litceymos.ru 1


VI международный конкурс научно-образовательных проектов

«Энергия будущего»


Конкурсная работа


Роль химии в энергетике: подготовка химически обессоленной воды

методом ионного обмена для АЭС


Шифр: 04028


Автор работы:

Сентюлева Анна Владимировна


г. Удомля Тверской области

МОУ гимназия №3 им.
О. Г.Макарова, 10 «а» класс

Руководители:

Сентюлева Елена Валерьевна - лаборант химцеха КАЭС

Пукалова Ирина Александровна – учитель физики МОУ гимназии №3

им. О. Г. Макарова


Контактные телефоны:

Сентюлева Е. В. – 8-915-717-5911,

Пукалова И. А. – (48255) 5-16-90


Удомля

2008

Аннотация

Калининская АЭС является крупнейшим водопотребителем Удомельского района.

В данной работе представлена информация о требованиях, предъявляемых к качеству питьевой и контурной воды. Приведены сравнительные таблицы и гистограммы химических показателей питьевой, озерной и воды II контура. Дается краткое описание об итогах посещения водозаборной станции и химического цеха Калининской АЭС. Также дается краткое описание теории ионного обмена и описание принципиальных схем химводоочистки и блочнаой обессоливающей установки; также дается краткое теоретическое описание принципа очистки воды от радиоактивных загрязнений – спецводоочистки.

Данная работа помогает повысить мотивацию к изучению химии, физики, знакомит с химическими технологиями, применяемыми в энергетике на примере Калининской АЭС.


Содержание

1.Введение 3

2.Обзор литературы по вопросам подготовки воды методом 4

ионного обмена

2.1.Принцип работы АЭС с реакторами типа ВВЭР-1000 4

2.2.Требования, предъявляемые к воде, используемой для


технологических нужд на АЭС 5

2.3.Химические показатели качества природных и контурных вод. 5

2.4.Теория ионного обмена 6

2.5.Рабочий цикл ионообменной смолы 9

2.6.Особенности применения ионообменных материалов 10

3.Практическое исследование 11

3.1.Посещение водозаборной станции 11

3.2.Посещение Калининской АЭС 13

3.3.Описание принципиальной схемы химводоочистки 15

3.4.Описание принципиальной схемы

блочной обессоленной установки 18

3.5.Теоретическое описание принципа работы

специальной водоочистки 20

4.Заключение 20

5.Список литературы 22


1. Введение


1.1. Цель работы:

ознакомление с технологией подготовки воды для АЭС методом ионного обмена и сравнение качества воды: для технологических нужд АЭС, питьевой и озерной.

1.2. Задачи работы:


  1. изучить требования, предъявляемые к воде, используемой для технологических нужд на современной АЭС на примере Калининской АЭС.

  2. ознакомиться с теорией метода ионного обмена,

  3. посетить водозаборную станцию г. Удомля и ознакомиться с химическим составом питьевой воды и озерной воды.

  4. сравнить показатели химического анализа питьевой воды и воды II контура АЭС.

  5. посетить химический цех Калининской АЭС и ознакомиться:

  • с процессом подготовки воды на химической водоочистке;

  • с процессом очистки воды на блочной обессоливающей установке;

  • посетить экспресс-лабораторию II контура;

  • ознакомиться теоретически с работой специальной водоочистки.

  1. сделать выводы о значении ионного обмена при подготовке воды.



1.3. Актуальность

Энергетическая стратегия России предусматривает почти удвоенное производство электроэнергии с 2000 до 2020 г. С преимущественным ростом атомной энергетики: относительная доля выработки электроэнергии на АЭС за этот период должна увеличится с 16% до 22 %.

К оборудованию АЭС как ни к какому другому, предъявляются требования безопасности, надежности и экономичности работы.

Одним из важнейших факторов, влияющих на надежную и безопасную работу АЭС, является соблюдение водно-химического режима и поддержание показателей качества воды на уровне установленных норм.

Водно-химический режим АЭС должен быть организован таким образом, чтобы обеспечивалась целостность барьеров (оболочек твэлов, границы контура теплоносителя, герметичных ограждений, локализующих систем безопасности) на пути возможного распространения радиоактивных веществ в окружающую среду. Коррозионное воздействие теплоносителя и других рабочих сред на оборудование и трубопроводы систем АЭС не должно приводить к нарушению пределов и условий её безопасной эксплуатации. Водно-химический режим должен обеспечивать минимальное количество отложений на теплопередающих поверхностях оборудования и трубопроводов, так как это приводит к ухудшению теплопередающих свойств оборудования и, как следствие, сокращению сроков эксплуатации оборудования.


2. Обзор литературы по вопросам подготовки воды методом ионного обмена


2.1. Принцип работы АЭС с реакторами типа ВВЭР-1000

Принцип работы большинства существующих АЭС основан на использовании тепла, выделяющегося при расщеплении ядра 235U под действием нейтронов. В активной зоне реактора под действием нейтронов ядро 235U расщепляется, выделяя энергию и нагревая теплоноситель – воду.

Ядерное топливо отдает тепловую энергию теплоносителю первого контура, которым является вода под высоким давлением (16 МПа), на выходе из реактора, температура воды 3200. Далее осуществляется передача тепловой энергии воде второго контура. Прямого контакта между теплоносителем и водой второго контура нет. Теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру: реактор – парогенератор – главный циркуляционный насос – реактор. Таких контуров четыре. В парогенераторе теплоноситель первого контура нагревает воду второго контура до парообразования. Пар поступает на турбину, которая вращается за счет этого пара. Такой пар называется рабочим телом. Турбина непосредственно связана с электрическим генератором, который вырабатывает электрическую энергию. Дальше отработанный пар с низким давлением поступает в конденсатор, где происходит его конденсация, за счет охлаждения озерной водой. Потом дополнительная очистка и возвращение в парогенератор. И так цикл повторяется: испарение, конденсация, испарение.






рис. 1. Технологическая схема двухконтурной АЭС:

1 – реактор; 2 – турбогенератор; 3 – конденсатор; 4 – питательный насос; 5 – парогенератор; 6 – главный циркуляционный насос.


2.2. Требования, предъявляемые к воде, используемой для технологических нужд на АЭС

С ростом параметров пара и воды усилилось воздействие водно-химических режимов. Это привело к росту удельных тепловых нагрузок поверхностей нагрева. В этих условиях даже незначительные отложения на внутренних поверхностях труб вызывают перегрев и разрушение металла. Высокие параметры пара (давление и температура) увеличивают его растворяющую способность в отношении примесей, содержащихся в питательной воде. В результате этого возрастает интенсивность заноса проточной части турбин, что может привести к снижению экономичности блоков и в некоторых случаях к ограничению их мощности, снижению срока эксплуатации оборудования.

Устранение недостатков водно-химических режимов необходимо не только при нарушениях, создающих аварийную ситуацию, но и при кажущихся незначительных отклонениях от норм. Так, например, из опыта эксплуатации следует, что:


  • отложения солей и продуктов коррозии на лопатках цилиндра высокого давления турбин блоков 300 МВт в количестве 1 кг вызывают увеличение давления в регулирующей ступени турбины на 0,5 – 1 МПа (5 – 10 кгс/см2) и приводят к снижению мощности турбины на 5 – 10 МВт;

  • отложение продуктов коррозии на внутренней и наружной поверхностях труб подогревателя высокого давления в количестве 300 – 500 г/ м2 снижают температуру подогрева питательной воды на 2 – 30 С и ухудшают экономичность блока;
  • отложения в пароводяном тракте блоков увеличивают его гидравлическое сопротивление и потери энергии на прокачивание воды и пара. Рост сопротивления тракта блока 300 МВт на 1 МВт (10 кгс/см2) приводит к перерасходу 3 млн. кВт · ч электроэнергии в год.


Для обеспечения требований, предъявляемых к обеспечению водно-химического режима на АЭС, служат следующие системы:

  • химическая водоочистка;

  • система конденсации и дегазации;

  • блочная обессоливающая установка;

  • установка коррекционной обработки рабочей среды первого и второго контура;

  • деаэраторы;

  • система продувки парогенератора;

  • установка очистки продувочной воды парогенератора (специальная водоочистка);

  • система продувки-подпитки первого контура.



2.3. Химические показатели качества природных и контурных вод

Водный теплоноситель для заполнения энергетических контуров и их подпитки готовится из природных вод на водоподготовительных установках различных типов и содержит обычно те же примеси, которыми характеризуется природная вода, но в существенно меньших (на несколько порядков) концентрациях.

К основным показателям качества воды относят следующие.

Содержание грубодисперсных (взвешенных) веществ, присутствующих в контурных водах – в виде шлама, состоящего из трудно растворимых соединений типа СаСО3, СаSO4, Mg(OH)2, частиц продуктов коррозии конструкционных материалов (Fe3O4, Fe2O3 и др.), содержание которых определяется фильтрованием через бумажный фильтр с подсушиванием при 105-1100 С или косвенным методом по прозрачности воды.

Солесодержание – суммарная концентрация в воде катионов и анионов, подсчитанная по общему ионному составу и выраженная в миллиграммах на килограмм. Для характеристики и контроля вод и конденсатов с малым солесодержанием при отсутствии растворенных газов СО2 и NH3 часто используется показатель удельная электрическая проводимость. Конденсат с солесодержанием около 0,5 мг/кг имеет удельная электрическая проводимость 1мкСм/см.


Жесткость воды общая ЖО - суммарная концентрация кальция (кальциевая жесткость) и магния (магниевая жесткость), выраженная в эквивалентных единицах миллиграмм-эквивалент на килограмм или микрограмм-эквивалент на килограмм:

ЖО = ЖСа + ЖMg

Содержание кремниевой кислоты характеризует общую концентрацию в воде кремнесодержащих соединений, присутствующих в виде ионов и коллоидов, выраженных условно в пересчете на SiO2 в единицах миллиграмм на килограмм.

Окисляемость воды выражается расходом сильного окислителя (обычно KMnO4), потребного для окисления в стандартных условиях органических примесей воды, и измеряется в миллиграммах на килограмм KMnO4 или O2, эквивалентного расходу перманганата калия.

Показатель концентрации водородных ионов (pH) воды характеризует реакцию воды (кислая, щелочная, нейтральная) и учитывается при всех видах обработки и использования воды.

Удельная электрическая проводимость (χ) определяется подвижностью ионов в растворе, помещенном в электрическое поле; для чистой воды ее величина равна 0,04 мкСм/см, для обессоленных турбинных конденсатов χ = 0,1мкСм/см (микросименс на сантиметр).


2.4. Теория ионного обмена

Подготовка воды для заполнения контуров АЭС и восполнения потерь в них осуществляется за счет обессоленной воды, приготавливаемой методом химического обессоливания в две или три ступени исходной маломинерализованной воды ( мг-экв/кг) с применением ионитов в Н- и ОН-формах или термическим обессоливанием в испарительных установках различных типов, предназначенных для переработки высокоминерализованных вод с доочисткой дистиллята на фильтрах смешанного действия.


Обессоливание природных вод методом раздельного Н-ОН-ионирования осуществляется путем последовательного пропуска предварительно осветленной (освобожденной от коллоидных и грубодисперсных примесей) воды через Н-катионный и ОН-анионитный фильтры, загруженные ионообменными материалами.


2.4.1. Сущность процесса ионного обмена.

В природе широко распространены вещества, которые хотя и очень мало растворимы в воде, но в то же время способны к реакциям ионного обмена.

Эта способность обусловлена присутствием в составе ионитов так называемых ионообменных или функциональных групп. Для примера рассмотрим обычный каменный уголь. Он представляет собой не углерод, а смесь сложных органических соединений, состоящих из углерода С, водорода Н, кислорода О, серы S, азота N и многих других элементов. Каменный уголь в воде практически нерастворим, но при контакте с кислородом, растворенном в воде, происходит медленное окисление, приводящее к образованию различных окисленных групп. На поверхности угля образуются гидроксильные или карбоксильные группы, прочно связанные с основой угля. Если условно обозначить эту неизменившуюся основу буквой R, то структуру такого материала можно описать формулой ROH или RCOOH в зависимости от того, какая окисленная группа гидроксила ОН или карбоксила СООН образовалась на его поверхности при окислении. Эти группы способны к диссоциации, т. е. в водной среде происходят процессы:

ROH = RO- +H+

RCOOH = RCOO- + H+.

Если в воде присутствуют катионы, например, кальция, то становятся возможными процессы катионного обмена:

2RCOOH+Ca2+ = (RCOO)2Ca +2 H+.

При этом ионы кальция фиксируются на угле, а в раствор поступает эквивалентное количество ионов водорода. Обмен может совершаться и на другие ионы, например ионы натрия, железа, меди и т. д.

2.4.2. Катиониты и аниониты.


Все материалы, способные к обмену катионов, называются катионитами. Материалы, способные к обмену анионов, называются анионитами. Они имеют иные ионообменные группы, обычно NH2 или NH, которые с водой образуют NH2OH.

Катиониты способны обмениваться с раствором положительно заряженными ионами (катионами). Процесс обмена катионами между катионитом, погруженным в очищаемую воду, и этой водой называется катионированием. Аниониты способны обмениваться с электролитом отрицательно заряженными ионами. Процесс обмена анионами между анионитом и обрабатываемой водой называется анионированием.

На рис. 2 схематично изображена структура зерен ионитов. Практически нерастворимое в воде зерно окружено диссоциированными – положительно заряженными для катионита (рис. 2,а) и отрицательно заряженными для анионита (рис. 2,б). В самом зерне ионита вследствие отделения ионов отрицательный заряд возникает для катионита и положительный для анионита.





рис. 2. Схема структуры зерен ионита.

a) – катионит; б) – анионит; 1- твердый многоатомный каркас ионита; 2 – связанные с каркасом неподвижные ионы активных групп (потенциалообразующие ионы); 3 – ограниченно подвижные ионы активных групп, способные к обмену (противоионы).

Большинство применяемых в настоящее время ионообменных материалов относится к разряду синтетических смол. Молекулы их состоят из тысяч, а иногда и десятков тысяч связанных между собой атомов. Ионообменные материалы являются своеобразными твердыми электролитами. В зависимости от характера активных групп ионита его подвижные, способные к обмену ионы могут иметь положительный или отрицательный заряд. Когда положительным, подвижным катионом является ион водорода H+, то такой катионит является по существу многовалентной кислотой, так же как анионит с обменным гидроксильным ионом ОН - является многовалентным основанием.


Подвижность способных к обмену ионов ограничивается расстояниями, при которых не теряется взаимность их с неподвижными ионами противоположного заряда на поверхности ионита. Это ограниченное вокруг молекулами ионита пространство, в котором находятся подвижные и способные к обмену ионы, называют ионной атмосферой ионита.

Обменная емкость ионитов зависит от числа активных групп на поверхности зерен ионита. Поверхностью ионита является также поверхность углублений, пор, каналов и пр. Поэтому предпочтительнее иметь иониты с пористой структурой. Зернистость отечественных и зарубежных ионитов характеризуется фракциями в пределах от 0,3 до 1,5 мм при среднем диаметре зерен 0,5-0,7 мм и коэффициенте неоднородности около 2,0-2,5.

Существуют иониты, в которых подвергаются диссоциации практически все содержащиеся в их составе функциональные группы или только незначительный процент их, в их соответствии с чем различают катиониты сильнокислотные - способны к поглощению катионов (натрий Na+, магний Mg2+ и др.); и слабокислотные – способны к поглощению катионов жесткости (магний Mg2+ , кальций Ca2+). Аналогично деление на две группы анионитов: сильноосновные – способны к поглощению как сильных, так и слабых кислот (например, угольной , кремниевой и др.). и слабоосновные - способны к поглощению преимущественно анионитов сильных кислот (, и др.).


2.5. Рабочий цикл ионообменной смолы

Слой ионита (ионообменная смола) по ходу движений обрабатываемой воды в процессе ионного обмена можно разделить на три зоны.

Первая зона – это зона истощенного ионита, так как все находящиеся в ней противоионы использованы для обмена на ионы обрабатываемой воды. В этой зоне продолжается селективный обмен между ионами самой обрабатываемой воды, т. е. наиболее подвижные ионы, содержащиеся в воде, вытесняют из ионита менее подвижные (рис. 3).




рис. 3. Расположение зон работы ионита в фильтре:

1 – зона истощенного ионита; 2 – зона полезного обмена; 3 – зона свежего ионита.


Вторую зону называют зоной полезного обмена. Здесь начинается и заканчивается полезный обмен противоионов ионита на ионы обрабатываемой воды. В этой зоне частота обмена ионов обрабатываемой воды на противоионы ионита преобладает над частотой обратного обмена ионов обрабатываемой воды и поглощенных ионитом ионов.

Третья зона – это зона неработавшего, или свежего, ионита. Проходящая через этот слой ионита вода содержит только противоионы ионита и поэтому не изменяет ни своего состава, ни состава ионита.

По мере работы фильтра первая зона – зона истощенного ионита – возрастает, заставляя работающую зону 2 опускаться за счет уменьшения зоны свежего ионита 3, и, наконец, выходит за нижнюю границу загрузки фильтра. Здесь высота третьей зоны равна нулю. В фильтрате появляется и начинает возрастать концентрация наименее сорбируемых ионов, и полезная работа ионитного фильтра заканчивается.

Технология процесса регенерации.

Процесс регенерации ионообменных фильтров состоит из трех главных операций:

Взрыхления слоя ионита (взрыхляющая отмывка);

Пропуска через него рабочего раствора реагента с заданной скоростью;

Отмывки ионита от продуктов регенерации.


Взрыхляющая отмывка.

При эксплуатации фильтров всегда происходит образование продуктов постепенного разрушения и измельчения ионитов, которые необходимо периодически удалять. Это достигается с помощью взрыхляющих отмывок, данная операция обязательна перед каждой регенерацией.

Очень важно соблюдать условия проведения отмывок, которые должны обеспечить более полное удаление из фильтра мелких пылевидных частей ионообменных материалов. Кроме того, взрыхляющая отмывка устраняет уплотнение материала, затрудняющее контакт регенерационного раствора с зернами ионита.


Взрыхление проводится потоком воды снизу вверх со скоростью, обеспечивающей приведение всей массы ионообменного материала во взвешенное состояние. Когда вода на выходе из фильтра становится прозрачной, взрыхление прекращают.

Пропуск регенерационного раствора.

Регенерация и отмывка ионита от продуктов регенерации обычно проводятся с одной и той же скоростью. Пропуск реагентов при этом возможен как по ходу обрабатываемой воды – прямотоком, так и в противоположном движению обрабатываемой воды направлении – противотоком, в зависимости от принятой технологии.

При пропуске регенерационных растворов происходит обратная замена ионов, поглощенных ионитом, на ионы регенерационного раствора (содержащие Н+ или ОН- ион). Иониты при этом переводятся в свою первоначальную ионную форму.

Регенерация бывает двух типов: внутренней и выносной. Выносная регенерация используется в фильтрах смешанного действия на блочной обессоливающей установке, чтобы избежать попадания регенерационных вод во второй контур.

Отмывка остатков продуктов регенерации.

Последняя операция регенерационного цикла – отмывка – имеет целью удалить из него остатки продуктов регенерации.

Отмывка фильтрующего слоя прекращают при достижении определенных показателей качества отмывочной воды. Фильтр готов к эксплуатации.

Данные процессы позволяют использовать ионит многократно.


2.6. Особенности применения ионообменных материалов на АЭС

Удаление из воды радионуклидов способом ионного обмена основано на том, что многие радионуклиды находятся в воде в виде ионов или коллоидов, которые при соприкосновении с ионитом также поглощаются фильтрующим материалом, но поглощение носит физический характер. Объемная емкость смол по отношению к коллоидам намного ниже, чем к ионам.

На полноту поглощения радионуклидов ионитами оказывает влияние содержание в воде большого количества неактивных элементов, являющихся химическими аналогами радионуклидов.


В условиях ионизирующих излучений используются только особо чистые иониты в водородной и гидроксильной форме (сильноосновные аниониты и сильнокислотные катиониты). Это обусловлено недостаточной стойкостью ионообменных материалов к действию ионизирующих излучений и более жесткими требованиями к водному режиму первого контура АЭС.


3. Практическое исследование


3.1. Посещение водозаборной станции

В 1980 году была введена в эксплуатацию первая очередь водозаборной станции города Удомля. Основной задачей, которой является добыча и подготовка воды для потребительских нужд. Вода из артезианских скважин насосами подается на очистку, которая включает в себя: аэрацию и фильтрование. Затем воду хлорируют и подают потребителям.

14 декабря 2007 года состоялась экскурсия на водозаборную станцию с целью ознакомления с процессами: подготовки воды, определения основных показателей качества питьевой и озерной воды.



Определение рН растворов на рН-метре на водозаборной станции.

Подготовка проб для определения железа на фотоколориметре КФК-3.




Определение хлоридов методом обратного титрования.

Определение солей жесткости.



Полученные в ходе совместных исследований с сотрудниками водозабора данные приведены в таблицах.

Таблица 1. Сравнение показателей качества озерной (на примере озера Кубыча) и питьевой воды.



Показатель

Единица измерения

Озерная вода

Питьевая вода

ПДК*

оз. Кубыча

Цветность

градус

64

5,50

20,0

Мутность

мг/л

4

0,25

1,5

Fe

мг/л

0,89

0,094

5,0

Cl-

мг/л

11

12,70

350,0




мг/л

2,3

0,08

2,0




мг/л

1,012


0,00

3,0




мг/л

1,9

1,00

45,0

Жесткость

ммоль/л

1,9

5,30

7,0

Минерализация

мг/л

---

245,00

1000,0





мг/л

13,33

3,50

500,0




мг/л

0,265

0,05

1,0

pH

---

10,1

7,20

6,0-9,0

ПДК* - предельно-допустимая концентрация - регламентируется ГОСТом качества воды.

Гистограмма 1. Показатель рН озера Кубыча, питьевой воды и предельно-допустимая концентрация.


Гистограмма 2. Содержание железа в озере Кубыча, питьевой воде и предельно-допустимая концентрация.





Гистограмма 3. Содержание солей жесткости в озере Кубыча, питьевой воде и предельно-допустимая концентрация.



Вывод: из данных, приведенных в таблице 1 и на гистограммах 1, 2, 3 следует, что качество питьевой воды получаемой на водозаборе по основным химическим показателям соответствует ГОСТу на питьевую воду (ни один из показателей не превышает предельно-допустимую концентрацию). В таблице не приведены данные по радиологическим и биологическим показателям воды, так как это не входит в задачи данного проекта.


3.2. Посещение Калининской атомной станции

25 декабря 2007 года состоялась экскурсия на Калининскую атомную станцию с целью ознакомления с работой подразделений химического цеха. В ходе экскурсии посетили химводоочистку и ознакомились с технологией производства химически обессоленной воды. При посещении машинного зала познакомились с технологией очистки основного конденсата второго контура, с работой экспресс-лаборатории второго контура и получили данные о качестве воды второго контура.

Интересно сравнить некоторые химические показатели качества воды второго контура Калининской АЭС и питьевой воды получаемой на водозаборе.

Таблица 2. Сравнительные характеристики питьевой воды и воды II контура АЭС.

Показатель

Единица измерения

Питьевая вода

ПДК

Вода II контура

Контрольные значения


Fe

мг/л

0,094

5,0

0,005

< 0,02

Cl-

мг/л

12,70

350,0

0,04

< 0,05

Жесткость

мг/л

5,30

7,0

0,00*

---




мг/л

0,05

1,0

0,0025

< 0,005

pH


---

7,20

7,50

8,50

8,5-9,2

* - данные не указываются, так как концентрация жесткости меньше чувствительности метода определения данного показателя.

Вывод: 1. Как следует из Таблицы 2 предельно-допустимая концентрация питьевой воды и контрольные значения воды второго контура имеют существенные отличия. Это вызвано более высокими требованиями, предъявляемыми к воде, используемой для технологических нужд, необходимыми для безопасной и надежной эксплуатации оборудования.

2. Питьевая вода, получаемая на водозаборе, имеет высокое качество, химические показатели значительно ниже предельно-допустимой концентрации примесей, содержащихся в питьевой воде.


3. Вода второго контура соответствует контрольным значениям. Это достигается очисткой воды методом ионного обмена при ее подготовке и доочисткой конденсата на блочных обессоливающих установках.


Гистограмма 4. Содержание хлоридов в питьевой воде и воде второго контура Калининской АЭС.



Вывод: В питьевой воде хлоридов содержится в 317,5 раз больше, чем в воде второго контура. Содержание хлоридов в контурных водах не должно превышать контрольных значений, так как их повышенное содержание вызывает растрескивание конструкционных материалов.

Свободный хлор, добавляемый для обеззараживания питьевой воды, не влияет на содержание в ней хлоридов. После отстаивания питьевой воды в течение 2 часов содержание в ней свободного хлора практически не определяется, что было экспериментально подтверждено во время проведения химических анализов на водозаборе.

Гистограмма 5. Содержание солей жесткости в питьевой воде и воде второго контура Калининской АЭС.



Вывод: Содержание жесткости общей в питьевой воде - 5,3 мг/л. В воде второго контура этот показатель не определен, так как концентрация жесткости меньше, чем чувствительность данного метода анализа (метод объемного титрования).

Высокие требования к содержанию солей жесткости в воде второго контура вызваны тем, что на стенках теплообменных аппаратов появляются накипеобразующие отложения солей. Это приводит: к ухудшению теплообмена, уменьшению гидравлического сопротивления, снижению сроков эксплуатации оборудования.

Гистограмма 6. Содержание железа в питьевой воде и воде второго контура.


Вывод: Содержание железа в питьевой воде в 18,8 раза больше, чем в воде второго контура. Концентрацию железа необходимо поддерживать не выше контрольных значений, так как его повышенное содержание вызывает появление отложений на поверхностях оборудования, что приводит к ухудшению его работы.


3.3. Описание принципиальной схемы химводоочистки

Технологическая схема химической водоочистки на Калининской атомной станции состоит из следующих систем:

предварительной очистки;

ионирования;

подготовки химических реагентов;

нейтрализации.

3.3.1 Принципиальная схема предварительной очистки воды.

Исходная вода забирается из системы озер Песьво - Удомля и насосами подается на подогреватели исходной воды (или подогреватели сырой воды), где нагревается до температуры 30±10С. Поддержание заданной температуры на выходе из подогревателей исходной воды производится с помощью регуляторов, автоматически. Подогретая вода перед подачей в осветлители подвергается магнитной обработке, проходя через магнитные аппараты. В осветлителях производится обработка воды методом известкования (Ca(OH)2) и коагуляция сернокислым железом (FeSO4). В процессе обработки происходит частичное умягчение (снижение жесткости), снижение сухого остатка (солесодержания) и органических загрязнений исходной воды, а также удаление взвешенных веществ и соединений кремния. На предочистке химически обессоленной воды предусмотрены 3 осветлителя. Обычно в работе находится один из трех осветлителей.

Примеси удаляются из исходной воды в составе осадка (шлама), который выводится из осветлителя в бак шламовых вод с продувочной водой.

Осветленная вода после осветлителя сливается в бак осветленной воды, их три, для каждого осветлителя предусмотрен один бак осветленной воды.

Шламовые воды из бака и емкости откачиваются либо в баки - нейтрализаторы, либо на шламоотвал. На шламоотвале происходит отстаивание шлама, очищенная осветленная вода возвращается в бак сбора промывочных вод механического фильтра и далее, обратно в осветлитель.


Таким образом, эти воды не попадают в окружающую среду и не оказывают влияния на экологию.

3.3.2. Принципиальная схема обессоливающей части химической водоочистки.

Обессоливающая часть химической водоочистки предназначена для подготовки химобессоленной воды для подпитки и заполнения 1-го и 2-го контуров АЭС, системы охлаждения обмоток статора генератора, емкостей электролизной, спецпрачечной. Производительность химической водоочистки по обессоленной воде = 150м3.

Описание основной технологической схемы обессоливающей части химической водоочистки.

Осветленная вода после механического фильтра предочистки поступает на цепочку Н-катионитных фильтров. В Н-катионитном фильтре 1-й ступени, загруженным слабокислотным катионитом, происходит очистка воды от ионов жестокости (Сa2+ и Mg2+). В Н-катионитном фильтре 2-й ступени, загруженным сильнокислотным катионитом, происходит доочистка воды от оставшихся после 1-й ступени ионов жесткости и ионов Na+.

Н-катионитная вода после 2-й ступени собирается в баки частичнообессоленой воды катионитного фильтра.

Из бака частично обессоленной воды насосами вода направляется на цепочку ОН-анионитовых фильтров. В ОН-анионитовом фильтре 1-й ступени, загруженным низкоосновным анионитом, происходит очистка воды от анионов сильных кислот (; ). В ОН-анионитовом фильтре 2-й ступени, загруженным высокоосновным анионитом, происходит доочистка воды от оставшихся после 1-й ступени анионов сильных кислот и анионов слабых кислот (; ).

ОН-анионированная вода после анионитного фильтра 2-й ступени собирается в баке собственных нужд.


Обессоленная вода из бака собственных нужд насосом направляется на 3-ю ступень обессоливания – фильтр смешанного действия. Фильтр смешанного действия загружен смесью сильнокислотного катионита и сильноосновного анионита в соотношении 1:1. На 3-й ступени обессоливания происходит доочистка обессоленной воды от катионов и анионов до концентраций, требуемых стандартом предприятия СТП-ЭО-0003-03. На общем трубопроводе химически обессоленная вода после фильтра смешанного действия установлены 2 параллельно включенные ловушки фильтрующих материалов (1 – в работе; 1 – в резерве на случай ремонта первой) химически обессоленной воды из бака собственных нужд и после фильтра смешанного действия выдается потребителям: на подпитку 2-го контура в машзал; на подпитку 1-го контура в спецкорпус; в схему предочистки химводоочистки, на склад химреагентов, на спецпрачечную, на электролизную, на пуско-резервную котельную, в баки запаса химически обессоленной воды (V=3000 м3).

Для повышения надежности работы химводоочистки и создания запаса химобессоленной воды в схему обессоливающей части химводоочистки включены баки запаса химобессоленной воды (объемом 3000 м3 каждый).

Для предотвращения коррозии металлических трубопроводов в концентрированных и разбавленных растворах кислоты обвязка узла концентрированной кислоты и трасса подачи регенерационного раствора кислоты от смесителя до Н-катионитных фильтров выполнен из трубопроводов, футерованных фторопластом.





Рис.4. Принципиальная схема ХВО (на примере первой очереди Калининской АЭС):

I – принципиальная схема предварительной очистки воды (осветление):

1-подогреватель исходной воды (ПИВ); 2-магнитный аппарат (МА); 3-осветлитель (О); 4-бак осветленной воды (БОВ); 5-насос осветленной воды; 6-механический фильтр (МФ);

II – принципиальная схема обессоливающей части ХВО (ионирование):


7-НI-катионитный фильтр первой ступени; 8-НII-катионитный фильтр второй ступени; 9-бак частично обессоленной воды (БЧОВ); 10-насос частично обессоленной воды; 11-ОНI –анионитный фильтр первой ступени; 12-ОНII- анионитный фильтр второй ступени; 13-бак собственных нужд (БСН); 14-насос химически обессоленной воды; 15- фильтр смешанного действия (ФСД).


3.3.3. Система подготовки химических реагентов.

Система нейтрализации, утилизация промышленных стоков.

Для ионообменной части первой очереди и для регенерации фильтра смешанного действия предназначены узлы (системы) серной кислоты и едкого натра (служат для регенерации ионитов).

Оборудование системы нейтрализации предназначено для сбора и нейтрализации дренажных и регенерационных вод химводоочистки, блочных обессоливающих установок с последующей откачкой на фильтровальный блок АЭС.

Все дренажи с оборудования предочистки и химводоочистки собираются в подземном баке дренажных вод, откуда откачиваются в баки-нейтрализаторы. Кислота и щелочь на нейтрализацию регенерационных вод подается насосами узлов реагентов. После нейтрализации вода подаётся на фильтровальный блок полигона глубинного захоронения, где происходит отстаивание в баках-отстойниках (очистка от механических примесей). Затем проверяются на рН, прозрачность и солесодержание. Прозрачная (отстоянная) вода нагнетается в скважины, на глубину около 1,5 км. Мутная вода (со шламом) подается на шламоотвал. В скважину закачивается вода с солесодержанием 30 г/л, солесодержание воды в самой скважине 170-180 г/л. Кроме того, на полигоне глубинного захоронения ведется мониторинг окружающей среды – радиологический и химический контроль на предмет не превышения природных (фоновых) параметров. Контроль ведут из контрольных скважин глубиной от 800 м до 2 км и санитарно-гигиенический контроль из скважин глубиной до 200 м – питьевой горизонт. Полигон введен в действие в августе 2007 года, срок эксплуатации около 20 лет, радиус распространения стоков около 3 км.


Таким образом, можно сделать вывод о том, что введение в эксплуатацию полигона глубинного захоронения исключает возможность сброса промышленных нерадиоактивных стоков в окружающую среду.


3.4. Описание принципиальной схемы блочной обессоливающей установки (конденсатоочистки)

Очистка конденсата на блочной обессоливающей установке осуществляется в две ступени:

- первая ступень – очистка от нерастворенных продуктов коррозии конструкционных материалов на электромагнитных фильтрах, загруженных стальными мягкомагнитными шариками;

- вторая ступень – очистка от растворенных ионных примесей и коллоидно-дисперсных веществ на ионитных фильтрах смешанного действия.

Конденсат турбины подается конденсатными насосами первой ступени на электромагнитный фильтр, где очищается от механических примесей, главным образом, нерастворенных продуктов коррозии конструкционных материалов.

После электромагнитного фильтра конденсат поступает во всасывающий коллектор конденсатных насосов второй ступени (при отключенной ионитной части блочной обессоливающей установке), либо направляется на фильтре смешанного действия для очистки от растворенных и коллоидно-дисперсных примесей.

Удаление задержанных на шариковой загрузке ферромагнитных и немагнитных оксидов железа производится путем промывки электромагнитного фильтра обессоленной водой снизу – вверх при снятом напряжении на катушках и размагниченном состоянии шариков.

При неудовлетворительном качестве конденсата за работающим фильтром смешанного действия фильтр выводится на регенерацию, в работу включается резервный фильтр смешанного действия.

Выведенная на регенерацию смешанная смола перегружается в фильтр – регенератор, где гидравлически делится на катионит и анионит. Для перевода катионита и анионита в рабочую форму производится их регенерация.


Рис.5. Схема блочной обессоливающей установки.


ЭМФ – электромагнитный фильтр; ФСД – фильтр смешанного действия; ЛФМ – ловушка фильтрующих материалов.


Все регенеративные воды подаются на баки радиационного контроля и после радиационного контроля при непревышении установленных уровней откачиваются в баки-нейтрализаторы химводоочистки.

После каждого фильтра смешанного действия установлены фильтры – ловушки ионитов.

При посещении Калининской АЭС были получены следующие данные о работе блочной обессоливающей установке:

Через электромагнитные фильтры пропускают 100% конденсата, через фильтр смешанного действия возможно пропускать как 100% воды, так и часть ее. Так при одном работающем фильтре смешанного действия (очистка 20% конденсата) удельная электрическая проводимость уменьшилась: χ=0,23 мкСм/см – до блочной обессоливающей установке и χ=0,21 мкСм/см – после блочной обессоливающей установки.


3.5. Теоретическое описание принципа работы специальной водоочистки

Ионообменные фильтры первого контура, как правило, работают непрерывно, причем на них ответвляется примерно 0,2 – 0,5% основного расхода воды в контуре.

Очистка воды первого контура производится на установке спецводоочистки, состоящей из фильтра смешанного действия. Она служит как для удаления продуктов коррозии из реакторной воды, так и для регулирования физико-химического состава воды (поддерживаются нормируемые показатели). Установка спецводоочистки улучшает радиационную обстановку, снижая радиоактивность теплоносителя на один-два порядка.

Циркуляционная вода первого контура подается на установку спецводоочистки с главного циркуляционного насоса и возвращается после очистки в контур.

В смешанном слое для обработки радиоактивных вод иониты используются при соотношении катионита и анионита, равном 1:1 или 1:2.

Однородная смесь ионитов (шихта) позволяет удалять из контурной воды загрязнения, случайно поступающие при некачественной отмывке от реагентов фильтров установок, связанных с подпиткой контура, а также от продуктов разложения ионообменных материалов под действием ионизирующего излучения и высокой температуры.


При истощении иониты установок спецводоочистки регенерируются: катионит – азотной кислотой (при этом он переводится в Н-форму), анионит – едким натром или едким кали (переводится снова в ОН-форму).


Заключение

Изучив материалы по технологии производства энергии на АЭС с реакторами типа ВВЭР – 1000, пришли к выводу, что одним из важнейших факторов надежной работы АЭС является качественно подготовленная вода. Это достигается путем применения различных физико-химических методов очистки воды, а именно за счет использования предварительной очистки – осветления и глубокого обессоливания методом ионного обмена.

Особенное впечатление произвело посещение водозаборной станции, а именно выполнение химических анализов с помощью приборов и оборудования, которые не используются в школе. Это повысило доверие к качеству питьевой воды, подаваемой водозаборной станцией на нужды города. Но большее впечатление произвели параметры качества воды, используемой на Калининской АЭС. Большой интерес вызвали технологические процессы подготовки воды в химическом цехе, с которыми ознакомились во время посещения Калининской АЭС.

Подготовка воды методом ионного обмена позволяет достигать требуемых значений, необходимых для безопасной, надежной и экономичной работы оборудования. Однако это достаточно дорогостоящий процесс: себестоимость 1м3 химически обессоленной воды составляет 20,4 руб., а себестоимость 1м3 питьевой воды – 6,19 руб. (данные 2007 г.).

В связи с этим возникает необходимость более экономичного использования химически обессоленной воды, для чего применяют замкнутые циклы циркулирования воды. Для поддержания необходимых параметров воды (удаления поступающих примесей), служит конденсатоочистка (на втором контуре) и спецводоочистка (на первом контуре). Наличие замкнутых циклов предотвращает сброс воды первого и второго контура в окружающую среду, а для промышленных стоков существует система нейтрализации и утилизации, что снижает техногенную нагрузку.


Несмотря на то, что материал, изложенный в проекте, выходит за рамки школьной программы, знакомство с ним мотивирует старшеклассников более глубоко изучать химию, а также сделать осознанный выбор будущей профессии, связанной с атомной энергетикой.


Список литературы.


  1. Воронов В.Н., Ларин Б.М., Сенина В.А. Химико-технологические режимы АЭС с ВВЭР: Учебное пособие для вузов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2006. – 390 с.: ил.

  2. Герасимов В.В., Касперович А.И., Мартынова О.И. Водный режим атомных электростанций. – М.: Атомиздат, 1976. – 400 с.

  3. Гребенюк В.Д., Мазо А.А. Обессоливание воды ионитами. – М.: Химия, 1980. – 256 с.: ил.

  4. Гурвич С.М., Кострикин Ю.М. Оператор водоподготовки. – М.: Энергоиздат, 1981. – 304 с.: ил.

  5. Доброхотов В.И., Жгулев Г.В. Эксплуатация энергетических блоков. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 256 с.: ил.

  6. Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н. Контроль качества воды: Учебник для техникумов. – М.: Стройиздат, 1977. – 135 с.: ил.