AP1000 DWS系統(tǒng)供水設(shè)計(jì)問(wèn)題分析及改進(jìn)研究1）

林 圣

(三門(mén)核電有限公司,浙江 臺(tái)州 317112)

AP1000除鹽水輸送和儲(chǔ)存系統(tǒng) (DWS系統(tǒng))將除鹽水廠的來(lái)水儲(chǔ)存至除鹽水儲(chǔ)存箱(DWST),通過(guò)除鹽水輸送泵及催化除氧單元(CORS)輸送到全廠各個(gè)除鹽水用戶(hù)以及凝結(jié)水儲(chǔ)存箱 (CST),整個(gè)電廠一回路及二回路的水均來(lái)自DWS系統(tǒng)。

DWS系統(tǒng)調(diào)試期間發(fā)現(xiàn),當(dāng)DWS向CST水箱供水時(shí),除鹽水出口供水母管壓力僅為0.25～0.3 MPa(壓力受CST水箱液位波動(dòng)),設(shè)備冷卻水系統(tǒng) (CCS系統(tǒng))等用戶(hù)無(wú)法獲得所需的除鹽水。為了向CCS波動(dòng)箱供水,維持較高的系統(tǒng)壓力,需提高除鹽水母管的背壓,因此需對(duì)CST供水管線進(jìn)行限流,以解決除鹽水母管供水壓力不足的問(wèn)題。

1 問(wèn)題分析

根據(jù)DWS系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,DWS系統(tǒng)需滿(mǎn)足向CST及CCS同時(shí)供水的需求,其中向CST供水流量為56.8 m3/h(250gp m),向CCS供水流量為22.7 m3/h(100 gp m)。

除鹽水從DWST CORS流出后,途經(jīng)附屬?gòu)S房 (DWS-L241)、汽輪機(jī)廠房 (DWS-L514、DWS-L502、DWS-L506、CCS-L130、CCSL143),送至標(biāo)高位于187′-3″的設(shè)備冷卻水波動(dòng)箱 (CCS-MT-01),該水箱是AP1000機(jī)組DWS系統(tǒng)標(biāo)高最高的用戶(hù)之一。

為了滿(mǎn)足用戶(hù)供水需求,除鹽水供水母管出口A位置必須有足夠的壓頭來(lái)克服整條供水管線阻力及管道內(nèi)液體靜壓;為了滿(mǎn)足CCS供水需求,示意圖B位置必須要有足夠的壓力來(lái)克服管道B-D-E-F段阻力及標(biāo)高靜壓。

1.1 供水壓力需求計(jì)算

圖1 DWS分配管網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic of DWS distribution piping

圖2 DWS向CCS及CST供水管線標(biāo)高示意圖Fig.2 Schematic of the elevation of DWS water supply pipelines to CCS and CST

式中:ΔPA——滿(mǎn)足CCS供水需求所需DWST CORS出口A處最小壓力;

ΔPB——CCS供水支管接口B處最小壓力;

ΔPA-B、 ΔPB-D、 ΔPD-E、 ΔPE-F——AB、B-D、D-E、E-F段管道摩擦壓力損失;

ΔPA-F——A、F標(biāo)高靜壓差;

ΔPB-F——B、F標(biāo)高靜壓差。

根據(jù)DWS核島及常規(guī)島管道安裝圖,從DWST CORS出口至DWS-L502接口三通 (A-B段),管徑4″(0.1016 m),流量350 gp m,直管線總長(zhǎng)703.8′(約214.5 m),管道附件數(shù)量及等效長(zhǎng)度如表1所示。

表1 DWS-L241及DWS-L514管道附件等效表Table 1 DWS-L241 and DWS-L514 pipe fittings equivalent table

1.1.1 雷諾數(shù)的計(jì)算[2]

式中:Re——雷諾數(shù);

d——管道的內(nèi)徑,in;

v——管道內(nèi)流體流速,ft/s;

ρ——流體的密度,l b/ft3;

μ——流體的黏度,c P。

本文取水溫為70℉ (21℃),此時(shí)μ=1.05,ρ=103kg/m3=62.381 b/ft3。

式中:Q——管道內(nèi)流體流量,L/min;

d——管道的內(nèi)徑,in。

已知Q=350 gp m,d=4″,代入式 (4),計(jì)算得v=8.925 ft/s。

將已知數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果代入式 (3),計(jì)算得Re=262 782。

1.1.2 管道摩擦系數(shù)的計(jì)算

管道摩擦系數(shù)的計(jì)算按Colebrook for mula(柯?tīng)柌剪斂?公式進(jìn)行計(jì)算[3]:

式中:f——摩擦系數(shù);

ε——管壁的絕對(duì)粗糙度,in;

d——管道的內(nèi)徑,in。

管道的絕對(duì)粗糙度為0.0018 in,d=4 in,將式 (3)計(jì)算結(jié)果代入式 (5)計(jì)算得f=0.017。

1.1.3 管道摩擦壓力損失計(jì)算[2]

式中:h1L00——100管道流體壓頭損失,ft;

f——摩擦系數(shù);

v——管道內(nèi)流體流速,ft/s;

d——管道的內(nèi)徑,in。

1.1.1及1.1.2計(jì)算數(shù)據(jù)代入式 (6),得出h1L00≈6.31 ft。

式中:ΔP100——100管道流體壓力損失,psi。

式中:ΔPA-B——A-B段管道摩擦壓力損失。

式中:Lf——管道配件等效總長(zhǎng)度,ft;

Lp——直管道總長(zhǎng)度,ft。

式中:L1——45度彎頭等效總長(zhǎng)度,ft;

L2——90度彎頭等效總長(zhǎng)度,ft;

L3——閘閥等效總長(zhǎng)度,ft;

L4——直線三通等效總長(zhǎng)度,ft;

L5——直角三通等效總長(zhǎng)度,ft。

代入表1數(shù)據(jù)得:Lf=9×2.9+33×4.4+2.7+17×6.7+2×20.1=328.1 ft,

故:L=328.1+703.8=1031.9 ft。

1.1.4 B-D、D-E、E-F段壓力損失計(jì)算:

同理,可得出管線 DWS-L502(B-D)、DWS-L506 及 CCS-L130(D-E)、CCS-L143(E-F)壓力損失,見(jiàn)表2。

表2 管道摩擦壓力損失計(jì)算表Table 2 Calculation for the friction pressure loss of pipeline

1.1.5 A～F,B～F標(biāo)高靜壓差計(jì)算

式中:ρ——水的密度,取103kg/m3;

g——重力加速度,取9.8 m/s2;

H——DWST CORS出口與CCS波動(dòng)箱H1液位高度差,m。

已知DWST CORS出口標(biāo)高:113 ft,CCS波動(dòng)箱H1液位約12 ft,CCS波動(dòng)箱底部標(biāo)高:187 ft,故:H=187+12-113=86 ft=26.2 m。代入式 (8)得:

ΔPA-F=256 760 Pa=0.257 MPa,同理ΔPB-F=0.343 MPa。

將1.1.3～1.1.5計(jì)算結(jié)果代入式 (1)、式(2)得:

1.2 原因分析

根據(jù)1.1計(jì)算結(jié)果可知,為了滿(mǎn)足CCS波動(dòng)箱供水需求,DWST CORS出口母管壓力必須大于0.55 MPa,CCS供水支管B處的壓力必須不小于0.44 MPa。

CST水箱正常液位約為13 m(水箱布置在汽機(jī)房0 m 層,EL:100′-0″),B 點(diǎn)標(biāo) 高84′-6″(距離0 m層-4.7 m),故CST水箱正常液位至B點(diǎn)的高度差為:h=13+4.7=17.7 m。計(jì)算得出:靜壓差ΔP≈0.173 MPa。

當(dāng)DWS-V009全開(kāi)向CST供水時(shí),由于DWST CORS出口管徑為4″,CST供水管線最小管徑為4″,CST供水路徑沿程阻力很小,僅依靠CST中的水位提供背壓,此時(shí)B點(diǎn)背壓約為0.173 MPa,遠(yuǎn)小于計(jì)算所需0.44 MPa,故CCS供水分支管線無(wú)法獲得所需的壓力,因此,無(wú)法向CCS波動(dòng)箱供水。

根據(jù)DWS系統(tǒng)設(shè)計(jì),除鹽水出口母管壓力通過(guò)壓力控制閥DWS-V025進(jìn)行調(diào)節(jié),維持在0.69 MPa左右,但是當(dāng)DWS-V009全開(kāi)時(shí),由于除鹽水母管背壓不足,此時(shí),無(wú)論如何調(diào)節(jié)DWS再循環(huán)壓力控制閥DWS-V025,都無(wú)法將除鹽水出口母管壓力調(diào)至系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力,設(shè)計(jì)方并未考慮DWS-V009全開(kāi)時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的壓降,導(dǎo)致DWST CORS出口母管壓力無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)壓力,因此目前DWS管線設(shè)計(jì)并不滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,需對(duì)DWS分配管線進(jìn)行修改。

2 解決方案

為了從根本上解決DWS向用戶(hù)的供水問(wèn)題,需對(duì)CST供水管線進(jìn)行節(jié)流,以滿(mǎn)足其他用戶(hù)的供水需求。有以下幾種方案供選擇:

方案一:調(diào)節(jié)閥門(mén)DWS-V009的行程,控制CST補(bǔ)水流量,以提高除鹽水母管的背壓。

限制閥門(mén)行程是常用的節(jié)流做法。根據(jù)閥門(mén)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)核實(shí),DWS-V009具有限位調(diào)節(jié)螺母,閥門(mén)行程距離為25 mm,試驗(yàn)中手動(dòng)操作閥門(mén)發(fā)現(xiàn),當(dāng)滿(mǎn)足CCS供水需求時(shí),閥門(mén)DWSV009的開(kāi)度大約為40%,因此需限定閥門(mén)的行程為0～10 mm,經(jīng)氣動(dòng)閥專(zhuān)業(yè)人員確認(rèn),閥門(mén)限位調(diào)節(jié)范圍很小,無(wú)法將閥門(mén)限位調(diào)整至系統(tǒng)要求的開(kāi)度。對(duì)于是否可以在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)增加閥門(mén)限位裝置來(lái)控制閥門(mén)的行程,進(jìn)而限制閥門(mén)的開(kāi)度,經(jīng)廠家確認(rèn),現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法實(shí)施,若需增加限位,需返廠實(shí)施,但無(wú)法驗(yàn)證增加限位后可否滿(mǎn)足要求,且可能導(dǎo)致現(xiàn)有閥門(mén)的報(bào)廢。因此,對(duì)現(xiàn)有閥門(mén)DWS-V009限位調(diào)節(jié)的方法不可行。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及改造實(shí)施難度上,該方案對(duì)于三門(mén)一期工程都是不可取的,需考慮其他方案。

方案二:增加手動(dòng)截止閥,對(duì)CST補(bǔ)水管線進(jìn)行節(jié)流。

在CST補(bǔ)水管線 (DWS-L022)凝結(jié)水儲(chǔ)存箱除鹽水補(bǔ)給止回閥 (DWS-V008)的上游 (圖2 C位置)增加一個(gè)手動(dòng)截止閥 (DWS-V569),通過(guò)試驗(yàn),調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)限制DWS向CST的補(bǔ)水流量,進(jìn)而獲得CCS補(bǔ)水所需母管壓力。在系統(tǒng)壓力設(shè)定好了之后,移除閥門(mén)DWS-V569的手輪,防止人員誤操作而改變閥門(mén)的開(kāi)度。設(shè)計(jì)方采用該方案對(duì)三門(mén)一期工程CST供水管線進(jìn)行改造。該方案具有一定的靈活性,可根據(jù)用戶(hù)需求,調(diào)節(jié)流量。但是,該方案也存在一些缺點(diǎn),一方面增加設(shè)備就會(huì)增加故障檢修點(diǎn);另一方面當(dāng)對(duì)閥門(mén)進(jìn)行檢修或其他原因需對(duì)閥門(mén)進(jìn)行操作時(shí),閥門(mén)的開(kāi)度可能會(huì)被改變,此時(shí)需對(duì)閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行重新調(diào)節(jié)。

方案三:增加節(jié)流孔板,對(duì)CST補(bǔ)水管線進(jìn)行節(jié)流。

可以在CST供水管線上增加一塊節(jié)流孔板,以限制CST的補(bǔ)水流量,獲得CCS波動(dòng)箱補(bǔ)水所需的背壓,同時(shí)需滿(mǎn)足孔板后的壓力足以將CST注水至H1液位。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管線實(shí)際布置,在DWS-V009/V008的上游 (圖2 C位置)安裝流量孔板,取代方案二閥門(mén)DWS-V569。采用流量孔板,一方面增加設(shè)備少,改造容易,節(jié)約人力物力;另一方面只需在設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算所需孔板的尺寸,不需要運(yùn)行維護(hù),且安全可靠,節(jié)約運(yùn)行成本。

3 方案比較

根據(jù)以上3種方案分析,均需對(duì)CST供水管線進(jìn)行節(jié)流,以提高除鹽水母管背壓,三種改造方案優(yōu)缺點(diǎn)比較如表3。

表3 改造方案比較Table 3 Alter ation schemes comparison

根據(jù)以上對(duì)比,方案二和方案三均可以解決目前DWS系統(tǒng)向CST供水時(shí),母管壓力不足的問(wèn)題,綜合考慮改造成本及系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性等方面,方案三更簡(jiǎn)單方便,也更安全可靠,建議采用方案三增加流量孔板對(duì)CST供水管線進(jìn)行改造。

4 孔板尺寸計(jì)算

根據(jù)第1節(jié)分析,DWS系統(tǒng)向CST供水時(shí),需限定CST供水流量為56.8 m3/h(250 L/min),供水管徑4″。

水管道節(jié)流孔板孔徑可按下式計(jì)算[4]:

式中:dk——孔板的孔徑,mm;

Q——通過(guò)孔板的流量,已知為56.8 m3/h;

ρ——水的密度,取103kg/m3。

ΔPK——孔板前后壓差,ΔPK=P1-P2,P1、P2:孔板前、后壓力。

式中:ΔPB-C——B、C標(biāo)高靜壓差,根據(jù)圖2標(biāo)高圖知B、C標(biāo)高差約為4′,根據(jù)式 (8)計(jì)算得ΔPB-C=0.01 MPa。

將1.1計(jì)算結(jié)果代入式 (10)得:P1=0.45 MPa。

備注:根據(jù)施工圖,由于B、C兩點(diǎn)距離很近,故忽略管道摩擦壓力損失。

孔板后壓力P2,取CST水箱H1液位時(shí)的靜壓,CST水箱H1液位約為13 m(水箱布置在汽機(jī)房0 m層),孔板安裝位置大約在汽機(jī)房地下-6 m,故h=13+6=19 m。代入式 (8)得出:P2=0.19 MPa。

故ΔPK=0.26 MPa;代入式 (9)得:dk≈38.5 mm,因此孔板孔徑選取38.5 mm,法蘭配合面管徑為4″。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理論計(jì)算分析,DWS系統(tǒng)原設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)存在缺陷,目前管線設(shè)計(jì)不滿(mǎn)足DWS系統(tǒng)用戶(hù)供水壓力需求,需對(duì)CST供水管線進(jìn)行改造。通過(guò)對(duì)比分析,方案3增加節(jié)流孔板,滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)供水需求,且造價(jià)低、改造簡(jiǎn)單、安全可靠。

三門(mén)一期工程因設(shè)計(jì)方采用方案2,對(duì)CST補(bǔ)水管線進(jìn)行改造,生產(chǎn)階段可以采用方案3進(jìn)行設(shè)計(jì)變更,后期工程建議在CST供水管線上使用節(jié)流孔板,孔板孔徑選取38.5 mm。