三門核電電解海水制氯系統電解槽打火原因分析及處理

溫益

【摘 要】文章針對三門核電廠電解海水制氯加藥系統在使用過程中電解槽頻繁發生打火故障，造成制氯系統不可用的問題，分析了引起打火的原因，并介紹了故障的處理方法，為處理此類故障積累了一定經驗。

【關鍵詞】電解槽;故障處理;打火

中圖分類號： TF351 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）05-0014-004

0 引言

三門核電廠制氯系統共設有4組電解海水制取次氯酸鈉裝置，由青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司成套供貨。制氯系統利用天然海水中的氯化鈉，使海水發生電解反應產生次氯酸鈉溶液，次氯酸鈉溶液脫氫、儲存，輸送到循環水取水口處投加，抑制或殺死循環水中的海生物，防止冷卻設備及循環水管道堵塞和腐蝕。

電解槽是制氯系統的關鍵設備，額定有效氯產量160kg/h，運行電壓范圍0～120V，運行電流范圍0～7200A，海水流量34m3/h×3，流速0.6m/s，次氯酸鈉出口濃度1600ppm。

1 電解槽組成及工作原理

1.1 電解海水工作原理

電解海水的工作原理是通過將整流變壓器和整流器變壓整流的直流電，施加到海水電解槽的陰陽極上，利用天然海水中含有的氯化鈉成分，使海水發生電解反應產生次氯酸鈉溶液[1]。

海水中的氯酸鈉以離子狀態存在，通過電解槽的海水，在電解槽內直流電場的作用下發生電解反應，在陽極生成氯氣，在陰極生成氫氧化鈉，氯氣與氫氧化鈉反應生成次氯酸鈉，反應式如下。

1.2 電解槽組成

三門核電制氯系統共有4組共88個單獨電解槽，每組2列，每列11個SC400A/1型電解槽，每組的2列22個電解槽在水路上分成3路并聯（分別為7個、7個、8個電解槽）。電解槽直立放置，海水由下向上一次性高速流過，主要組成部件有電解槽蓋、電解槽殼體、陽極網、陰極板、密封、隔離釘。

電解槽內的電極結構為單極式電極，12片陽極網與11片陰極板交錯安裝，用PVDF隔離釘保持2.5mm間距。同極性電極與電源并聯連接，電極兩面的極性相同，同一組電解槽在電路上通過導電母排串聯連接，如圖2所示。

電解槽陽極采用板網式鈦涂貴金屬氧化物涂層的DSA陽極，和板式陽極相比，增加了海水的湍流，提高了電流效率，陽極的有效活性面積大，產氯量高。但同時陽極不穩定性增加，振動加劇。

陰極采用哈氏合金，在海水和次氯酸鈉溶液中比鈦有更強的耐腐蝕性。

2 故障現象

自2018年7月1日至2018年12月27日，制氯系統4組電解槽共發生10次有記錄的電解槽陽極網與陰極板打火現象，均發生在升電流操作時。雖然記錄的10次電解槽打火事件均發生在電解槽啟動期間，但在后續電解槽解體檢查時發現其余電解槽也存在不同程度的陽極板燒融、陰陽極板變形等現象，因此合理推測在電解槽功率運行期間也有發生陰陽極板打火，只是未被運行人員發現記錄。

3 原因分析

三門核電制氯系統2015年投運后運行電流為4000-5000A，海水流量20-30m3/h，后因制氯系統產氯量不滿足系統設計要求（1500ppm），2018年2月提高運行電流至7000A，海水流量33-35m3/h?，F場觀察運行中的電解槽，槽內海水流速高氣泡含量大，陰陽極板在水流作用下高頻振動。

電解槽現場解體發現，陰陽極板表面結垢嚴重，陰陽極板變形（幾乎每個電解槽內均有陰極板均有不同程度的變形現象，陽極板發生變形情況較少），但陽極板有局部燒融現象，陽極板涂層有大量不同程度的脫落現象，陰陽極板間隔離釘有缺失脫落現象。

打火（電擊穿）的根本原因是極板之間局部產生了足夠高的電場強度。結合故障現象和電解槽解體維修的檢查結果，分析電解槽發生打火的原因為長期大電場力作用下的陰陽極板變形和酸洗隔離釘溶解脫落，在高速水流沖擊作用下晃動的陽極板與陰極板短路打火。

3.1 陰陽極板變形

電解槽長期運行在一個較高的電流水平（7000A），電解槽入口水流為0.6m/s，大場強的不均勻電場力和高速水流的共同作用，導致陰陽極板發生不同程度的變形，尤其是陰極板變形較為嚴重（部分極板已變形成S形），極板間距減小。變形的陰陽極板在高速水流沖擊下持續晃動，嚴重時發生極板間短路。

安裝質量不過關也是導致陰陽極板變形的原因。電解槽底部部分鈦墊片漏裝導致極板側傾，極板間距過近。陰極原材料成卷購買，裁剪壓平后安裝，在安裝時未剔除不平的陰極板，導致部分陰極板在安裝時即不合格。

3.2 隔離釘脫落

電解槽陰極和陽極用一排PVDF隔離釘保持2.5mm間距。隔離釘安裝在陽極網最外側位置，為熱壓成型，固定形式不可靠，且在酸洗條件下會溶解脫落。當僅有的一排隔離釘脫落，陽極網在水流作用下晃動加劇，陰陽極板2.5mm間距無法保障，嚴重時發生陰陽極板短路打火。

3.3 極板表面結垢

電解槽電解過程中，海水中的鈣鎂離子與電解液中氫氧根反應，產生鈣鎂垢，同時海水中原本存在的細小的泥沙等沉淀物附著在電極和極板表面，產生結垢現象。結垢主要發生在陰陽極板的出水口和極板兩側，即水流量較小的地方。經現場電解槽解體觀察發現，極板間結垢多的部位與發生電打火多的部位一致。

極板表面結垢將導致極板的有效工作面積減少，電流效率下降，電解槽槽電壓升高，平行電場發生畸變，極板所受的電場力不均勻，長期的不均勻受力導致極板變形，電極間距減小，嚴重時易于發生極間短路。

3.4 陽極板老化失活

陽極網會隨運行時間增加而老化失活，每隔5年，需對電解槽的陽極進行更換，三門制氯系統自2015年投運已運行4年時間。鈦涂貴金屬氧化物涂層的DSA陽極電解功能實現依靠貴金屬氧化物涂層，涂層一方面具有導電性使電解反應穩定發生[2]，另一方面具有一定的催化活性，能夠提高電極的產氯量。隨著海水的電解反應，涂層的催化活性會逐漸減弱，直至失去催化活性。另外涂層會在電解液中緩慢溶解，陽極產生的氧氣與鈦基體發生氧化反應在鈦基板和涂層之間生成不導電的二氧化鈦，涂層發生脫落，電極真實表面積減少，電場不均勻度變大，陽極壽命減少。

低溫海水會加劇陽極失活。海水的電導率隨溫度的降低而降低，電導率降低會導致電流效率下降。因此，電解槽在低于10℃海水溫度時，會引起電解槽運行槽電壓較高，如果長時間低溫運行，會破壞陽極網涂層，導致陽極壽命縮短。根據廠家的運行經驗建議，當海水溫度在10℃時，溫度偏低，為防止陽極網涂層過度損耗消耗，建議降負荷運行，待海水溫度升高到15℃以上，可以提高到滿負荷運行。

泥沙含量高的高速水流加劇涂層脫落。電解槽進水的海水中含有大量過濾器和除砂器無法去除粒徑極小的污泥，長期以較高的流速沖擊陽極板涂層，導致陽極板涂層老化加劇，脫落嚴重，縮減了陽極板壽命。

酸洗也會對陽極板的表面涂層造成損傷脫落。

3.5 電解液氣泡含量大

每組電解槽在水路上分成3路并聯（分別為7個、7個、8個電解槽），示意圖如圖4。由電化學反應式可知，在電解槽內除生成次氯酸鈉以外，同時也生成氫氣。氫氣隨著水流在電解槽內向上流動，并流入水路的下一個電解槽，電解液中氣液比例與水路流向不斷增加。氣體的加入會導致電解液電阻增大，電解液與極板接觸面積減少，陰陽極板間電場發生畸變，且氣體本身介電系數？著較小，氣體的擊穿場強更低，更容易在氣泡處發生擊穿。這一點與現場檢查結果相吻合，即水路的后半段發生打火次數高于水路前半段。

4 處理措施

第一次打火故障發生后，結合廠家意見對發生打火的電解槽解體檢查，更換了變形的陰陽極板，補足了陽極板最外側脫落的隔離釘。處理完成后，電解槽打火故障在4列再次發生，后續又陸續采取了增加隔離釘數量，在電解槽底部增設分水器等處理措施。截至目前，針對三門電解槽打火故障已采取的處理措施如下：

1）更換變形的陰陽極板。對打火的電解槽組進行解體維修，因全部更換老化的陽極成本太大，故僅更換變形和老化嚴重的陰陽極板，共更換75塊陰極板，72塊陽極板。

2）增加陽極板隔離釘數量。增加最外側陽極網靠近陰極板邊緣的隔離釘數量并將整列隔離釘外移，同時在每層陽極板上分兩列均勻安裝15～20顆隔離釘，避免氫氧化鈣等附著在隔離釘上造成結垢情況惡化。

3）電解槽底部增設分水器。故障前，僅每列電解槽的第一個進水口設有分水器。在第4組每一個電解槽的底部進水口增設分水器，使水流和氣泡在電解槽內均勻分布，分散其對極板的沖擊力，觀察對極板變形改善。

4）優化海水低溫時運行方式。為防止陽極網涂層過度損耗消耗，根據廠家建議，升版了運行規程，當海水溫度在10℃至15℃時，制氯系統降負荷運行，運行電流約2000A。海水低于10℃時，制氯系統停止運行。

5）提高酸洗頻度。針對污垢過多，將30天酸洗一次改為20天酸洗一次。增加巡檢頻率，通過槽蓋板觀察電解槽結垢情況，如果結垢較多，立刻酸洗。

6）電解槽啟動時加強運行監控。電解槽啟動時在每列的兩端各安排一人觀察電解槽打火現象，如有發生，立即停止升壓，避免電解槽設備故障運行。

5 小結

綜上所述，三門核電廠制氯系統電解槽發生打火的原因是制氯系統長期運行在高電流、大電場力作用下的陰陽極板變形和酸洗隔離釘溶解脫落，在高速水流沖擊作用下晃動的陽極板與陰極板短路打火。因此解決打火問題的關鍵是提高制氯系統產量，更換老化的陽極，降低系統運行電流，降低電解槽海水流速。

電解槽制氯產量和運行電流正相關，如降低運行電流則制氯產量無法滿足制氯系統要求，目前不具備降低電流運行的條件。而一次性更換老化的陽極經濟成本太大，公司無法承受。因此采取以上措施處理電解槽打火故障，并不能從根本上解決電解槽打火問題，但為此類故障的消缺積累了豐富經驗。

【參考文獻】

[1]魏春芝.海水電解制氯電解槽蓋板裂紋原因分析及防范[J].科技創新與應用，2018（35）.

[2]龍瀟，李金鋮，劉克成.淺析海濱電廠海水電解制氯技術[J].給水排水，2012（增刊）.