重水堆核電機(jī)組快速建立穩(wěn)壓器檢修環(huán)境運(yùn)行方式的研究1)

(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 314300 )

穩(wěn)壓器作為主熱傳輸系統(tǒng)的重要組成部分,用來穩(wěn)定主熱傳輸系統(tǒng)的壓力和裝量,若穩(wěn)壓器本體或相連接的管道設(shè)備故障,需對穩(wěn)壓器降溫降壓至檢修環(huán)境才能進(jìn)行檢修,而目前穩(wěn)壓器降溫降壓所需的時間較長,不利于快速建立檢修環(huán)境。到目前為止,秦山第三核電廠兩臺機(jī)組共發(fā)生過三起由于穩(wěn)壓器本體或相連接的管道設(shè)備故障而進(jìn)行的小修事件,而每次小修穩(wěn)壓器的降溫速率都成為機(jī)組小修的關(guān)鍵路徑,本文通過闡述穩(wěn)壓器正常降溫降壓過程來分析降溫較慢的原因,提出穩(wěn)壓器快速降溫的方法,并采用CFD技術(shù)數(shù)值模擬驗(yàn)證了其可行性。

1 背景介紹

1.1 1號機(jī)組因穩(wěn)壓器人孔門內(nèi)隔膜板焊縫泄漏導(dǎo)致機(jī)組小修

2014年4月30日12:00,發(fā)現(xiàn)1號機(jī)組主熱傳輸重水收集系統(tǒng)一根引漏管內(nèi)引漏流增大至滿管流,導(dǎo)致主熱傳輸重水收集系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行溫度接近該系統(tǒng)的設(shè)計溫度限值,為確保該系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行,1號機(jī)組隨即進(jìn)入冷停堆小修,經(jīng)檢查確定漏點(diǎn)位于穩(wěn)壓器人孔內(nèi)膜片密封焊縫上,對缺陷進(jìn)行處理并檢驗(yàn)合格后,2014年5月7日1號機(jī)組恢復(fù)滿功率運(yùn)行。造成電廠發(fā)電量損失11 242.9萬kW·h,上網(wǎng)電量損失10 482萬kW·h,折算損失6.435滿功率天,對電廠核安全沒有造成影響。

1.2 1號機(jī)組除氣冷凝器噴淋管線發(fā)生開裂泄漏

除氣冷凝器噴淋管線為核1級、2 inch碳鋼管線(約5.08 cm),管線功能為引入高壓冷流,在除氣冷凝器壓力控制閥PCV24/25控制下向除氣冷凝器內(nèi)部噴淋,以調(diào)整除氣冷凝器內(nèi)部壓力。

兩臺機(jī)組投運(yùn)以來已發(fā)生4起除氣冷凝器噴淋管線泄漏事件,泄漏和返修情況如下：

1)2003.6.16,1號機(jī)組噴淋管線與除氣冷凝器管嘴連接焊縫F14處管嘴側(cè)沿焊趾環(huán)向開裂(5:00～07:00間長約20 mm);停堆小修,管段更換,外表面修磨拋光;

2)2013年2月20日,2號機(jī)組噴淋管線與除氣冷凝器管嘴連接焊縫F14處管嘴側(cè)沿焊趾環(huán)向開裂(12:00～2:00間長約20 mm),上游管支架PH78管箍斷裂;在線焊接套管臨時修補(bǔ);

3)2013年7月13日,1號機(jī)組噴淋管線與除氣冷凝器管嘴連接焊縫F14上游約20 mm處母材上環(huán)向開裂(5:00～7:00間長約20 mm);在線焊接套管臨時修補(bǔ);

4)2013年7月25日,1號機(jī)組臨時套管與噴淋管線連接角焊縫處沿焊趾環(huán)向開裂(10:00～11:00間長約10mm);停堆小修,管段更換,外表面修磨拋光。

2 穩(wěn)壓器降溫過程

2.1 穩(wěn)壓器正常降溫方式

穩(wěn)壓器在正常停堆大修時根據(jù)規(guī)程對其進(jìn)行降壓和降溫,如不對穩(wěn)壓器進(jìn)行檢修,穩(wěn)壓器上部金屬溫度降至可噴淋的168 ℃需要四天的降溫時間,降溫方法如下：

1)將63332-HS41至HS45置于OFF位置,停運(yùn)穩(wěn)壓器電加熱器3332-HTR1至HTR5;

2)將除氣冷凝器加熱器控制器63332-PC24#3和63332-PC25#3的設(shè)定值降低至180 kPa;

3)確認(rèn)穩(wěn)壓器壓力控制器63332-PC9在自動模式,通過降低其設(shè)定值,以1 MPa/5 min的速率降低穩(wěn)壓器的壓力至3.5 MPa;

4)穩(wěn)壓器壓力達(dá)到3.5 MPa后,以0.5 MPa/5 min的速率降低穩(wěn)壓器的壓力至1 MPa;

5)當(dāng)穩(wěn)壓器壓力降至1 MPa后,通過降低除氣冷凝器噴淋閥控制器63332-PC25#1(或PC24#1)的壓力設(shè)定值,以200 kPa/min的速率,將除氣冷凝器的壓力降至200 kPa;

6)通過降低穩(wěn)壓器壓力控制器63332-PC9的設(shè)定值,以0.5 MPa/5 min的速率將穩(wěn)壓器的壓力降至200 kPa ;

7)將63332-HS24和HS25置于OFF位置,停運(yùn)除氣冷凝器電加熱器3332-HTR6和HTR7;

8)確認(rèn)除氣冷凝器的壓力與穩(wěn)壓器的壓力均為200 kPa后,將穩(wěn)壓器壓力控制器63332-PC9置于手動模式,調(diào)節(jié)其輸出至100%以打開63332-PCV5/PCV6。

從圖1上可以看出穩(wěn)壓器以正常方式降溫至檢修溫度需要96 h時間,在正常大修時不影響大修主線,而曾經(jīng)出現(xiàn)過的穩(wěn)壓器人孔門故障等缺陷,穩(wěn)壓器降溫將成為機(jī)組小修的主線,將直接影響到我們小修的工期。

2.2 通過充水疏水方式對穩(wěn)壓器進(jìn)行降溫

在2014年小修時我們曾經(jīng)用補(bǔ)排水的方式對穩(wěn)壓器降溫降壓快速建立檢修環(huán)境,如圖2所示,由于穩(wěn)壓器設(shè)計容積較大和補(bǔ)排水速率的原因,當(dāng)時也用了三天才建立了檢修環(huán)境。

1)將63332-HS41至HS45置于OFF位置,停運(yùn)穩(wěn)壓器電加熱器3332-HTR1至HTR5;

2)將除氣冷凝器加熱器控制器63332-PC24#3和63332-PC25#3的設(shè)定值降低至180 kPa;

3)確認(rèn)穩(wěn)壓器壓力控制器63332-PC9在自動模式,通過降低其設(shè)定值,以1 MPa/5 min的速率降低穩(wěn)壓器的壓力至3.5 MPa;

4)穩(wěn)壓器壓力達(dá)到3.5 MPa后,以0.5 MPa/5 min的速率降低穩(wěn)壓器的壓力至1 MPa;

5)通過設(shè)定穩(wěn)壓器液位設(shè)定值對穩(wěn)壓器進(jìn)行沖水和排水;

6)當(dāng)穩(wěn)壓器上部金屬溫度降至168 ℃時打開穩(wěn)壓器噴淋閥3331-PV9對穩(wěn)壓器進(jìn)行降溫;

7)當(dāng)穩(wěn)壓器降至檢修溫度后,通過降低除氣冷凝器噴淋閥控制器63332-PC25#1(或PC24#1)的壓力設(shè)定值,以200 kPa/min的速率,將除氣冷凝器的壓力降至200 kPa;

8)將63332-HS24和HS25置于OFF位置,停運(yùn)除氣冷凝器電加熱器3332-HTR6和HTR7;

9)確認(rèn)除氣冷凝器的壓力與穩(wěn)壓器的壓力均為200 kPa后,將穩(wěn)壓器壓力控制器63332-PC9置于手動模式,調(diào)節(jié)其輸出至100%以打開63332-PCV5/PCV6。

圖1 1號機(jī)組109大修穩(wěn)壓器降溫趨勢圖

圖2 2014年5月通過補(bǔ)排水對穩(wěn)壓器降溫趨勢圖

穩(wěn)壓器正常降溫降壓后200 kPa壓力對應(yīng)的水溫為135 ℃左右,由于穩(wěn)壓器氣空間的密封作用和保溫層的隔熱作用,只能依靠對上部空間的散熱和與下部空間金屬管壁的導(dǎo)熱來降溫,由于是密閉空間且穩(wěn)壓器上下部金屬管壁的高度差,降溫速率比較慢,且設(shè)計手冊要求穩(wěn)壓器噴淋閥3331-PV9開啟限制條件為穩(wěn)壓器壓力小于1 MPa和溫度小于168 ℃。

因此本文擬打開穩(wěn)壓器蒸汽排放閥,投運(yùn)穩(wěn)壓器加熱器通過流動蒸汽的對流換熱,對穩(wěn)壓器上部金屬進(jìn)行降溫來快速建立檢修環(huán)境。

3 通過蒸汽流動對穩(wěn)壓器內(nèi)壁進(jìn)行降溫

3.1 通過蒸汽流動對穩(wěn)壓器降溫的理論基礎(chǔ)

穩(wěn)壓器如果出現(xiàn)故障需要檢修,根據(jù)設(shè)計手冊要求壁溫小于168 ℃才能進(jìn)行噴淋冷卻,而自然冷卻的方法需要至少四天才能達(dá)到這個溫度,大大延長了等待檢修工期。

穩(wěn)壓器正常降溫降壓后穩(wěn)壓器底部水溫為200 kPa對應(yīng)的飽和溫度120 ℃,而穩(wěn)壓器頂部壁面由于外部保溫層的隔熱作用和氣腔蒸汽的不流動,維持在260 ℃的溫度,只能通過金屬壁面的導(dǎo)熱來降溫,而穩(wěn)壓器高度為16 m,頂部壁面降溫至168 ℃十分緩慢。

本節(jié)通過打開穩(wěn)壓器加熱器使穩(wěn)壓器壓力維持在1 MPa左右,打開穩(wěn)壓器排氣閥建立穩(wěn)壓器對除氣冷凝氣的連續(xù)排氣流量,通過低溫蒸汽與穩(wěn)壓器頂部壁面的連續(xù)對流換熱對穩(wěn)壓器壁面進(jìn)行降溫,從而達(dá)到可噴淋的溫度。

3.2 采用CFD方法數(shù)值模擬分析

本文采用CFD方法對穩(wěn)壓器穩(wěn)定持續(xù)排放相對較低溫度的蒸汽,主動對穩(wěn)壓器本體金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行降溫的瞬態(tài)過程進(jìn)行數(shù)值模擬計算。根據(jù)穩(wěn)壓器的設(shè)計圖紙建立三維模型,為提高計算經(jīng)濟(jì)性,本文考慮穩(wěn)壓器為一中心對稱的筒體,由于在蒸汽穩(wěn)定排放的過程中,蒸汽流動理論上也是中心對稱的,故本文建立了穩(wěn)壓器設(shè)備1/8模型(45°角)作為模擬模型。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量約為800萬。

穩(wěn)壓器本體金屬材料考慮為碳鋼,其內(nèi)流動介質(zhì)為180 ℃的飽和蒸汽。穩(wěn)壓器蒸汽排放管末端為出口邊界,穩(wěn)壓器下部汽水液面為入口邊界,認(rèn)為整個模擬模型中為單相、可壓縮的飽和蒸汽流動。不考慮蒸汽流動過程中的相變。穩(wěn)壓器筒體外的覆蓋有保溫層,其對大氣環(huán)境的散熱量相對于蒸汽對流換熱很小,在模擬模型中不考慮穩(wěn)壓器對大氣環(huán)境的散熱。

在穩(wěn)壓器金屬壁面上,不同高度位置處設(shè)定了6個溫度監(jiān)測點(diǎn),并在其相近的蒸汽流動區(qū)域位置同樣設(shè)定了6個溫度監(jiān)測點(diǎn)。這些監(jiān)測點(diǎn)共同監(jiān)測在穩(wěn)壓器排放蒸汽的瞬態(tài)過程中,穩(wěn)壓器金屬和其附近蒸汽的溫度變化情況。監(jiān)測點(diǎn)位置,如圖3所示。

穩(wěn)壓器蒸汽直接排放至除氣冷凝器中,排放壓力基本穩(wěn)定在200 kPa左右。穩(wěn)壓器內(nèi)通過控制電加熱器投入功率和補(bǔ)水系統(tǒng),補(bǔ)充由于連續(xù)蒸汽排放導(dǎo)致的質(zhì)能釋放,保持穩(wěn)壓器內(nèi)液位和飽和壓力的穩(wěn)定。所以,模擬模型中考慮出口邊界為穩(wěn)定的參考壓力,入口邊界為控制目標(biāo)壓力。

金屬區(qū)域(靠近內(nèi)壁20 mm處)流體區(qū)域(開進(jìn)內(nèi)壁80 mm處)示意圖t1(9 001 000)t11(8 001 000)t2(9 005 000)t21(8 005 000)t3(90 010 000)t31(80 010 000)t4(90 030 000)t41(80 030 000)t5(90 070 000)t51(80 070 000)t6(64 586 450)t61(54 585 450)

圖3 監(jiān)控點(diǎn)位置定義

Fig.3 The definition of monitoring point

在Ansys中生成有限元模型即將幾何模型劃分為有限個單元,如圖4所示,單元間通過節(jié)點(diǎn)相連接,在每個單元和節(jié)點(diǎn)上求解物理問題的近似解。在有限元模型生成之后,在Ansys軟件中運(yùn)用中間處理器定義本次研究模型的分析類型,且在有限元模型上施加載荷,確定蒸汽流速和蒸汽溫度進(jìn)行解。

圖4 穩(wěn)壓器框架結(jié)構(gòu)有限元模型

穩(wěn)壓器蒸汽排放是一動態(tài)過程,作為瞬態(tài)模型求解,考慮較低溫的蒸汽與穩(wěn)壓器金屬壁面之間的對流換熱。

考慮穩(wěn)壓器金屬壁面與低溫流動蒸汽對流換熱時溫差過大、過大熱應(yīng)力導(dǎo)致穩(wěn)壓器壁面損壞,本文分兩個階段對穩(wěn)壓器進(jìn)行冷卻,第一階段將穩(wěn)壓器壁面溫度由257 ℃降溫至208 ℃,第二階段由208 ℃降溫至168 ℃,從而達(dá)到最優(yōu)化的降溫速率。

蒸汽溫度分為1 MPa對應(yīng)的180 ℃和0.35 MPa對應(yīng)的139 ℃。兩種工況下,穩(wěn)壓器內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)溫度變化曲線如圖5和圖6所示。

圖5 定義點(diǎn)溫度1 MPa下降溫曲線

圖6 定義點(diǎn)溫度0.35 MPa下降溫曲線

計算結(jié)果假設(shè)蒸汽溫度為180 ℃和139 ℃,金屬溫度為257 ℃,表面絕熱。該假設(shè)相當(dāng)保守,因?yàn)樵卺尫胚^程中,飽和壓力下降,飽和溫度也會急劇下降金屬降溫會比這個快。

從計算結(jié)果分析穩(wěn)壓器頂部金屬外壁溫度從257 ℃降至168 ℃用時33 h,相當(dāng)于比正常降溫節(jié)省了63 h,為電廠減少發(fā)電量4586.2萬kW·h時的經(jīng)濟(jì)損失,減少上網(wǎng)電量損失4275萬kW·h,折算減少損失2.625滿功率天。比充水、疏水降溫節(jié)省了21 h,為核電站減少發(fā)電量1582.7萬kW·h的經(jīng)濟(jì)損失,減少上網(wǎng)電量損失1419萬kW·h,折算減少損失0.875滿功率天,對核電站核安全沒有造成影響。

4 結(jié) 論

穩(wěn)壓器作為主熱傳輸系統(tǒng)的重要組成部分,用于控制主熱傳輸系統(tǒng)的壓力和裝量,一旦穩(wěn)壓器本體或其附屬設(shè)備出現(xiàn)故障如重水泄漏,必須立即停堆處理。正常采用自然冷卻的方式從停堆到建立檢修環(huán)境需要大約5 d的時間,影響機(jī)組恢復(fù)功率運(yùn)行,給核電站帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。本文分析了穩(wěn)壓器正常卸壓后蒸汽溫度偏高的原因,在不改變系統(tǒng)設(shè)計的前提下,提出開啟穩(wěn)壓器加熱器,通過補(bǔ)水排氣產(chǎn)生流動蒸汽,利用流動蒸汽與穩(wěn)壓器金屬壁面的對流換熱,快速冷卻穩(wěn)壓器壁面,從而快速建立穩(wěn)壓器檢修環(huán)境。本文通過分析,將蒸汽流速和穩(wěn)壓器內(nèi)壁溫度作為邊界條件,通過Ansys有限元軟件建模計算其可行性,驗(yàn)證大約33 h內(nèi)可建立穩(wěn)壓器的檢修環(huán)境。此方法的降溫效果明顯優(yōu)于穩(wěn)壓器正常降溫或充水、疏水降溫,比正常降溫節(jié)省了2.625個滿功率天,比充水、疏水降溫節(jié)省了0.875滿功率天,能夠快速恢復(fù)穩(wěn)壓器可用,減少電站經(jīng)濟(jì)損失,對機(jī)組帶來可期的經(jīng)濟(jì)效益。