          4展 望

                 核能海水淡化作为可靠的淡化水技术,必然在能源、资源与社会矛盾日益激烈的背景下呈大规模发展。然而,在利用核能获得大量动力能源的同时,现阶段也亟需正视并解决核能海水淡化技术推广面临的实际问题:

          1)核能海水淡化装置的经济性。核电厂建造周期相对较长、费用较高,加上海水淡化技术的制水成本较普通淡水处理设施的成本高出很多,如何有效的降低核能海水装置的基建、运行管理费用,为广大用户提供价格合理的淡水资源,是未来核能海水淡化装置亟待解决的主要问题之一。

          2)核能海水淡化装置的安全性。以核能直接作为海水淡化装置的能量来源,在一定程度上存在因反应堆发生异常而发生核事故、甚至扩大蔓延。因此,如何在设计上提高核能海水淡化装置的安全裕量与应急响应机制,赢得社会各界的支持与信任,保证核能海水淡化的安全运行,是核能海水淡化装置全面推广必须解决的问题。

          3)核能海水淡化技术耦合的最优形式。核能海水淡化装置的耦合具有多样性,但耦合形式并不固定,如何综合根据当地的水质情况、经济情况、乃至用水情况考虑,寻求最优的核能海水淡化装置耦合形式,是发挥核能海水淡化装置最高价值的必须考虑的因素。