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电厂水质分析

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    [align=center]浅析核电厂化学分析仪器的应用现状及选型指导[/align][align=center]于淼[/align][align=center]中核辽宁核电有限公司[/align][align=left]摘要：本文首先介绍了核电化学实验室数据准确性的重要意义，其次分析了仪器选型的过程，重点分析了目前核电化学仪器的应用现状及选型指导，最后给出结论及建议。[/align][align=left]关键词：核电；化学实验室；分析仪器[/align][align=left] [/align][align=left]核电化学控制的目的主要有两个，一是降低一回路的辐射剂量场，二是降低一二回路的腐蚀速率。实验室数据的准确性是制定化学控制方案的前提。在核电化学实验室中主要完成的任务有一回路水质参数监督、二回路水质参数监督、油质监督、一回路放射性核素监督、流出物排放监督等。[/align][align=left]1、仪器选型概述[/align][align=left]仪器选型主要分三个步骤进行：一是研究相应堆型的初步设计文件、最终安全技术规格书等上游文件，调研参考电站的电厂化学技术规范及化学相关的技改，制定本单位科学合理的电厂化学技术规范。电厂化学技术规范是仪器选型的重要依据，决定了实验室仪器的种类和数量，以及实验室面积的大小。对于化学工作者而言，需研究有哪些指标需要检测，每项指标的检测范围是多少，要求的精度及下限是多少，准确测量每项指标的背景干扰物质有哪些等等。以核电VVER机组为例，需要检测的指标及测量范围如表1所示。二是调研兄弟电厂如秦山、田湾、福清、昌江、方家山、大亚湾等成熟电厂仪器配置数量、型号及使用情况，主要关注每种仪器的使用情况及经验反馈，同时也需进行差异性分析，不同堆型对应的水质参数个别会有较大的区别。三是主动与各仪器代理商进行联系，邀请他们到现场做技术交流，了解不同品牌、不同型号仪器的优缺点以及各自在行业内的应用情况；同时对于实验室仪器采购方面的预算也有一定的了解。[/align][align=center]表1 VVER机组主要水质参数范围[/align][table][tr][td][align=center]测量参数[/align][/td][td][align=center]测量范围[/align][/td][td][align=center]测量参数[/align][/td][td][align=center]测量范围[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]溶解氢，mg/L[/align][/td][td][align=center]0.1-5[/align][/td][td][align=center]溶解氧，mg/L[/align][/td][td][align=center]0.001-8[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]PH[/align][/td][td][align=center]3-12[/align][/td][td][align=center]电导率，μS/cm[/align][/td][td][align=center]0.06-100[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]硼酸，g/L[/align][/td][td][align=center]0-45[/align][/td][td][align=center]阳电导率，μS/cm[/align][/td][td][align=center]0.06-5[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]联氨浓度，mg/L[/align][/td][td][align=center]0.01-10[/align][/td][td][align=center]氨水，mg/L[/align][/td][td][align=center]0-20[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]钾离子，mg/L[/align][/td][td][align=center]0-20[/align][/td][td][align=center]钠离子，μg/L[/align][/td][td][align=center]0-1000[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]锂离子，μg/L[/align][/td][td][align=center]0-1000[/align][/td][td][align=center]铁离子，μg/L[/align][/td][td][align=center]0-300[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]氯离子，μg/L[/align][/td][td][align=center]0-200[/align][/td][td][align=center]氟离子，μg/L[/align][/td][td][align=center]0-200[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]硝酸根离子，μg/L[/align][/td][td][align=center]0-200[/align][/td][td][align=center]硫酸根离子，μg/L[/align][/td][td][align=center]0-200[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]可溶性硅，μg/L[/align][/td][td][align=center]0-200[/align][/td][td][align=center]TOC，μg/L[/align][/td][td][align=center]0-500[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]水中油，μg/L[/align][/td][td][align=center]0-200[/align][/td][td][align=center]含盐量，g/L[/align][/td][td][align=center]0-400[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]透光率，%[/align][/td][td][align=center]50-100[/align][/td][td][align=center]硬度，meq/L[/align][/td][td][align=center]0.1-10[/align][/td][/tr][tr][td][align=center]γ活度，Bq/L[/align][/td][td][align=center]10-10[sup]7[/sup][/align][/td][td][align=center]β活度，Bq/L[/align][/td][td][align=center]10-10[sup]6[/sup][/align][/td][/tr][/table][align=left]2、核电主要化学分析仪器应用现状及选型指导[/align]2.1放射性检测仪器放射性检测仪器主要完成三大功能，即一回路放射性物质检测、一次侧向二次侧泄漏放射性物质检测、流出物放射性物质检测，主要测量总β、总γ、各种核素、H-3、C-14等。各种核素及总γ的测量在核电厂中主要通过高纯锗探测器来完成。同轴型高纯锗探测器分为P型和N型，核电厂要求测量的能量范围为100keV-2000keV，P型探测器即满足要求，此外价格便宜、能量分辨和锋形好，所以核电厂广泛采用P型高纯锗型探测器。对于高纯锗型探测器重要的性能指标是能量分辨率和相对探测效率，但两者不可兼得，能量分辨率高，则相对探测效率低，能量分辨率低，则相对探测器高。核电厂采用探测效率大于30%的探测器，对于低水平放射性核素样品的测量采用延长测量时间的办法进行测量。能量分辨率即[sup]60[/sup]Co源1.332MeVγ射线全能峰峰高一半处的宽度值，用FWHM表示，一般要求小于1.85keV。对于核电厂中仅需要测量总γ的样品，则采用探测相对效率较高的NaIγ谱仪完成。目前采购的主要厂家有美国的奥泰克ORTEC和堪培拉CANBERRA（现被Mirion收购）。H-3、C-14的测量。H-3、C-14因其发射低能β射线，所以核电厂中采用液闪的方法进行测量。该方法具有灵敏高、探测效率高（4π立体角的几何效率）、操作简便的优点，不足之处在于存在淬灭效应。液闪的性能指标是用探测器、测量控制单元、闪烁液、计数瓶进行综合评价的[sup][/sup]。探测器的选择主要关注降低本底和噪声的方法。如80年代，PE公司推出的Quantulus1220产品，采用了重屏蔽和反符合环探测器来降低本底和噪声。闪烁液的选择主要关注其在溶剂中是否有足够高的溶解度，荧光效率，及能否发射光电倍增管最佳探测范围内的光脉冲，闪烁液溶质的浓度一般在1%以下。计数瓶的种类主要有玻璃瓶、塑料瓶、石英玻璃瓶和聚四氟乙烯瓶，这四类计数瓶各有千秋。玻璃瓶有好的能见度、化学惰性和不被溶剂侵蚀；塑料瓶本底低，易于处置，更安全；其他两类也有好的性能，但成本较高。目前国内核电厂主要使用美国PE公司（目前被铂金埃尔默收购）的Quantulus 1220和TriCarb系列产品，Quantulus 1220设备的市场占有率偏高，上海新漫传感技术研究发展有限公司SIM-MAX LSA3000、日本Aloka厂家、芬兰Hidex厂家尚未进入核电市场。H-3、C-14测量过程中应重视闪烁夜的选择、样品与闪烁夜混合体积比例的选择、测量时间对检测限的影响等因素。此外，对于一回路C-14的测量，因高浓度H-3的干扰，核电采用酸解洗气、加过硫酸铵氧化的方法对样品进行处理，将样品中所含的无机碳和有机碳转化为二氧化碳，通过氮气吹扫后用无机碱液吸收（以上步骤通过美国O.I.的总有机碳分析仪完成），吸收液加闪烁液制样后，在液闪上进行C-14的测量。总β的测量。核电厂流出物中总β目前采用低本底α、β计数器进行测量（核电厂化学监督大纲很少有对总α的测量要求）。目前总α、总β计数器的测量原理主要分为流气式、闪烁体和半导体型。该类仪器关注的性能参数主要有α、β探测效率、α、β本底计数。半导体型检测仪效率性能和本底性能优于流气型和闪烁体型，而且体积小，重量轻，便于维护，但价格昂贵[sup][/sup]。闪烁体型检测仪本底计数较高，同时存在α、β探测道干扰，应用较少。流气式总α、总β检测仪市场占有率高，技术成熟、价格低廉，本底计数率低、探测效率适宜，为主流仪器。核电厂中采购应用的主要有美国ORTEC公司的MDS-4流气式正比计数器、德国伯托LB770低本底总α、总β测量仪、美国堪培拉的HY1208半导体型低本底总α、总β测量仪、北京261核仪器厂的BH1216低本底α、β测量仪。此外，辐射监测仪表国外的厂商以ORTEC、堪培拉、Thermo、Mirion、德国伯托、美国PE为主，国内的供应商主要有北京261核仪器厂、西安核仪器厂、重庆建安仪器厂，原子能院、中辐院、总装防化院、陕西卫峰、上海申核等，通过上面的分析可知，放化实验室的辐射监测仪器主要以国外仪器为主。目前只有VVER机组采用了北京261核仪器厂的BH1216低本底α、β测量仪（该仪器已广泛的应用在自来水公司的水质监测及地质实验测试中心的研究中）。2.2水质检测仪器水中总有机碳的检测。核电厂中一二回路对于TOC指标均提出了较高的要求，TOC的限值一般为小于200μg/L。TOC检测仪的选择需考虑仪器本底、回收率、样品性质、检测下限及检测范围。在本底方面，UV/湿法氧化法和加热湿法氧化均有较低的测量本底。因更先进的UV灯设计和更高浓度的氧化剂使用，UV/湿法氧化法具有更高的回收率。燃烧法测量TOC广泛应用于高盐度样品的测量。在样品性质方面，二回路体系较为简单，只有1-2ppm左右的氨水几十个ppb的联氨，但一回路的体系较为复杂，有1000ppm左右的硼酸及3ppm左右的碱金属氢氧化物、30cc/kg左右的氢气，所以准确测量难度较大。VVER机组选择GE公司（现被法国苏伊士集团收购）UV(紫外)/湿法氧化+选择性薄膜电导检测器TOC仪(对于[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/3p][color=#3333ff]离子色谱[/color][/url]、[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱[/url]等大型精密仪器，也用电导进行检测)，而其他核电机组，如M310，AP1000等均采用美国OI公司加热湿法氧化（真正实现有机物100%的转化为CO[sub]2[/sub]）+非色散红外检测TOC仪，红外检测的原理类似分光光度计，通过朗伯比尔定理进行定量检测。对于高浓度硼基体样品准确测量TOC，仍需进一步关注。水中阳离子的测量。核电厂中水中阳离子的测定是通过[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原子吸收[/color][/url]来完成的，此方法也是国标要求的方法。国外的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原子吸收[/color][/url]仪厂家主要有德国耶拿、赛默飞、PE、日立、岛津、加拿大欧罗拉Aurora、英国派优尼科等，其中PE公司1961年推出第一台火焰原子化器，1970年推出世界上第一台石墨炉，1990年推出第一台赛曼效应扣背景[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原子吸收[/color][/url]仪，其优良信噪比和检出限，使其一直是AAS仪器中的佼佼者[sup][/sup]。国内的主要厂家[color=red]普析通用[/color]、科创海光、东西分析、瑞利、浩天晖科贸、江苏天瑞、[color=red]上海光谱[/color]、上海天美、浙江福立、安徽皖仪等。从火焰[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原子吸收[/color][/url]来讲，国内、国外相差无几，而石墨炉[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原子吸收[/color][/url]则有差距。[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原子吸收[/color][/url]仪采购上主要需考虑待测元素的检测限、检测范围、信噪比及背景校正性能，不同的堆型需进行具体分析，不可完全照搬。核电中目前主要采购的是PE公司（现被铂金埃尔默收购）AA400，AA600，AA800（火焰+石墨炉），AA900T（火焰+石墨炉，火焰氘灯扣背景，石墨炉赛曼扣背景，价格50-60万）。AA900系列分四个型号，单火焰，单石墨炉，火焰+石墨炉，还有一种是火焰+石墨炉都是氘灯扣背景的。目前对于测量小于1ppb的Na困难较大，拉曲线方面常需较长时间。此外，用AA400类火焰法测量硼基体小于20ppb的Fe，灵敏度有待提高。一回路溶解氢气及发电机氢气浓度的测量。一回路冷却剂中的溶解氢气为一回路的控制指标，准确测量具有非常重要的意义。核电目前采用哈希3655便携式氢表和相分离器两种方法进行氢气浓度的定量测量。所谓相分离器就是采用氮气将一回路中的溶解氢气吹出，后通过[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱[/url]的方式进行氢氮混合物的测量，最终计算得出结果。发电机及制氢站中氢气浓度的测量一般用氢气纯度仪或[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱[/url]进行测量。[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱[/url]国外的厂家主要有岛津、安捷伦、赛默飞，其中安捷伦的市场占有率能到达70%。国内的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱[/url]有海天美、北京东西分析、上海科创等，市场占有率仅占1.5%。[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱[/url]的选型主要关注色谱柱及检测器的选择。目前核电市场主要采用的有安捷伦6890，7890A(2007年市场推出)、7890B（2013年市场推出）。因测量组分简单、单一，VVER也采用上海科创9800系列产品。水中阴离子的测量。核电厂中主要需要测量的阴离子有F[sup]-[/sup]，Cl[sup]-[/sup]，SO[sub]4[/sub][sup]2-[/sup]，一回路主要是硼酸基体较大，硼酸的浓度为8g/L左右，二回路主要为含有氨的碱性水溶液，pH值9.4左右。核电厂中Cl[sup]-[/sup]等为控制指标，一般采用[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/3p][color=#3333ff]离子色谱[/color][/url]进行阴离子的测量。[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/3p][color=#3333ff]离子色谱[/color][/url]的厂家比较少，国内的厂家主要是青岛盛翰，国外的主要厂家为戴安（现被赛默飞收购）和万通。国产[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/3p][color=#3333ff]离子色谱[/color][/url]与进口[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/3p][color=#3333ff]离子色谱[/color][/url]价格相差较大，但因戴安公司的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/3p][color=#3333ff]离子色谱[/color][/url]在线淋洗液发生器，抑制器、色谱柱等核心技术，核电领域98%采用戴安系列[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/3p][color=#3333ff]离子色谱[/color][/url]IC2100，IC2500，IC3000，IC5000，就核电领域样品的要求，IC2100，IC2500，IC3000有着更好的应用口碑。万通[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/3p][color=#3333ff]离子色谱[/color][/url]仅在VVER机组有应用，用来测量25%氨水中氯离子的含量。分光光度计的使用。在VVER机组中，分光广度计用来测量一回路氨、二氧化硅、TTA等物质，其中氨的测量至关重要，因其准确性决定一回路的加药量，几乎影响一回路中所有化学参数的控制。二回路主要分析氨、联氨、二氧化硅、磷酸钠等物质。目前市场上的紫外可见分光光度计主要有扫描光栅型和固定光栅型。国外的厂家主要有PE的Lambda系列，岛津的UV系列，安捷伦的HP系列等，国产的主要有上海分析仪器、上海棱光、天美科学仪器、北京普析、北京瑞利等。采购该类仪器时需考虑光谱范围、波长准确性、分辨率、吸光度范围[sup][/sup]。其中能测量的吸光度范围尤为重要。VVER机组要求在吸光度很小或吸光度很大（吸光度A达到2-3左右）均能准确测量，且仪器稳定。目前核电所采用的仪器多为PE的Lambda系列，北京普析的TU系列也有少数应用。就仪器稳定性方面，化学人员仍需进一步关注。超纯水仪的使用。核电中[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/3p][color=#3333ff]离子色谱[/color][/url]和[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原子吸收[/color][/url]要求使用超纯水，此外，按照习惯玻璃器皿一般最后用超纯水做润洗。超纯水仪国外的品牌主要有法国的密理博（现被德国默克收购）、美国的PALL公司、德国的赛多利斯等，国内的有上海乐枫、芷昂等。对于IC和AA用水，按照GB6682-2000《中国国家实验室用水规格要求》，需满足一级水要求。在采购该仪器时需考虑用户水质要求、连续用水还是间歇用水、用水水量、以及出水水质等。核电的超纯水仪进水水质为除盐水，目前核电使用的品牌有法国的密理博（现被德国默克收购）、美国的PALL公司、德国的赛多利斯，美国Barnstead公司NANOpure，未见使用国产纯水机。水中油的测量。水中油的测量有重量法，紫外法，荧光法、红外法等方法。我国测量水中油类物质执行的标准是HJ637-2012《水质石油类和动植物油类的测定红外分光光度法》[sup][/sup]，此方法具有重现性好，准确度高，可比性强，不受油品成分结构限制，操作简单方便等显著特点。红外测油仪的厂家及型号主要有北京华夏科创OIL510（检出限0.02mg/L），上海昂林OL1020（检出限0.03mg/L），上海欧陆科仪ET1200（检出限0.2mg/L），目前在核电领域应用，AP1000采用上海欧陆科仪ET1200。荧光光度计测量水中油为俄罗斯与美国测量水中油类物质标准，目前VVER测量水中油采用俄罗斯的荧光光度计。原红外法HJ-637-2012采用的萃取剂四氯化碳是《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》附件B中第二类受控物质。为推进议定书国际履约进程，实现我国关于2019年1月1日起停止实验室使用四氯化碳的承诺，生态环境部2018年10月10日发布了《水质石油类的测定紫外分光光度法（试行）》（HJ970-2018）。对于测量水中油含量小于200ppb，高盐度硼酸基体样品，准确测量其含量，采用紫外分光广度法测量水中油，仍需化学人员给予关注。对于小型仪表，如pH表（测量范围0-14），电导率表（测量范围0-20μS/cm）余氯表（测量范围0-5mg/L），各大核电公司所用仪器品牌主要有德国WTW公司、奥利龙、梅特勒、哈希公司等，未见使用国产品牌。3结论与建议[align=left]（1）谨慎的选择厂家最先进的仪器[/align][align=left]市场中各仪器厂家仪器型号更新换代很快，在厂家的宣传下，仪器的性能和外观对用户会相当有吸引力。但是新型的仪器大多未经过市场的检验，仪器的性能可能存在一些问题。更重要的是还要考虑新产品的实用性。在能满足要求的前提下，可以尽量选择经过市场验证或其他兄弟单位认可的产品。另外，要尽量和厂家的应用工程师交流，而不能仅凭销售的介绍。因为对于仪器具体的性能，只有应用工程师最清楚。[/align][align=left]（2）客观冷静看待仪器厂家给予的参数[/align][align=left]很多仪器厂家给予的参数往往是厂家在特定的环境做出的最好的结果，而且不同厂家给出的计算方式可能不太一样，所以仪器参数一般不能作为采购的重要依据[sup][/sup]。此外，对于基体复杂的样品，一定要和厂家沟通，建议到仪器厂家进行相关试验，验证是否满足要求。[/align][align=left]（3）因核电一回路基体成分较为复杂，对于控制参数等重要指标，仍需进行研究，寻求更优化监测方法。此外，随着目前国企预算成本管控的要求，对于极为简单的组分分析，如氮气中氢气的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱[/url]法测量，pH的测量，也可大胆选用国产仪器，降低成本。[/align][align=left]参考文献：[/align]杨海兰.液体闪烁计数与低水平环境氚的监测.辐射防护通讯,2012,32(1):1-7.陈五星,安然,万新峰.低本底α、β测量技术发展现状.中国辐射卫生,2016,25(4):509-512.何华焜.国外[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原子吸收光谱仪[/color][/url]器技术发展分析.现代科学仪器,2007,5:10-16.倪一,黄梅珍,袁波,等.紫外可见分光光度计的发展与现状.现代科学仪器,2004,3:3-7.单仲平,许娟娟，陈欢,等.全自动红外测油仪测定水中油的萃取剂研究.理化检验-化学分册,2016,52(5):612-614.仪器采购必须关注的四要素（原创大赛参赛作品）.仪器信息网.蒋增辉.紫外分光光度法测定水中石油类的方法验证和改进.净水技术.2019,38(5):14

  • 多参数水质分析仪为了更好的保护环境仪器有了哪些改善？

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    各位老师： 你们好！ 最近实验室日常监测过程中遇到问题如下，自己也比较疑惑，请您给予解答，具体如下： 1、根据《地表水环境质量标准》GB 3838-2002中规定，与近岸海域相邻的地表水河口海域按相应功能区类别执行地表水功能区标准。环评监测潮汐河流涨潮落潮分别取样时，在涨潮条件下取得样品基本全为海水，但执行地表水限值，这种情况下水质类别应为地表水还是海水？分析方法应选用地表水还是海水的？ 2、某些电厂利用海水脱硫和冷却设备，产生的污水执行相应的污水标准限值，但实际分析时样品为海水，这种情况下应该选用污水的还是海水的分析方法，水质类别应该怎么写？ 3、距离海边较近村庄的地下水同样存在上述问题。 我们实验室实际过程中对于牵扯的海水的样品类别都是写的海水，分析方法都是以海水分析方法报出，这样和CMA认证倒是不冲突；但是我们认证的实际类别中如地表水、地下水、污水中没有海水的分析方法，这又是矛盾的地方。 关于这点您实验室是怎么操作的，请不吝赐教！

  • 【原创大赛】浅析核电厂中总有机碳的测量

    [align=center]浅析核电厂中总有机碳的测量[/align][align=center]于淼[/align][align=center]（中核辽宁核电有限公司，辽宁省兴城市 邮编：125100）[/align][b]摘要[/b]：本文首先指出了监测TOC指标在核电厂中的重要意义，国内对TOC测量的相关标准，其次重点分析了VVER堆型，其他堆型对TOC指标的测量现状、不足及拓展应用，最后，对国内核电厂准确测量TOC，提出展望。[b]关键词[/b]：核电厂；TOC；测量。[align=center]Brief Analysis of Measurement[/align][align=center]of Total Organic Carbon in Nuclear Power Plant[/align][align=center]YUMIAO[/align][align=center](CNNC liaoning Nuclear Power Corporation, xingcheng 125100, Liaoning, China)[/align][b]ABSTRACT[/b]: Firstly, this paper points out the importance of monitoring TOC in nuclear power plants, and TOC measurement domestic criterion. Secondly, it focuses on [color=#333333]present situation[/color] ,shortcomings and expanding application in the TOC measurement of VVER, etc. Finally, it puts forward the prospect of accurate TOC measurement in domestic nuclear power plants.[b]KEY WORDS[/b]: nuclear power plants TOC measurement我国核电机组有VVER，M310，AP1000，EPR四种类型。在化学监督方面，每种机组制定不同的电厂化学技术规范或化学监督大纲，对水汽品质均提出了较高的要求。其中总有机碳(Total Organic Carbon , TOC)已经成为技术规范中一个非常重要的指标。总有机碳是以碳的含量表示水中有机物质总量的综合指标，是衡量水质中总有机污染物水平的重要指标，在药厂、环境、电厂等均有严格的要求。以三代核电机组AP1000 为例，除盐水提出了总有机碳含量小于100 μg/L 的要求，较国内其他核电机组或火电机组提出了更高的要求。因此，为维护良好的一二回路水质，降低对系统设备的腐蚀，准确测量核电厂中TOC的含量，具有重要的的意义。1、 [b]核电厂中监测TOC指标的重要意义[/b]TOC表征水中有机物的含量，含有痕量有机物的除盐水进入核电厂一二回路中，在高温高压含有放射性的水中会发生如下的一些变化：在二回路中，有机物会在6至7MPa，220℃左右的水中分解成甲酸、乙酸等有机物，引起给水、主蒸汽阳电导率的上升，造成系统设备的腐蚀，尤其是汽轮机低压缸叶片造成严重的腐蚀[sup][[/sup][sup]1[/sup][sup]][/sup]。同时不容易分解的有机物，如腐殖酸等，也会造成凝结水精处理系统树脂交换容量的降低，影响其净化功能。在一回路中，与二回路类似，降低一回路净化系统的交换容量，影响树脂对放射性腐蚀产物的去除，增加生产人员及承包商的受照剂量。此外，对于一回路辅助系统乏燃料水池，因水中没有溶解氢，水呈氧化性、放射性。在反应堆停堆或启动过程中，经过乏燃料水池净化系统时，系统的树脂老化或氧化降级，溶出有机物聚苯乙烯磺酸（PSS），PSS 分解产生硫酸根。TOC 指标能够准确的反应有机物的含量，作为跟踪PSS 的含量，为解决大修期间一回路水化学控制提供必要手段。2、 [b]TOC相关标准[/b]我国对TOC的限值要求最严格的是电子半导体行业。针对电力行业，国家质检总局于2008年颁布了《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》（GB/T12145-2008），水中TOC的限值为(200～500)μg/L，非强制检测项目，仅在必要时监测。该标准于2016年进行升版，将TOC指标改为TOCi，TOCi指标表征水中有机物中总的碳含量及氧化后产生阴离子的其他杂原子含量之和，在核电行业中，因阴离子有[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/3p][color=#3333ff]离子色谱[/color][/url]进行单独跟踪测量，所以尚未引进TOCi概念。我国核电在制定电厂化学技术规范或化学监督大纲时，主要参照各堆型初步设计、国内外水化学导则（如美国EPRI，法国EDF，能标NB，电标DL，国标GB等）、技术规格书（FSAR第16章）以及参考电站运行经验，一二回路水中TOC的限值为(0～500)μg/L。TOC指标在VVER机组大多数系统及系统冲洗、树脂冲洗等都有强制性要求，为必检项目。国内对于TOC方面的标准[sup][[/sup][sup]2[/sup][sup]][/sup]，有国家标准《水质 总有机碳（TOC）的测定 非色散红外线吸收法》（GB13193-91），生态环境部标准《水质 总有机碳的测定 燃烧氧化非分散红外吸收法》（HJ/T71-2001），和《总有机碳（TOC）水质自动分析仪技术要求》（HJ/T104-2003），均针对较大浓度TOC含量的测量。对于痕量TOC的测量，有火电行业标准《火力发电厂水汽分析方法 总有机碳的测定》（DL/T1358-2014）,该标准侧重于标准曲线的绘制等，TOC的准确测量重点在于仪器的氧化方式（能否将有机物彻底完全氧化）和检测手段（检测器的灵敏性及对干扰的抑制）。对于测量TOC的仪器—TOC仪，为了评定其计量性能，保证量值可靠、准确、一致并具有溯源性，国家质检总局发布了《总有机碳分析仪》（JIG821—2005）检定规程。JIG821—2005主要针对检测器为非色散红外检测器，其实施为该类TOC仪的检定工作提供了技术依据。但由于在规程的制修订过程中，TOC仪在国内主要应用在环境、化工等领域．测量范围仅在ppm级以上[sup][[/sup][sup]3[/sup][sup]][/sup]，因此，JIG821—2005规定的检定范围和相关的国家有证标准物质只覆盖ppm级以上，部分检定项目并不适用于测量范围为ppb级的TOC仪的检定。3、 [b]核电厂TOC的测量[/b]我国核电堆型众多，VVER机组为俄罗斯技术，经俄方推荐，中方业主调研，样品含有小于50ppb的TOC，综合运行维护容易和更易检测低含量的TOC，UV/过硫酸盐氧化法是首选方法[sup][[/sup][sup]4[/sup][sup]][/sup]，选择GE公司（现被法国苏伊士集团收购）UV(紫外)/湿法氧化+选择性薄膜电导检测器TOC仪(对于[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/3p][color=#3333ff]离子色谱[/color][/url]、[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱[/url]等大型精密仪器，也用电导进行检测)，而其他核电机组，如M310，AP1000等均采用美国OI公司加热湿法氧化+非色散红外检测TOC仪，红外检测的原理类似分光光度计，通过朗伯比尔定理进行定量检测。[b]3.1、VVER机组TOC测量[/b]GE 公司生产的Sievers 系列产品TOC仪基本原理如下：通过紫外灯和强氧化性物质（过硫酸铵）将有机物氧化为二氧化碳（CO[sub]2[/sub]），使用高灵敏度和高选择性的“渗透膜---电导检测器”测量二氧化碳（CO[sub]2[/sub]）浓度，检测总无机碳（CO[sub]2[/sub]，HCO[sub]3[/sub]和CO[sub]3[/sub][sup]2-[/sup]）浓度和总碳浓度（氧化后的有机物质浓度），通过计算总碳浓度和总无机碳浓度之间的差值而达到测量总有机碳浓度的目的。具体流程图如图1。该检测方法被ASTM(美国材料试验协会)认可，并纳入美国EPA（环保局）标准方法。广泛的应用于医药、半导体、电厂等行业，是目前对低浓度TOC水样最适合的检测方法之一。该仪器结构相对简单，高度集成，电厂中水样测量过程简单，一键即可，不需要进行样品的前处理操作，并可进行批量集中测量。如测量样品浓度范围不同的样品，使用前需根据样品的TOC含量水平设置仪器参数，并定期对仪器进行检查维护，这需要化学人员对仪器设备本身充分的熟悉。在标准方面，厂家提供标准浓度250ppb，500ppb，750ppb，1000ppb，保存期限两周左右，同时，该仪器所使用的试剂均为厂家提供，密封在仪器内部并自动加药，对人员风险较低。在VVER机组中，二回路的水样含有1ppm的氨和几十ppb的联氨，电导率6.8-10.8μS/cm，样品基体低，薄膜电导法可以有效去除氨和联氨的影响。一回路的水样含有0-8g/L的硼酸，0-13mg/L的KOH，2.2-4.5的H[sub]2[/sub]（实验室测量可忽略其干扰），0-10mg/L的氨，测量过程需做一定的优化。运行阶段，一二回路TOC大多较为偏低，回路水质较好，采用GE公司生产的Sievers 系列产品进行TOC测量。对于大修、调试冲洗阶段，回路水中常含有痕量化学辅助材料如油漆，抗燃油、汽轮机油等有机物以及其他颗粒物质，此阶段进行电厂冲洗水样的测量，会造成仪器内部管路污染残留或管路堵塞，此外，此类有机物及腐殖酸等，不易通过UV(紫外)/湿法氧化法进行氧化，也影响样品测量的准确性。我国VVER机组参考电站为内陆电站，俄罗斯、乌克兰等国家电厂内陆水源普遍含有一定量的重油，参考电站用荧光光度法测量水样中水中油含量来代替TOC指标，荧光光度法的的原理就是用正己烷将水样中油类物质萃取出来，用氙灯去照射萃取液产生荧光进而进行定量测量。VVER机组在调试、大修阶段，水样中可能存在油类、辅助化学品、悬浮物等污染物时，经常用水中油的测量代替TOC项目。[align=center][img=,552,591]file:///C:\Users\Administrator\AppData\Local\Temp\ksohtml3392\wps1.png[/img]图1 VVER机组TOC测量原理[/align]水样中C-14的测量，我国目前尚无标准[sup][[/sup][sup]5[/sup][sup]][/sup]。核电厂中常利用C-14辐射生成低能量β射线，用液闪的方式进行测量。因核电厂一回路中含有大量的H-3和少量的C-14，H-3辐射生成β射线能量与C-14辐射生成β射线能量有重叠部分，水中H-3对C-14的测量有严重的干扰，所以用液闪测量前水样中C-14，须将C-14从H-3中分离出去。如图1，CO[sub]2[/sub]渗透膜去离子水侧，CO[sub]2[/sub]被分离(一定效率)，VVER机组常用该类仪器作为水样中C-14的测量的前处理使用，拓展仪器使用范围，解决核电厂中水样C-14的测量的危害。[b]3.2、M310、AP1000机组TOC测量[/b]除了VVER机组外，其他核电厂均采用了美国OI Analytical公司Aurora 1030W或1010总有机碳分析仪测量TOC，该类仪器被广泛的应用于如饮用水、地下水、污水及工业排水等TOC相对含量较高的环境领域。[img=,554,513]file:///C:\Users\Administrator\AppData\Local\Temp\ksohtml3392\wps2.jpg[/img] [align=center]图2 M310、AP1000机组TOC测量[/align]具体示意图见图2。其基本原理如下：在常温下将样品加入反应腔，同时加入5%的磷酸将样品酸化到pH小于3，反应腔升温到70℃，同时向反应腔中导入氮气吹扫，将样品中无机碳的反应平衡打破，在酸性条件下使无机碳全部转变成CO[sub]2[/sub]，进而被氮气流吹走，再向反应腔中加入10%的过硫酸钠，反应腔升温到98℃，将样品中的有机碳氧化成CO[sub]2[/sub]，氧化过程结束后，CO[sub]2[/sub]由氮气吹入净化和干燥处理装置，最后进入NDIR进行监测。该方法将过硫酸盐加热到100℃能更好的分解过氧化物，产生更好的氧化作用，使之能够分解难氧化的有机物和微生物，真正实现有机物100％的转化为C0[sub]2[/sub][sup][/sup]。红外检测法是国标《水质 总有机碳的测定》（GB13193-91）的检测方法。CO[sub]2[/sub]对4.26μm红外有特征响应，且为非线性响应，水分子和卤素也有响应（目前，仪器已有脱卤素管、脱水渗透管将干扰尽量降低），对氮气气源也有纯度要求。M310，AP1000机组TOC的测量，二回路水样的本底与VVER机组类似，TOC易于测量，一回路主要含有0-3.5mg/L的LiOH，25-50cc/kg的H[sub]2[/sub]（实验室测量可忽略此干扰），0-1400ppm的硼酸（以硼计），测量过程需做一定的优化。另，该方法仪器设备复杂，操作相对繁琐。此外，M310，AP1000机组一回路C-14的测量也采用此仪器进行前处理。将氮气吹扫出的总有机碳用碱液吸收，从而用液体进行测量，避免了H-3对碳-14 测量的干扰。4、 [b]结论[/b]TOC指标在核电行业内是非常重要的监督指标，尤其在一回路及其辅助系统的监督中。准确测定TOC含量是一项困难的工作，各方法都有其优缺点。目前在核电行业二回路的样品测量中，薄膜电导法以其低检测下限得到了很好的运用，在一回路样品的测量中，因样品中高基体的干扰离子，在TOC的检测中，如检测方法适用性，标准试剂，仪器检测下限等还存在许多问题，需核电化学工作者进一步研究优化，并关注国内外TOC检测最新动态，将最优最先的检测技术应用到核电领域中。参考文献： 田利，戴鑫，沈肖湘.发电厂水汽中有机物含量控制指标探讨.热力发电，2014，43（11）：108-111. 徐滋秋.总有机碳（TOC）分析仪综述.见：第三届环境监测仪器与现代控制技术在环境治理工程中的应用研讨会，北京，2004年9月. 马康，谷雪蔷，黎朋.总有机碳（TOC）分析技术及仪器的计量标准现状.中国计量，2011，5：94-96. 刘建伟，莫德举.TOC监测技术的新进展及工业应用选型参数.现代仪器，2000，6：30-33. 黄彦君，上官志洪，黄东辉，等.我国核电厂流出物监测和辐射环境监测标准体系研究.辐射防护，2018，38（5）：377-388.

  • 【资料】某电厂锅炉结焦问题的原因分析

    某电厂锅炉结焦问题的原因分析 　　近一段时期以来，某电厂3炉在锅炉低负荷运行时经常发生掉焦灭火的情况，并且投用了大量助燃用油，这不仅严重影响了锅炉机组的安全经济运行，也给设备安全、人身安全带来了许多隐患，因此急需找到引起炉膛结焦和锅炉燃烧稳定性差的主要原因，以便采取针对性的措施加以解决，从而保证机组安全、稳定、经济运行 　　1、锅炉设计简介 　　该厂3＃炉是由北京巴布科克。威尔科克斯有限公司（Babcock&Wilcox）生产的BWB-1025/18、3-M型亚临界参数、一次中间再热、单汽包、自然循环、半露天、单炉膛、Π型布置、平衡通风、固态排渣煤粉锅炉。锅炉设计煤种为晋中贫煤，采用钢球磨中间储仓式热风送粉系统，前后墙对冲燃烧方式。配置有4台MTZ35、70钢球磨煤机，前后墙各3层共24个B&W公司标准的EI-DRB型旋流燃烧器，前后墙各8个三次风喷口分2层布置在各层燃烧器之间，在尾部竖井下设置有2台容克式三分仓回转式空气预热器。锅炉辅机配有2台成都风机厂生产的静叶可调轴流式引风机、2台上海风机厂生产的动叶可调轴流式送风机、2台上海风机厂生产的离心式一次风机 　　2、锅炉掉焦灭火情况 　　3＃炉灭火的表现形式一般都是机组从高负荷降至低负荷一段时间后，锅炉忽然发生掉焦情况，造成锅炉炉膛首先正压（正压200Pa左右），然后立即大负压（1000Pa左右）导致锅炉灭火。为了减轻锅炉掉焦，电厂运行人员采取了增大燃烧器内外调风挡板开度等措施，但效果不明显，反而出现了锅炉燃烧稳定性下降的情况。为此又利用3＃炉停炉机会重新对部分燃烧器内外调风挡板开度按原来推荐值进行了调整，调整后的锅炉掉焦情况有所好转，燃烧稳定性增强，由掉焦引起的锅炉灭火情况大为减少。有一个值得注重的情况是，停炉检查时发现左侧墙*后墙的部位，第2层燃烧器标高以上区域（约4平方米）存在挂焦情况，检修中已清除 　　3、锅炉结焦主要原因分析 　　影响锅炉结渣的因素主要有3个方面：煤灰成分与组成、炉膛环境温度和炉内空气动力场。煤灰成分与组成是产生结焦的根源，炉膛环境温度是影响结渣的首要外部因素，炉内空气动力场组织的好坏，则对锅炉结渣具有重要作用。经分析认为3＃炉结焦、掉焦的主要原因有以下几个方面： 　　（1）中层燃烧器标高以上的两侧墙局部区域存在煤粉火焰刷墙的情况，造成局部区域高温，形成一定的结焦气氛（还原性气氛CO），导致锅炉局部区域结焦。该厂3＃、4＃炉为同型号锅炉，燃用同样的煤种，分析燃用煤的灰熔点均大于1500℃。3＃炉的结焦情况很明显，而4＃炉结焦情况较稍微，由此判定3＃炉煤粉可能存在刷墙情况。检修中发现，3＃炉大部分燃烧器一次风喷口内的均流锥严重磨损并脱落，导致一次风喷口处的煤粉分布很不均匀；另外由于部分燃烧器喷口烧损变形，使一次风喷口角度产生一定程度的偏斜，造成一次风煤粉火焰刷墙并结焦。 　　负荷的变化是导致3＃炉掉较大焦块的直接原因。在机组高负荷下，由于炉膛温度较高，为刷墙的煤粉结焦创造了有利条件，结焦的面积和厚度都较大，当机组降到180MW左右的低负荷以后，随着炉膛温度的降低和锅炉运行参数的降低，积聚在水冷壁表面的灰渣由于温度下降导致其由高负荷下的熔融状态向固态化方向转变，并且对水冷壁的附着力也大大下降，从而在某种特定情况下发生掉焦。锅炉的大焦块掉在捞渣机后，瞬间产生大量的水蒸气，破坏捞渣机的水封，同时使炉底漏入大量冷风，造成燃烧器区域（尤其是下排燃烧器区域）煤粉火焰着火状况的严重恶化，使炉膛负压产生剧烈波动（超限）而引起锅炉灭火。 　　（2）炉内空气动力工况组织比较混乱

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