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电渗析（EDI）技术具有低能耗、高效率、可连续运行等显著优点，现在广泛应用于化工、轻工、冶金、造纸等行业，但应用在核电厂蒸汽发生器排污系统的只有AP1000 和 CAP1400系列电厂，因此该技术在核电厂的使用经验、系统性能评估方法、设备老化评估方法及缓解策略等还比较少。1电渗析技术工作原理电渗析技术是膜分离技术的一种，将阴阳离子交换膜交替排列于正负电极之间，并用特制的隔板将其隔开，组成除盐和浓缩两个系统。在直流电场的作用下，以电位差为动力，利用膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来。EDI工作原理示意如图 1所示，整个过程主要包含以下几个方面。（1）电渗析过程：在外电场作用下，水中的电解质通过离子交换膜进行选择性迁移，从而实现去除离子的作用。（2）离子交换过程：此过程依靠离子交换树脂对水中电解质离子的交换作用，达到去除水中离子的目的。（3）电化学再生过程：利用电渗析的极化过程产生的H+和 OH−及树脂本身的水解作用对树脂进行电化学再生。2EDI 出水水质影响因素分析EDI 把 电 渗 析（ED）与 离 子 交 换 树 脂 混床（IX）的优点结合在一起，在其水室中填充离子交换树脂，离子在树脂上的传递速率比在溶液中的传递速率要高，从而可以提高 EDI淡室中离子的迁移速度；同时由于局部高电势梯度而发生水离解，产生H+、OH−再生填充的树脂。因此，离子在树脂上发生吸附→解析传递→再吸附→再解析传递的过程，并在电场作用下最终迁移到浓室，达到连续脱盐的目的。在电场作用下，水发生离解，产生H+、OH−，保证靠近出水的一部分树脂处于良好的再生状态（即抛光状态），使水中弱离子化杂质离子化，提高 EDI对弱离子化杂质的脱除效率。EDI中水离解是提高 EDI性能的关键因素，而膜堆电阻是影响水离解的主要因素之一。EDI膜堆电阻主要由浓室浴液相、淡室树脂相和离子交换膜相中离子的摩尔电导和浓度来决定，离子的摩尔电导越大，离子浓度越高，则EDI膜堆电阻就越小。EDI 中水解离程度越高，其对 EDI 淡水室填充的树脂再生程度就越好，EDI的脱盐率就越高，而且对弱离子化杂质的去除效果也越好。EDI 淡水室变化对 EDI膜堆电阻影响不大，而在分析淡水室变化对去除水中弱离子化杂质的影响时，提出了电流系数 E 的概念，用 E来分析淡水室变化对去除水中弱离子化杂质的影响。在EDI 淡水室中，传输电流必然是带电离子的有规律运动产生的，EDI 电流 I可以认为由两部分组成：一部分是水中带电的杂质离子迁移形成的电流，称作 I 杂质；另一部分是由水解离产生 H+、OH−迁移形成的电流，称作 I水离解。EDI电流 I与水中带电的杂质离子迁移形成的电流 I 杂质的比，可以反映水离解的程度，用电流系数 E来描述，如下式：每一个淡水室中的水中杂质离子所能携带的电荷数可以表示如下：2.1进水电导率变化影响分析由式（3）可以看出，当淡水室进水电导增加，也就是淡水室进水中的离子浓度 C 增加，在 EDI电流 I 和产水流量 Q 不变时，则 E下降，EDI 中水解离程度降低，水中弱离子化杂质离子化的程度也降低，因此产水中的电导率将升高。同时，淡水室进水电导率的上升会导致 EDI膜堆电阻降低，但这种影响程度效果较小，因为 EDI 淡水室电阻主要由 EDI树脂相电阻来决定。即淡水室进水电导上升导致EDI膜堆电阻降低而增加的水解离程度，相比淡水室进水电导率上升导致 EDI 电流系数降低而影响的水解离程度要小。图 2 为 EDI出水电导率和淡水室进水电导率的变化趋势，可以看出，淡水电导率随入水电导率的变化明显，与预期情况相符。2.2进水流量变化影响分析同理，通过公式（3）可以，当进水流量 Q 增加，而 EDI 电流 I、进水电导率 C 不变时，会导致 E 降低，造成EDI水解离程度降低，水中弱离子化杂质离子化的程度降低，因此产水中的电导将升高。图 3 为某厂 EDI 进水流量和出水电导率的变化趋势，虽然EDI进水流量存在波动，但平均到单个模块中（5 个或者 6个）时，单个模块的流量变化并不明显，所以没有发现出水电导率和进水流量变化之间有明显的关联。但是，由于运行模块数量随进水流量发生变化，当流量达到 18m3·h-1时，保持 6 个模块运行；当流量低于 18 m3·h-1时，保持5 个模块运行。现场发现，当将进水流量维持在18m3·h-1以下时，淡水出口电导率发生波动；将进水流量提升至 18 m3·h-1以上后，电导率恢复正常，此现象符合以上理论分析。2.3 电流变化影响分析在EDI进水电导率 C 和产水流量 Q 一定的条件下，随着 EDI 电流 I 的升高，根据式（3）分析，则E 增大，即 EDI中水解离程度增大，更利于使靠近出水的一部分树脂处于很好的再生状态和水中弱离子化杂质的离子化，提高 EDI 对水中杂质的去除。因而 EDI电流上升，出水电导率降低，如表 1所示。但也有相关经验表明，当电流增大到一定程度后，EDI产水电导率随着电流的增加略有回升，可能原因是电流过大而引起离子由浓水室反向迁移到淡水室。2.4 温度变化影响分析随着温度的升高，水的解离增加，溶液中 H+和OH−迁移形成的电流增加，但总电流维持稳定，表明水中带电的杂质离子迁移形成的电流减少，意味着部分杂质离子将无法迁移至浓水侧，而是随着淡水迁移至产水侧，从而导致淡水出水电导率升高。图4 是 EDI淡水出口电导率随温度的变化趋势，可以看出，出水电导率与温度变化存在一定的关联性。一方面可能是由于温度变化后，导致电导率测量存在一定的偏差。但结合温度升高后，系统水质变差的实际情况，推断温度对EDI 净化效率存在一定的影响。后续待温度升高，水质恶化时，可以通过调高 EDI电流的方式进行尝试，以验证该推论的准确性。由以上分析可知，在EDI运行期间，可采取以下措施保证EDI处于最佳工况。（1）降低进水温度，在夏季高温天气，可适当调节进水冷却器冷源流量，提高冷却效率。（2）当水质出现恶化时，可适当提高EDI运行电流。（3）维持进水流量在设计流量工况内，避免超流量运行。3EDI 性能及老化评估由前述分析可知，EDI起主要功能的设备为膜元件和树脂。根据膜和树脂的性质，随着使用时间的延长，其性能将会下降或老化。因此如何评估 EDI性能下降或老化是电站最关注的问题。通过对EDI 工作原理及运行影响因素分析，EDI在运行过程中应定期监测以下参数，用于分析设备是否存在性能下降或老化。（1）产水压降：在温度和流量不变的情况下，产水压降增加 40%，说明EDI性能下降。（2）电流/电压：电流处于较低的状态下（2~4 A），电压持续性上升，说明 EDI 性能出现下降，一般情况下电压超过 200 V时，可以认为该膜元件性能下降。（3）产水电导：在温度、流量、进水电导不变的情况下，产水电导出现升高，说明性能下降。（4）进水压力：在温度和流量不变的情况下，进水压力呈现升高趋势，说明性能下降。（5）产水流量：在温度和流量不变的情况下，产水流量呈现下降趋势，说明性能下降。（6）出水水质：出水中Na+、Cl−、SO42−硫酸根出现异常上升，说明性能下降。4缓解策略结合 EDI 技术在 AP1000 核电的应用情况及经验，从技术、维修、运行 3个领域进行风险分析和技术审查，查找薄弱点和薄弱环节，从而提出缓解措施，并通过相应的纠正行动减少故障影响，缓解故障后果。4.1技术方面目前EDI在设计上一般分为常温膜堆和高温膜堆，在膜堆选择上应考虑EDI实际使用环境。如应用到核电厂蒸汽发生器排污系统，因系统介质温度在夏季情况下，一般可以达到40~50℃，因此在选择上就需要选择高温膜堆，避免选择常温膜堆，在夏季高温条件下，介质温度超过其最佳运行工况。4.2维修领域根据EDI应用经验，维修领域的维护细则如下。4.2.1日常维护按班次对设备进行巡检，检查系统及设备运行情况。按设备运行维护要求定期对设备进行润滑。系统应定期检查（建议至少每半年一次），包括地脚螺栓、各连接处紧固件等，以确保设备处于正常运行状态。4.2.2预防性维护（1）橡胶垫片一般寿命为5年，应每5年更换一次；（2）定期巡检 EDI模块是否有异常噪音、冒烟、气味等，如有立即停机检查；（3）定期巡检各接口是否有漏水现象，如有则进行在线紧固或停机紧固；（4）定期巡检过滤器前后压差，如有异常，定期清洗或更换过滤器；（5）定期检查控制柜及配电柜元器件是否老化，老化元器件应定期更换。4.3运行方面根据 EDI 应用经验，运行常见故障及故障原因和预防措施如表 2所示。5结语通过对 EDI 技术在核电厂的应用研究，总结了 EDI产水的影响因素、性能评估所需监测的参数、性能降级/老化的评估手段及缓解策略等，可为后续 EDI技术在核电厂的应用提供借鉴。● 扫码关注我们 |