Application and Problems Analysis of electro-deionization (EDI) Process for the Treatment of Steam Generator Blowdown Flow in Nuclear Power Plant

Yu Jingwei

(CNNP Operation Maintenance Technology Co.,Ltd, Taizhou, Zhejiang Province, 317100 China)

Abstract: The electro-deionization (EDI) technology is first used for the treatment of Steam Generator blowdown flow of nuclear power plant in AP1000 to ensure the stably water quality of secondary loop during normal operation. Frequent alarms appeared after a few cycles operation. The main reason for degradation is the increase of module flow resistance based on the failure mode analysis. Consider for the high cost of EDI overall replacement, the replacement items based on the condition and appropriate guidelines which can effectively reduce the operation costs are recommended from the point of equipment management combined with modules failure impact. For more convenient use, several design proposals are developed such as adding online flow measuring devices on the dilute side.

Key words：electro-deionization (EDI)  water quality control  failure mode analysis  application experience  design change proposal

1、系统及EDI简介

AP1000蒸汽发生器排污系统（BDS）使用的电解除盐装置（MS22）由西门子整体设计供货，对应两列蒸汽发生器（SG）设计两列电解除盐。根据排污的设计流量，单列设计6个并联的EDI模块，用于日常处理SG排污水^[1]。通过电渗析和离子交换技术的有机结合，实现了连续、高效的对排污水中纳、氯和硫酸根离子的迁移和去除，与传统压水堆核电厂的蒸汽发生器排污树脂床净化工艺相比，有着减少占地空间、无需化学药剂再生、可连续运行、更好的产水水质以及更好的经济性等明显优势^[2]。处理后的淡水回收至电厂二回路，以维持二回路水质的稳定；富含离子的浓水则通过电站疏排水系统经中和处理后排出。该技术早已在石油化工领域有着更大体量的应用，且已取得了良好的长期运行效果^[3]，上述处理优势已经验证，但在核电厂水处理上尚属首次应用。

单个EDI模块设计处理流量为2.1-3.4 m³/h，根据就地PLC自动控制模块的投退和运行。通过就地电气柜的设计，采取设定固定运行电流、自动调整电压的控制方式，当产水水质出现恶化时，可以通过调整运行电流实现最简易的诊断和处理方式^[4]。模块设计了基于流量判断运行数量的控制逻辑：当蒸汽发生器排污流量控制阀在手动模式下时，根据其下游的蒸汽发生器排污流量计的测量值来控制运行模块数量；当蒸汽发生器排污流量控制阀在自动模式下时，根据其对排污流量的控制设定值来控制运行模块数量。

当排污流量不高、无需单列6个模块全部运行时，就地PLC设计了单一模块连续运行24h后根据优先级进行切换的逻辑，尽量使所有模块的运行时间平均化。

2、EDI的停运保养

核电厂由于存在定期大修，不可避免的会出现电除盐装置的停运，目前EDI模块成本较高，停运下的保养不当可能导致模块的降级失效。EDI模块受停运影响的主要是其离子交换膜，既要考虑剩余水量不能过多以防止细菌滋生，又要保持膜片一定的湿润度，防止膜片彻底的干涸失效。因此，短期内的停运工况下，可从EDI的下部进水口将水排出后关闭进出口隔离阀，剩余少量水在内部保持膜片一定的湿润度；长期停运工况下，除根据上述短期保养措施实施外，还应定期使用除盐水对模块进行循环和换水，避免内部细菌滋生。使用了上述保养措施后，模块运行5年以上，历经多次大、小修，未出现EDI性能因停运保养不当导致机组启动后出现性能显著下降的情况。

3、运行存在的主要问题分析和应对

3.1 失效模式分析

根据EDI的设计，结合运行经验，EDI目前主要的失效模式及影响如下：

3.1.1板间橡胶密封件老化。失效后将导致浓水、淡水流道之间“窜水”，导致产水质量下降或模块出现外漏。目前EDI的设计和组装工艺不允许自主实施密封件的更换，整个模块的采购成本较高。电厂一般会采取将排污流量控制在能稳定二回路水质前提下的最小流量，以减少热损失，排污流量不会长期维持在设计最大值，加之模块数量的设计具有一定裕量，因此，正常情况下模块不会同时投运，单一失效后存在冗余，可结合性能监测制定更换计划，不建议定期更换EDI模块。

3.1.2树脂溶胀，离子交换容量下降。EDI模块运行电流可以增强杂质离子的迁移，同时促进水的电解，产生H+及OH-，不断对树脂进行再生，维持树脂具有一定比例的交换能力。当进水水质中的氯含量过高时，作为强氧化剂的氯离子将对高分子有机树脂造成逐层溶胀，使活性基氧化分解、断裂或破碎，最后使树脂容量下降，直至报废，造成EDI产水明显降低的问题^[5]。核电厂蒸汽发生器排污水中，氯离子含量正常为0.4-0.5 ppb，远小于EDI运行允许值100 ppb，因此这种失效模式在核电厂应用中鲜少遇见。

3.1.3模块机械性故障。模块外壳一般采用UPVC、聚砜等材质，设计压力较低，一般不超过1 MPa.g。当EDI进水压力变化较快时，会对模块造成一定的冲击，长期冲击可能会导致EDI模块的机械性损伤^[6]。核电厂蒸汽发生器排污流量一般保持稳定，至EDI入口有较长的管道对流体进行逐步降压，同时，EDI入口管道设计了安全阀，入口压力长期维持在0.5-0.6 MPa.g范围且保持相对稳定，EDI机械性故障鲜少遇见。

3.1.4内部模片/树脂的降级。包括长期运行后，模块和树脂因老化、结垢、沾污导致模块处理能力下降、流阻升高、运行电压升高。结合运行经验，目前尚未发现离子交换膜性能的显著下降，反而树脂的老化带来的EDI模块流阻升高是最主要的失效模式，其影响包括以下几个方面：

（1）模块流阻升高，导致EDI入口压力升高。EDI中的离子交换膜对压力波动较为敏感，淡水、浓水侧下游分别设计背压阀，维持其合适的运行压力，方可保证设备的稳定运行^[7]；同时，一般EDI正常最高承受0.7 MPa的压力，其入口压力升高后，会频繁触发报警，增加操纵员负担，而在不同模块自动切换运行的瞬态时，更易触发入口管道的安全阀起跳，导致安全阀的降级、泄漏。

（2）不同模块的流阻变化是不均匀的，由于共用入口母管，因此流阻高的模块通流流量会变小，在数个模块同时运行时，其他模块的通流流量增加，甚至超过设计处理流量，潜在导致了产水水质劣化；

（3）流阻过高的模块在投运初期难以快速建立流量。为避免EDI出现干烧，在浓水侧设计了流量开关，触发后相应的EDI模块会断电，当模块流阻升高导致浓水侧流量低至流量开关定值，在模块投运后会触发流量开关动作、模块断电，产水电导率会出现一定的跳变情况，模块会产生反复投运、模块进出口气动阀频繁动作，对设备长期可靠运行不利。

3.2 降级后的问题诊断及处理方式

3.2.1 DC POWER CONTROLLER FAILURE报警。运行数年后，不同的EDI模块频繁发生DC POWER CONTROLLER FAILURE报警信息，结合设备手册和PLC逻辑分析，该报警设计的目的是提示需求模块上电投运、但判断模块未正常上电（通过断路器辅助触点）后触发的报警。由于断路器等电气部件固有可靠性较高，故障率较低，经排查确认原因为模块流阻升高所致。当一模块收到投运指令后，进口阀打开，10s后检测相应模块的断路器辅助触点状态，如果断路器未闭合，则发出该报警。当模块流阻升高后，浓水侧流量建立较慢，若无法在10s内建立起高于流量开关定值的流量，流量开关保护逻辑优先触发、模块断电，因此报警逻辑检测到断路器处于未闭合状态从而报警。这也与流阻较高的模块易频繁触发该报警的现象匹配。

3.2.2 EDI入口压力高报警。总流阻升高，入口压力逼近报警值，在模块切换等瞬态下易出现报警。上述问题均与模块流阻的升高有直接关系。可根据模块的具体情况，增加报警的延时、优化模块投退数量定值并优化运行流量控制方式以减少模块切换频率等方式，降低报警触发的频率。

3.2.3 短期处理措施。为提高经济性，可通过人工的调整，尽量延长模块的运行时间。方法为：调整排污流量至所有模块投运，反复调整模块产水和浓水侧的入口手动调节阀，平衡流量。调整后，由于模块整体流阻升高，可能导致入口压力过高无法运行，因此，该调整具备一定的局限性，可一定程度上延长模块的运行寿命。但初始设计上未考虑产水侧流量测量，不具备流量测量的条件，只能根据差压来调整，同时，手动阀并未设计平滑的Cv调节能力，调节过程中难以精确控制，也是后续需要改进的地方。问题根本上还是需要对流阻过高的模块进行更换才可以解决。

3.3 设计优化建议

结合上述主要问题的分析和处理，提出以下设计优化建议：

（1）EDI产水入口增加在线流量测量装置。前文已述EDI有产水侧、浓水侧单独调整流阻的需求，当前设计并未考虑，产水侧无流量测量装置，管线布置设计无法加装便携式超声波流量计，只能根据整个模块的进出口差压来调节，无法区分产水侧和浓水侧的不同调整需求。建议在产水侧入口管线增设在线式流量测量装置，如浮子流量计等，支持对EDI的精确化流阻调整需求；

（2）提高EDI模块本身及入口管道的设计压力。平衡各模块流阻的方式可以极大的提高EDI模块的运行寿命，但势必会导致入口管道压力升高，同时，EDI本体外壳的承压能力也不足以支持多次调整。因此，可考虑在目前0.689 MPa的设计压力基础上，提高EDI模块本身及入口管道的设计压力至1 MPa，可有效延长EDI的运行寿命。

4、备件定额及预防性维修建议

4.1 定额备件设置。EDI模块在完成组装制造后，如果不予投运，内部树脂和膜片将干涸失效，而通过频繁的保养延长储存寿期对人力需求较大，前文已述模块的设计数量具备一定的裕量，同时，模块的常见失效模式均为长期缓慢趋势，并可通过临时手段延长运行时间，因此建议无需设置定额。

4.2 预防性维修推荐。EDI模块运行4-5年后，会间歇性开始出现入口压力高报等报警的情况，根据前文的分析，定期更换模块经济性较差。电厂通过对模块产水的定期取样，可以有效跟踪膜片处理能力的变化，而结合上文所述的模块运行状态和报警情况的跟踪，可以对模块流阻升高的影响有直观的判断，因此，设定基于状态的更换任务是经济合理的。结合模块的使用经验，判定准则建议如下：

（1）模块浓水侧流量持续≤0.7 gpm，且因浓水侧流量建立较慢导致触发的电源控制器故障报警出现频率≥1次/天；

（2）产水水质劣化后，优先通过上调模块运行电流来提高性能，运行电流需≤8A且运行电压≤300V，无调整裕量后，如果单个模块产水的钠、氯、硫酸根任一一种离子浓度≥1 ppb，需进行更换；总产水水质不满足WANO指标要求（钠≤0.8 ppb、氯≤1.6 ppb、硫酸根≤1.7 ppb），根据各模块产水水质诊断后，更换性能降级最严重的模块；

（3）EDI入口压力持续≥0.63 MPa，且入口压力高报出现频率≥1次/天，通过诊断后，更换流阻最高的模块。

5、结束语

     EDI技术作为首次在核电蒸汽发生器排污处理上应用，经过数年的运行，总体上运行性能良好，发挥了其特有的诸多优势，但也存在设计考虑不全面的地方。本文总结了EDI的运行应用经验，从失效模式分析出发，对频发的问题及其处理措施进行了介绍，并给出了建议的设备管理方式，为后续类似项目提供参考和借鉴。

参考文献：

[1]顾军.AP1000核电厂系统与设备[M].北京原子能出版社，2010

[2]姜磊.AP1000核电机组蒸汽发生器排污系统净化技术探讨[J].中国核科学技术进展报告（第四卷）核能动力分卷（下），2015

[3]姜媛媛.1600m3/h全膜法工艺在大型石化企业的应用[J]. 工业水处理，第41卷第11期，2021

[4]EDI运行维护手册[G]

[5]王伟. 枣泉电厂EDI装置产水异常原因分析与处理[J]. 化工管理，2021

[6]王凤雷. EDI一体化装置模块故障实例研究[J]. 化工管理，2020

[7]黄怡彬.电去离子技术在压水堆核电厂蒸汽发生器排污系统中的应用[J]. 化工设计通讯，第48卷第8期，2022