JP5039569B2

JP5039569B2 - 加圧水型原子力発電所の補給水供給設備

Info

Publication number: JP5039569B2
Application number: JP2008002417A
Authority: JP
Inventors: 伸一大橋; 千佳建持; 拓大平
Original assignee: Japan Atomic Power Co Ltd; Organo Corp
Current assignee: Japan Atomic Power Co Ltd; Organo Corp
Priority date: 2008-01-09
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2028-01-09
Also published as: JP2009160554A

Description

本発明は、発電所の補給水供給設備に関する。

加圧水型原子力発電所（以下、ＰＷＲ型原子力発電所）は、原子炉を有する１次系ラインと、１次系ラインにおいて原子炉から取り出した熱を利用して水蒸気を発生させる蒸気発生器と、蒸気発生器において発生した水蒸気を用いてタービンを駆動することにより発電する２次系ラインとを備えており、前記１次系ラインと２次系ラインとが蒸気発生器を介して分離されている。２次系ラインでは、蒸気発生器において発生した水蒸気によりタービンを駆動することにより発電を行い、タービンを駆動した後の水蒸気は、復水器にて冷却されて復水とされ、給復水系により蒸気発生器に戻される。

また、ＰＷＲ型原子力発電所には、復水器から蒸気発生器に復水を供給する給復水系から漏洩が生じた場合等に、給復水系に大量の純水を補給できるように、純水を貯蔵する大型の２次系純水タンク（貯蔵タンク）を有する補給水供給設備が設けられている。この２次系純水タンクに貯蔵された純水は、通常時には、ポンプ軸封水ブローやサンプリンググラインのフラッシング水等の給復水系から連続的に排出されるブロー水や、復水脱塩装置の再生用水等の一時的に排出されるブロー水のための補給水として使用される。
こういった用途では、２次系純水タンクの貯蔵量に対して使用する純水の量が微量である。そのため、純水は通常２次系純水タンク内に長く滞留しており、その間に、２次系純水タンクからの溶出、タンクベント系からの混入等により純水中の不純物イオン濃度が増加する。

そのため、これらの不純物が２次系ライン内に導入されることを防ぐ方法として、例えば、２次系純水タンクの液面にＳＵＳ（ステンレス）製の蓋をするダイヤフラムシールの設置が行われている。しかし、ダイヤフラムシールは、タンクベント系からの持ち込み防止に一定の効果があるものの、完全に液面を密閉することができないために若干の不純物の増加が避けられない。また、設置コストが高いために普及が進んでいない。

また、２次系純水タンクのアフターポリッシャーとして非再生運用の混床式樹脂塔を設置することも行われている（特許文献１）。このような対策が行われているＰＷＲ型原子力発電所の２次系ライン及び補給水供給設備の具体例としては、図１に示すようなものが挙げられる。

２次系ラインは、伝熱管１２を有する蒸気発生器１１、タービン１３、復水器１４、脱気器１７、及び給水加熱器１８を備えた循環ラインである。また、復水器１４からの復水を浄化する復水脱塩装置１５が設けられている。復水脱塩装置１５は複数の脱塩塔１６を有している。

補給水供給設備１５０は、原水を浄化する純水装置１５１と、純水装置１５１にて浄化された純水を貯蔵する２次系純水タンク１５２を有する。また、２次系純水タンク１５２に貯蔵された純水を浄化する非再生運用の混床式樹脂塔１５４（アフターポリッシャー）が設けられている。純水装置１５１は原水管１６１でろ過タンク１４０と連結されており、純水装置１５１と２次系純水タンク１５２とが純水管１６２で連結されており、２次系純水タンク１５２と混床式樹脂塔１５４とが純水管１６３で連結されており、混床式樹脂塔１５４と復水器１４とが純水管１６４で連結されている。

特公平３−７９０７７号公報

２次系純水タンクに貯蔵している間、純水中で最も増加する不純物イオンはタンクベント系から混入する炭酸であり、その量は数百ｐｐｂに達する。炭酸は発電所の構成材料の腐食に及ぼす影響は少ないとされており、また復水器において真空ポンプで吸引除去されることから炭酸自体は特に問題とならない。しかし、アフターポリッシャーのイオン交換容量が炭酸により消費されると、その他の不純物であるＮａ^＋、ＣＬ⁻、ＳｉＯ_２等がアフターポリッシャーから排出されて純水の水質が低下する。
そのため、上記のようなアフターポリッシャーでは、これらの不純物イオンが２次系ラインに持ち込まれるのを防ぐため、イオン交換樹脂を頻繁に交換しなければならず、ランニングコストの負担になっていた。

このような問題を解決するための方法として、特許文献１では、アフターポリッシャーのアニオン樹脂の一部又は全部を炭酸型とした炭酸型ポリッシャーを用い、一時的なイオン不純物の増加を防止する方法が示されている。炭酸型ポリッシャーを用いれば、樹脂層内で炭酸に押し出されるＣＬ⁻やＳＯ_４ ^２−のピークが形成され難く、それらの最大濃度が抑制される。しかしその反面、定常的なＣＬ⁻やＳＯ_４ ^２−のリークは多くなるため、２次系ラインに定常的に高い濃度の不純物が持ち込まれることになってしまう。復水脱塩装置の運用は復水処理量を低減したバイパス運用が主流であることもあり、これらの不純物が蒸気発生器へと持ち込まれると配管や蒸気発生器の腐食の要因となってしまう。
以上のような理由から、貯蔵タンクに貯蔵されている純水に混入した不純物を除去して高度に浄化された純水を供給する補給水供給設備が望まれている。

また、沸騰水型原子力発電所（以下、ＢＷＲ型原子力発電所）においても、容量は少ないものの同様の貯蔵タンクを設置して純水を貯蔵し、必要量の純水を供給している。そのため、ＢＷＲ型原子力発電所でもＰＷＲ型原子力発電所と同様に、不純物を除去して高度に浄化された純水を供給する補給水供給設備が望まれている。
そこで本発明は、発電所に供給する純水を貯蔵する貯蔵タンクにおいて純水に混入した不純物を除去して、高度に浄化された純水を供給できる、発電所の補給水供給設備を目的とする。

本発明の加圧水型原子力補給水供給設備は、原水を浄化する純水装置と、前記純水装置により浄化された純水を貯蔵する貯蔵タンクと、前記貯蔵タンク内に混入する炭酸を除去することによって前記貯蔵タンクの純水を浄化する電気再生式脱塩装置と、前記電気再生式脱塩装置の後段に位置する非再生運用の混床式樹脂塔と、前記貯蔵タンクの純水を前記電気再生式脱塩装置の後段でかつ前記混床式樹脂塔の前段に迂回させるバイパス管とを備え、浄化した純水を発電所に供給する設備である。

また、本発明の補給水供給設備は、前記電気再生式脱塩装置で純水を浄化する際に生成する濃縮水を前記純水装置の原水側に戻すことが好ましい。
また、前記電気再生式脱塩装置の後段に、さらに非再生運用の混床式樹脂塔を備えていることが好ましい。
また、前記電気再生式脱塩装置の内部に、カチオン交換樹脂が有するＮａ形交換基が、カチオン交換樹脂の総イオン交換容量の０．２％未満であり、アニオン交換樹脂が有するＣＬ形交換基が、アニオン交換樹脂の総イオン交換容量の２％未満であるイオン交換樹脂が充填されていることが好ましい。

本発明の補給水供給設備によれば、貯蔵タンクにおいて純水に混入した不純物を除去して、高度に浄化された純水を発電所に供給することができる。

本発明の補給水供給設備は、原水を浄化する純水装置と、純水を貯蔵する貯蔵タンクと、前記貯蔵タンクからの純水を浄化する電気再生式脱塩装置とを備えており、また前記貯蔵タンクの純水を前記電気再生式脱塩装置の後段に迂回させるバイパス管を備えている。
以下、本発明の補給水供給設備の一実施形態例として、ＰＷＲ型原子力発電所の２次系ラインに純水を供給する補給水供給設備について、図２に基づいて詳細に説明する。ＰＷＲ型原子力発電所は、原子炉から熱を取り出す１次系ラインと、その熱を利用して発生させた水蒸気を用いて発電する２次系ラインとを有する。

２次系ラインは、図２に示すように、伝熱管１２を有する蒸気発生器１１、タービン１３、復水器１４、脱気器１７、及び給水加熱器１８を備えた循環ラインである。また、２次系ラインには、復水器１４の後段に復水脱塩装置１５が備えられている。

蒸気発生器１１とタービン１３とが蒸気管２１で連結されており、復水器１４と復水脱塩装置１５とが復水管２２で連結されており、復水脱塩装置１５と脱気器１７とが復水管２４で連結されており、脱気器１７と給水加熱器１８とが給水管２５で連結されており、給水加熱器１８と蒸気発生器１１とが給水管２６で連結されている。また、復水管２２と復水管２４の間には復水バイパス管２３が設けられている。また、復水管２２には復水ポンプ３１が設置されており、給水管２５には給水ポンプ３３が設置されている。また、復水バイパス管２３には弁３２が設置されている。また、蒸気発生器１１と復水器１４とがブローダウン管２７で連結されており、ブローダウン管２７には流出管２８が連結されている。

蒸気発生器１１は、内部に伝熱管１２を有しており、１次系ラインの高温、高圧の１次系系統水（１次系ラインを循環する軽水）が伝熱管１２内部に導入され、伝熱管１２外部に２次系系統水（２次系ラインを循環する軽水）が導入されることにより、２次系系統水が蒸発して水蒸気が発生する。発生した水蒸気は蒸気管２１を通ってタービン１３に供給される。ついで、供給された水蒸気によりタービン１３が駆動され、タービン１３に連結された発電機（図示せず）で発電が行われる。

その後、水蒸気は復水器１４にて冷却されて復水となる。復水器１４における復水は、給復水系にて復水器１４から蒸気発生器１１へと戻される。本実施形態の給復水系は、復水を復水器１４から蒸気発生器１１に供給するものであり、脱気器１７と給水加熱器１８を備えている。具体的には、復水器１４からの復水は、給復水系において脱気器１７で脱気され、給水加熱器１８で加熱された後に蒸気発生器１１へと戻される。このとき、復水の一部又は全部は、１塔又は複数塔の脱塩塔１６を有する復水脱塩装置１５にて脱塩処理される。脱塩処理を行わない復水は復水バイパス管２３から復水管２４へと送られる。復水脱塩装置１５にて脱塩処理を行う復水の量は、弁３２、３４、３５の開度を調節することにより制御できる。

蒸気発生器１１、タービン１３、復水器１４、復水脱塩装置１５、脱気器１７、給水加熱器１８は、それぞれＰＷＲ型原子力発電所において通常用いられるものが使用できる。

本実施形態では、前記２次系ラインの復水器１４に純水を供給する補給水供給設備５０が備えられている。
補給水供給設備５０は、純水装置５１と２次系純水タンク５２と電気再生式脱塩装置５３（以下、脱塩装置５３という）と、混床式樹脂塔５４とを備えている。純水装置５１は原水管６１でろ過タンク４０と連結されており、純水装置５１と２次系純水タンク５２とが純水管６２で連結されており、２次系純水タンク５２と脱塩装置５３とが純水管６３で連結されており、脱塩装置５３と混床式樹脂塔５４とが純水管６４で連結されており、混床式樹脂塔５４と復水器１４とが純水管６５で連結されている。

また、純水管６３と純水管６４との間には、純水を脱塩装置５３に通さずに迂回させるバイパス管６７が設けられており、バイパス管６７には弁７１が設置されている。バイパス管６７は、蒸気発生器１１の冷却等の用途で純水を供給する場合の最大流量に対応できる口径の配管とする。

ろ過タンク４０には、純水装置５１の原水として、河川水等がろ過されたろ過水が貯蔵されている。

純水装置５１は、原水管６１から送られてくる原水を浄化して純水とする装置である。純水装置５１としては、原水を浄化できるものであれば特に限定はなく、例えば、逆浸透膜式純水装置や、電気再生式脱塩装置等が挙げられる。
逆浸透膜式純水装置は、逆浸透膜を利用した純水装置であり、従来公知の装置を用いることができる。
また、電気再生式脱塩装置も従来公知の装置を用いることができ、例えば、アニオン交換膜とカチオン交換膜とを交互に配し、これらのイオン交換膜間に脱塩室、その外側に濃縮室を形成し、これら脱塩室と濃縮室を交互に設けたものが挙げられる。また、前記脱塩室には、通常イオン交換樹脂やイオン交換繊維等のイオン交換体を充填する。これら脱塩室及び濃縮室を交互に配置したものに所定の直流高電圧を印加することにより、脱塩室に通水する原水からアニオン及びカチオンを濃縮室に移行させて浄化を行う。

２次系純水タンク５２は、純水装置５１により浄化した純水を貯蔵することができ、その純水の貯蔵量が蒸気発生器１１の冷却等の用途にも充分な量である貯蔵タンクを用いることができる。２次系純水タンク５２としては、ＰＷＲ型原子力発電所の２次系純水タンクとして通常用いられているタンクが使用できる。

脱塩装置５３としては特に限定はないが、炭酸の除去効率が高いものが好ましい。例えば、図３に示すような、電気再生式脱塩装置が挙げられる。

脱塩装置５３は、複数の脱イオンモジュール１が、濃縮室５を介して隣接するように配置され、一方の側に陰極６ａを有する陰極室６、もう一方の側に陽極７ａを有する陽極室７が設けられている。脱イオンモジュール１は、カチオン交換膜２とアニオン交換膜３とが対向して配置されて形成された空間に、イオン交換体が充填されて脱塩室Ｄが形成されている。脱塩室Ｄは、前記カチオン交換膜２と前記アニオン交換膜３との間に配置された中間イオン交換膜４によって、脱塩室Ｄの厚さ方向に二分されており、カチオン交換膜２側に第一小脱塩室Ｄ１が形成され、アニオン交換膜３側に第二小脱塩室Ｄ２が形成されている。

また、第二小脱塩室Ｄ２には被処理水流入ラインＡ１と処理水流出ラインＡ２が接続されており、第一小脱塩室Ｄ１には被処理水流入ラインＡ３と処理水流出ラインＡ４が接続されている。また、第二小脱塩室Ｄ２の処理水流出ラインＡ２は、第一小脱塩室Ｄ１の被処理水流入ラインＡ３に連接されている。また、濃縮室５には濃縮水流入ラインＢ１と濃縮水流出ラインＢ２が接続されている。また、陰極室６及び陽極室７には、電極水流入ラインＣ１、Ｃ１と、電極水流出ラインＣ２、Ｃ２がそれぞれ接続されている。
また、処理水流出ラインＡ４は純水管６４に連接されている。また、濃縮水流出ラインＢ２は濃縮水循環ライン６６に連接されており、濃縮水循環ライン６６の他端が原水管６１に接続されている。
脱塩装置５３の具体例としては、Ｄ２ＥＤＩ（商品名、オルガノ株式会社製）等が挙げられる。

脱塩室Ｄに充填されるイオン交換体としては、イオン交換樹脂を用いることが好ましい。
また、第一脱塩室Ｄ１にはカチオン交換樹脂が充填され、第二脱塩室Ｄ２にはアニオン交換樹脂が充填されることが好ましい。
脱塩室Ｄに充填されるカチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂は、炭酸を効率的に除去できるものであれば特に限定されないが、カチオン交換樹脂が有するＮａ形交換基が、カチオン交換樹脂の総イオン交換容量の０．２％未満であり、アニオン交換樹脂が有するＣＬ形交換基が、アニオン交換樹脂の総イオン交換容量の２％未満であることが好ましい。ただし、総イオン交換容量とは、湿潤状態の単位樹脂量あたりのイオン交換に関わる全てのイオン交換基数を意味する。
カチオン交換樹脂としては、例えば、ＡＭＢＥＲＪＥＴ１０２４（商品名、ローム＆ハースジャパン社製）が挙げられる。
アニオン交換樹脂としては、例えば、ＡＭＢＥＲＬＥＴ４００２（商品名、ローム＆ハースジャパン社製）が挙げられる。

脱塩室Ｄに充填するカチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂の組成を前記条件にすることにより、脱塩装置５３の後段に混床式樹脂塔５４を備えない場合であっても高純度の純水を発電所に供給できる。
また、カチオン交換樹脂が有するＮａ形交換基は、カチオン交換樹脂の総イオン交換容量の０．０２％未満であることがより好ましい。また、アニオン交換樹脂が有するＣＬ形交換基は、アニオン交換樹脂の総イオン交換容量の０．２％未満であることがより好ましい。
このようなイオン交換樹脂を用いることにより、より高純度な純水を発電所に供給できる。

カチオン交換膜２及びアニオン交換膜３は、電気再生式脱塩装置に通常用いられているものであれば特に限定されず、脱塩装置５３の製造の簡便さ、被処理水の水質、処理水量等を考慮して選択すればよい。
中間イオン交換膜４としてはアニオン交換膜を用いることができ、アニオン交換膜３と同じものを用いればよい。

この脱塩装置５３では、陰極６ａと陽極７ａとの間に直流電流を通じた状態で、被処理水である２次系純水タンク５２からの純水を被処理水流入ラインＡ１から第二小脱塩室Ｄ２に流入させると共に、濃縮水を濃縮水流入ラインＢ１から濃縮室５に流入させ、電極水を電極水流入ラインＣ１から陰極室６及び陽極室７に流入させる。濃縮水流入ラインＢ１から流入させる濃縮水は２次系純水タンク５２内の純水を用いる。
被処理水は、第二脱塩室Ｄ２で不純物イオンが除去された後、処理水流出ラインＡ２、非処理水流入ラインＡ３を経て第一脱塩室Ｄ１に流入してさらに不純物イオンが除去されて、処理水流出ラインＡ４から純水管６４へと送られる。

濃縮水は、カチオン交換膜２及びアニオン交換膜３を通過してきた不純物イオンを含んだ状態で濃縮水流出ラインＢ２から排出され、濃縮水循環ライン６６を通って原水管６１へと戻されて純水装置５１の原水として再利用される。脱塩装置５３で純水を浄化する際に生成する濃縮水は、不純物イオンの大半が炭酸であり、その濃度も純水装置５１の原水に比べて大幅に低いため、このように再利用することにより水利用率を維持したまま補給する純水の水質を向上させることができる。

本実施形態例の補給水供給設備５０には、非再生運用の混床式樹脂塔５４が備えられている。脱塩装置５３は処理水の純度が高くなるほど電流の利用効率が低下する傾向がある。そのため、脱塩装置５３は炭酸の除去を主目的とし、それ以外の不純物イオンを混床式樹脂塔５４で除去するようにすることが好ましい。これにより、炭酸及びその他の不純物イオンの除去効率が向上する。

また、本発明の補給水供給設備５０では脱塩装置５３により炭酸が除去されるため、炭酸が混床式樹脂塔５４の負荷とならない。そのため、混床式樹脂塔５４を小型の樹脂塔としても樹脂交換の頻度を低減することができる。混床式樹脂塔５４に充填するイオン交換樹脂の組成は特に限定されず、例えば、ＥＧ−４−ＨＧ（商品名、オルガノ株式会社製）が挙げられる。

また、本発明の補給水供給設備５０は、蒸気発生器１１を冷却しなければならない場合等、大量の純水を２次系ラインに供給しなければならない場合は、２次系純水タンク５２に貯蔵してある純水を、バイパス管６７を通して復水器１４や脱気器１７等の必要箇所へと供給することができる。

以上説明したように本発明の補給水供給設備は、貯蔵タンクの純水を浄化する電気再生式脱塩装置を備えているため、貯蔵タンクにおいて純水に混入した不純物を除去することで高度に浄化された純水を発電所に供給することができる。これにより、蒸気発生器や原子炉等における水質を向上させることができる。

また、本発明の補給水供給設備は貯蔵タンクの純水を電気再生式脱塩装置（脱塩装置５３）の後段に迂回させるバイパス管が設けられているため、蒸気発生器や原子炉の冷却等が必要な場合にはこのバイパス管を通して大流量の純水を供給できる。通常運転時に供給する純水は前記のような冷却時に比べて極微量であるため、バイパス管を設けることで過大な電気再生式脱塩装置を設ける必要がなくなり、低コストで高純度な純水の供給が可能になる。

また、貯蔵タンクに貯蔵された純水に混入した炭酸を電気再生式脱塩装置により除去できるため、その後段に設けた混床式樹脂塔が炭酸による負荷を受けずに炭酸以外の不純物イオンを除去できる。

尚、本発明の補給水供給設備は、図２に例示したものには限定されない。例えば、混床式樹脂塔５４が備えられていない補給水供給設備であってもよい。また、本実施形態例ではバイパス管６７は純水管６３と純水管６４の間に設けられているが、バイパス管６７は２次系純水タンク５２（貯蔵タンク）と純水管６４とを直接連結しているものであってもよい。
また、電気再生式脱塩装置５３も図３に例示したものには限定されない。
また、本発明の補給水供給設備は、図２に例示したようにＰＷＲ型原子力発電所の２次系ラインに純水を供給する設備には限定されず、ＰＷＲ型原子力発電所の１次系ラインやＢＷＲ型原子力発電所に純水を供給する設備として用いてもよく、火力発電所に純水を供給する設備として用いてもよい。

本発明の補給水供給設備は、蒸気発生器や原子炉の冷却等における大流量での純水の供給が可能で、かつ低コストで高純度な純水を発電所に供給することができるため、ＰＷＲ型原子力発電所、ＢＷＲ型原子力発電所、火力発電所等の発電所に純水を供給する設備として好適に使用できる。

従来のＰＷＲ型原子力発電所に備えられた補給水供給設備の一例を示した概略図である。本発明の補給水供給設備をＰＷＲ型原子力発電所に用いた一実施形態例を示した概略図である。本発明の電気再生式脱塩装置５３の一実施形態例を示した断面図である。

符号の説明

５０補給水供給設備５１純水装置５２２次系純水タンク５３電気再生式脱塩装置５４混床式樹脂塔６７バイパス管

Claims

原水を浄化する純水装置と、前記純水装置により浄化された純水を貯蔵する貯蔵タンクと、前記貯蔵タンク内に混入する炭酸を除去することによって前記貯蔵タンクの純水を浄化する電気再生式脱塩装置と、前記電気再生式脱塩装置の後段に位置する非再生運用の混床式樹脂塔と、前記貯蔵タンクの純水を前記電気再生式脱塩装置の後段でかつ前記混床式樹脂塔の前段に迂回させるバイパス管とを備え、浄化した純水を発電所に供給する、加圧水型原子力発電所の補給水供給設備。
前記電気再生式脱塩装置で純水を浄化する際に生成する濃縮水を前記純水装置の原水側に戻す、請求項１に記載の加圧水型原子力発電所の補給水供給設備。
前記電気再生式脱塩装置の内部に、カチオン交換樹脂が有するＮａ形交換基が、カチオン交換樹脂の総イオン交換容量の０．２％未満であり、アニオン交換樹脂が有するＣＬ形交換基が、アニオン交換樹脂の総イオン交換容量の２％未満であるイオン交換樹脂が充填されている、請求項１または２に記載の加圧水型原子力発電所の補給水供給設備。