福清核電設備冷卻水系統(tǒng)（RRI）改進分析與探討

廖亮 馬賢德 梁聰聰

摘 要 福清核電2號機組設備冷卻水系統(tǒng)（RRI）在冬季遇到極端低溫天氣時，在相同熱負荷條件下，由于海水溫度過低，導致設備冷卻水溫度過低。設備冷卻水溫度過低不利于核島重要設備安全穩(wěn)定運行。本文從設備冷卻水系統(tǒng)功能出發(fā)，通過分析系統(tǒng)運行存在的問題，在采取應對措施無效的基礎上，積極尋求運行、廠家及設計人員的協(xié)助，提出對系統(tǒng)進行設計改進的幾種建議。

關(guān)鍵詞 RRI系統(tǒng)；溫度偏低；設計改進；福清核電2號機組

中圖分類號 TL4 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）162-0185-02

設備冷卻水系統(tǒng)是設置在核島設備和海水之間的一個閉式循環(huán)回路，其主要功能為在核電站正常運行和事故工況下，冷卻各種核島熱交換器。同時經(jīng)過重要廠用水系統(tǒng)冷卻后將熱負荷傳遞至最終熱阱（海水）。每個機組的RRI系統(tǒng)包括2個獨立的安全系列和一個公用的環(huán)路，公用環(huán)路可由2個系列中任一個系列供水。設備冷卻水系統(tǒng)熱交換器的工作臺數(shù)取決于在不同運行工況下所排放的熱量。在帶功率運行的情況下，排放的熱量實際上是常量，主要用戶是主泵、非再生熱交換器和控制棒驅(qū)動機構(gòu)。在反應堆降溫時，排放的熱量是變化的，最重要的用戶為余熱排出系統(tǒng)。在燃料更換時，設備冷卻水系統(tǒng)所需排放的熱量明顯減少。

福清核電2016年1月遭遇冬季極端低溫天氣時，由于海水溫度過低，2號機組RRI溫度最低降至11℃。福清采用Andritz生產(chǎn)的主泵，其中主泵運行參數(shù)表中明確要求軸封冷卻水最低不能低于12℃。另外，化學與容積控制系統(tǒng)（RCV）下泄熱交換器后溫度也出現(xiàn)了明顯的下降（25℃左右），一回路下泄溫度偏低將影響下游除鹽床離子交換樹脂的效率，可能導致一回路水質(zhì)惡化。

1 RRI設計基準和安全準則

設備冷卻水系統(tǒng)的設計是在電站所有運行工況下，當海水最高溫度為30.7℃時，提供的設備冷卻水最高溫度為35℃，但下述情況除外：1）在進入冷停堆和次臨界停堆工況下，當海水最高溫度為30.7℃時，供給的冷卻水溫度為40℃；2）在失冷卻劑事故（LOCA）工況下，當海水最高溫度為35.5℃ 時，供給的冷卻水溫度為45℃。

在《2×600MW壓水堆核電廠核島系統(tǒng)設計建造規(guī)范》（GB/T15761-1995）和RCC-P《法國900MW壓水堆核電站系統(tǒng)設計和建造準則》中對設備冷卻水換熱器的出口溫度的最高值進行了限制，一般要求在停堆后4h開始，按照安全廠用水溫度為歷年第七天的最高溫度、設備冷卻水系統(tǒng)各個冷卻器的進口溫度限制在35℃。設計基準和安全準則中，未對設備冷卻水允許的最低溫度給出限值。

2 福清RRI系統(tǒng)運行存在的問題

福清核電冬季遭遇極端低溫天氣時，海水溫度下降導致RRI側(cè)出口溫度過低，RRI溫度低至11℃，低于主泵運行要求限值（15℃）。同時RRI側(cè)出口溫度過低對以下系統(tǒng)設備運行可能造成不利影響：1）主泵軸封水冷卻水溫度過低，主泵油冷卻器過度冷卻可能導致主泵軸承潤滑油粘度高，增大泵軸振動；2）不利于DEG系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行；3）不利于DEL系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行；4）RCV155VN開度過小，RRI155VN 閥門所在管線運行溫度過高，影響設備運行。

3 采取措施

3.1 板換SEC側(cè)閥門節(jié)流

在出現(xiàn)RRI溫度低于設計值（15℃）后，采取對RRI板換SEC側(cè)節(jié)流處理。通過對2號機組進行節(jié)流實驗，2SEC014VE/016VE開度從全開調(diào)節(jié)到約40°，2SEC流量從3 500m3/h降到2 800m3/h，SEC泵出口壓力湊從0.28MPa漲到0.36MPa，板換壓差從180kPa漲到282kPa，RRI溫度只漲了0.1℃，海水溫度上漲了0.1℃，效果不理想。另外節(jié)流后，導致?lián)Q熱器壓差逐漸增大，壓差到達250kPa將出DEC報警，干預措施失效。

3.2 停運一臺板換

由于在RP模式下，一臺熱交換器不可用，將產(chǎn)生第一組I0：1）3天內(nèi)機組開始向RRA運行條件的NS/ SG 模式后撤；2）4臺熱交換器累計不可用的時間限制為21天/每年。因此冬天遭遇極端低溫天氣時，采取人為停運一臺板換方式運行也不可取。

4 RRI設計改進方案分析

為了應對冬季極端天氣的影響，對每臺SEC/RRI板式熱交換器增加旁路管線，在冬季海水溫度過低時，投用旁路，防止出現(xiàn)設備冷卻水溫度低于限值的情況發(fā)生，同時提高上述設備的可靠性能。

4.1 改進方案分析

為了提高設備冷卻水系統(tǒng)供水溫度，依據(jù)熱交換原理，有下列有幾種解決方式：

1）在需要時通過旁通方式減少冷媒即海水的流量，以減少通過熱交換器導出的熱量，從而提高熱側(cè)出口溫度；2）通過減少換熱面積，以減少通過熱交換器導出的熱量，從而提高熱側(cè)出口溫度；3）在需要時通過旁通一部分流過熱交換器的熱側(cè)流體，減少參加換熱的熱側(cè)流體，并且利用旁通的未參加換熱的熱側(cè)流體與換熱后熱側(cè)流體混合提高流體溫度。

從原理上分析，第一種減少冷媒（SEC側(cè)）進入熱交換器的方案是最直接，最有效的方式；第二種方式減少換熱面積即修改板式換熱器板片面積，從設計準則和現(xiàn)場條件方面考慮不具備可行性；第三種方式減少熱媒（RRI側(cè)）進入熱交換器的方案，會影響RRI系統(tǒng)各用戶（70多臺換熱器）流量分配，可能對RRI系統(tǒng)的管道阻力特性、RRI泵的運行產(chǎn)生不利影響。

4.2 同行電廠情況

針對冬季海水過低導致設備冷卻水溫度低的問題，同行專家均建議采用第一種方式。方家山項目由于杭州灣海水鹽分含量高，泥沙含量大，在特定流速以下會出現(xiàn)沙粒沉積現(xiàn)象。減少海水流量會導致熱交換器內(nèi)部海水流量降低，進而在熱交換器內(nèi)的流速也隨之降低，可能產(chǎn)生泥沙在熱交換器內(nèi)沉積問題，以致熱交換器流道堵塞，影響設備冷卻水系統(tǒng)的安全運行，故未計劃采用第一種方案。

4.3 福清核電改進方案建議

在板式換熱器的SEC側(cè)進出口位置增加電動隔離閥。SEC系統(tǒng)在板換入口前的海水母管上增加一條海水主旁通管。在主旁通管上增加2個手動蝶式隔離閥，1個電動蝶式調(diào)節(jié)閥和流量計。通過電動調(diào)節(jié)閥使海水主旁通管的阻力特性與流經(jīng)一臺板換的海水流道的阻力特性相同。

在板換海水入口前的電動蝶閥兩側(cè)設置一條海水輔助旁通管，在輔助旁通管增加2個手動蝶式隔離閥，1個電動蝶式調(diào)節(jié)閥。

調(diào)節(jié)閥可以遠傳至主控室的控制器，同時要求可就地顯示并可以修改參數(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)場控制和主控室遠傳控制功能，見圖1。

5 運行模式分析

根據(jù)重要常用水系統(tǒng)（SEC）的管路配置，提供了以下幾種調(diào)節(jié)板換內(nèi)海水流量的運行模式。

5.1 旁通整列RRI熱交換器

RRI單泵運行時，打開海水主旁通管，使海水同時流經(jīng)主旁通管路和兩臺熱交換器。在這種情況下經(jīng)過每臺板換的海水流量只有總流量的1/3。

5.2 旁通單臺RRI熱交換器

RRI單泵運行時，打開海水主旁通管，全關(guān)其中一臺板換的海水側(cè)隔離閥，使海水只流經(jīng)一臺板換及海水主旁通管。在這種情況下通過熱交換器的海水只有總流量的一半。

5.3 旁通單臺RRI熱交換器+減少熱交換器內(nèi)海水流量

在旁通單臺RRI熱交換器的前提下，打開運行熱交換器的海水輔助旁通管，全關(guān)此熱交換器的隔離閥，海水輔助旁通管上設置有調(diào)節(jié)閥，可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)通過板換的海水流量。

6 結(jié)論

冬季海水溫度過低導致設備冷卻水溫度偏低問題，在同行電廠中普遍存在。為了從根本上解決此問題，需要對系統(tǒng)進行優(yōu)化設計改進。本文從RRI系統(tǒng)冬季溫度偏低問題出發(fā)，在采取干預措施失效的情況下，提出了系統(tǒng)優(yōu)化設計改進優(yōu)化建議。福清核電群堆模式建設下，相同機組可能存在類似問題，針對RRI系統(tǒng)采取的措施和相關(guān)改進建議對于后續(xù)機組有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]福建福清核電1、2號機組高級運行培訓教材.內(nèi)部培訓教材.

[2]設備冷卻水系統(tǒng)手冊[S].中國核電工程有限公司，2014.

[3]化學與容積控制系統(tǒng)手冊[S].中國核電工程有限公司，2014.