氣溫變化對(duì)核電廠的影響及應(yīng)對(duì)措施

王 軍

（海南核電有限公司運(yùn)行處，海南?？?570300）

1 研究背景和目的

海南核電兩臺(tái)650 MW 壓水堆于2014 和2015年相繼投產(chǎn)，目前，多用途模塊式小型堆已開(kāi)工建設(shè)。3、4 號(hào)機(jī)組前期工作也穩(wěn)步推進(jìn)，為實(shí)現(xiàn)海南生態(tài)與發(fā)展戰(zhàn)略做出重要貢獻(xiàn)。然而由于廠址地處北熱帶，大氣平均高溫達(dá)28.8。為研究海水溫度對(duì)核電廠關(guān)鍵設(shè)備的影響，本文通過(guò)數(shù)據(jù)采集和分析，總結(jié)出海水溫度短期內(nèi)的變化規(guī)律，海水溫度變化對(duì)由海水冷卻的關(guān)鍵設(shè)備相關(guān)參數(shù)的影響，以及控制設(shè)備參數(shù)的應(yīng)對(duì)措施，為核電廠控制關(guān)鍵設(shè)備相關(guān)參數(shù)在額定范圍內(nèi)提供了參考。

2 研究原理

2.1 海水溫度影響核電廠的原理

海水用戶主要包括循環(huán)水泵、重要廠用水泵、海水升壓泵，海水溫度變化直接影響三者所冷卻的熱用戶。根據(jù)海水溫度、閉式冷卻水和設(shè)備冷卻水瞬時(shí)變化曲線可知，海水溫度、閉式冷卻水和設(shè)備冷卻水溫度瞬時(shí)變化趨勢(shì)大體一致。此外，通過(guò)對(duì)三者溫度在2～8月近半年內(nèi)的趨勢(shì)進(jìn)行收集，統(tǒng)計(jì)出海水溫度變化范圍為23.333.4，日波動(dòng)幅度為02.9，閉式冷卻水變化范圍為26.336.4，日波動(dòng)幅度為02.5，設(shè)備冷卻水溫度變化范圍為25.134.6，日波動(dòng)幅度為02.7?？梢?jiàn)三者的溫度變化范圍和每日波動(dòng)幅度基本相似，因此，研究海水溫度對(duì)核電廠的影響，只要研究對(duì)閉式冷卻水和設(shè)備冷卻水下游熱負(fù)荷參數(shù)的影響即可。

2.2 研究數(shù)據(jù)的選取

2.2.1 研究時(shí)段的選取

考慮海南昌江低氣溫出現(xiàn)在12月至次年2月，高溫出現(xiàn)在6～8月，故本文數(shù)據(jù)采集時(shí)間段為2～8月，以體現(xiàn)大氣溫度的高低溫極限。半年內(nèi)海水溫度變化范圍為23.333.4，在此區(qū)間均勻選取11 個(gè)海水溫度點(diǎn)，為減小極端天氣對(duì)設(shè)備參數(shù)的疊加影響，根據(jù)11 個(gè)海水溫度尋找出對(duì)應(yīng)的氣候平穩(wěn)的11 個(gè)時(shí)間點(diǎn)。再通過(guò)11 個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別采集所研究設(shè)備的參數(shù)，這樣就可以得出半年內(nèi)海水溫度變化和設(shè)備參數(shù)的關(guān)系。

2.2.2 研究對(duì)象的選取

根據(jù)電廠的核安全、穩(wěn)定發(fā)電、放射性控制等影響，設(shè)備分為關(guān)鍵設(shè)備（包括CC1 級(jí)和CC2 級(jí)）、重要設(shè)備（NC）和一般設(shè)備（RTM）等3 個(gè)等級(jí)，非關(guān)鍵設(shè)備故障在時(shí)間緊迫性和對(duì)核電廠安全的威脅性相對(duì)較小，本文不予考慮。正常功率運(yùn)行時(shí)，設(shè)備冷卻水所冷卻關(guān)鍵設(shè)備為主泵和乏池冷卻水系統(tǒng)。閉式冷卻水的用戶中關(guān)鍵設(shè)備及系統(tǒng)包括循環(huán)水泵、循環(huán)水泵潤(rùn)滑油系統(tǒng)、電動(dòng)給水泵、電動(dòng)給水泵輔助系統(tǒng)、凝結(jié)水泵、真空泵、汽機(jī)調(diào)節(jié)油系統(tǒng)、汽機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)氫氣供應(yīng)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)。

海水溫度變化對(duì)以上設(shè)備及系統(tǒng)的影響可以歸納為：淤對(duì)軸承和電機(jī)繞組的影響；于對(duì)電廠油品（潤(rùn)滑油/調(diào)節(jié)油/密封油）的影響；盂對(duì)凝汽器的影響；榆對(duì)發(fā)電機(jī)的影響；虞對(duì)乏池的影響。

3 研究?jī)?nèi)容與結(jié)果

3.1 潮位和大氣溫度對(duì)海水溫度的影響

大氣溫度主要通過(guò)對(duì)流換熱和太陽(yáng)輻射，影響海水溫度。潮位影響海水溫度是因?yàn)楹Ｋ疁囟仍诖怪狈较蛏戏植际请S著深度的增加而逐漸遞減的，潮位隨時(shí)間周期性變化，故取水口吸入前池的海水溫度也會(huì)變化。

海南核電取水口為混合潮型，每個(gè)月上弦月（農(nóng)歷初八）和下弦月（農(nóng)歷二十三）出現(xiàn)兩次半潮日，周期短、潮位漲落幅度小，其余時(shí)間為全日潮，周期為24 h50 min。由于半日潮周期短，所以一般會(huì)出現(xiàn)白天最高溫度時(shí)潮位處于低潮的情形，大氣溫度和潮位波形呈鏡面對(duì)稱，如假設(shè)半個(gè)月內(nèi)平均氣溫和潮位不變，將出現(xiàn)海水溫度該周期內(nèi)的最高值；B 階段后，由于全潮日周期比大氣溫度周期多50 min，所以總會(huì)出現(xiàn)大氣溫度和潮位波形呈近似的時(shí)候，當(dāng)波形一致時(shí)，海水溫度變化不明顯；如大氣溫度和潮位曲線既不一致也不成鏡面對(duì)稱時(shí)，海水溫度的最大/小值出現(xiàn)在大氣溫度最大/小點(diǎn)與潮位最低/高點(diǎn)之間。綜上，海水溫度曲線也是大氣溫度曲線和潮位曲線所對(duì)應(yīng)的鏡面曲線疊加的結(jié)果。據(jù)此，可以根據(jù)氣象預(yù)報(bào)信息可以預(yù)估近期海水溫度的大體趨勢(shì)，如氣象預(yù)報(bào)顯示明日最低潮位在17:00，而大氣溫度最高值在14:00，可以預(yù)估明日海水最高溫度在15:30左右，且由于最低潮與大氣最高溫時(shí)間點(diǎn)較接近，明日海水溫度會(huì)較高。往后每天低潮位將推遲50 min，最低潮與大氣最高溫時(shí)間點(diǎn)時(shí)間間隔增大，如天氣平穩(wěn)，海水溫度每天的最高值會(huì)越來(lái)越低。

3.2 對(duì)軸承和電機(jī)繞組的影響及應(yīng)對(duì)措施

3.2.1 對(duì)軸承和電機(jī)繞組的影響及其原因分析

當(dāng)軸承/電機(jī)繞組產(chǎn)生的熱量和冷卻水帶走熱量以及向空氣釋熱量平衡時(shí)，此時(shí)的溫度為軸承/電機(jī)繞組運(yùn)行溫度。軸承溫度高會(huì)加快軸承的熱疲勞損壞或?qū)е螺S承抱死，致使?jié)櫥图涌熳冑|(zhì)，潤(rùn)滑效果變差，從而導(dǎo)致軸承內(nèi)部干摩擦，因此軸承溫度過(guò)高是軸承損壞的重要原因之一。電機(jī)繞組溫度大，會(huì)導(dǎo)致繞組絕緣損壞，壽命縮短。根據(jù)受海水間接冷卻的軸承或電機(jī)溫度與海水關(guān)系趨勢(shì)曲線可知，汽輪機(jī)軸承溫度變化最小，其余泵體軸承/電機(jī)繞組溫度隨海水溫度的增大而增大。主要因?yàn)槠啓C(jī)潤(rùn)滑油由自身溫度自動(dòng)控制，其余泵體當(dāng)冷卻水溫度上漲時(shí)，冷卻水冷卻能力下降，冷卻水帶走熱量減少，導(dǎo)致軸承/電機(jī)繞組運(yùn)行溫度上漲。此外，因?yàn)槠麢C(jī)潤(rùn)滑油和發(fā)電機(jī)定子水/密封油/氫氣冷卻水溫度均自動(dòng)控制，當(dāng)海水溫度升高后通往以上熱負(fù)荷的閉式冷卻水流量增大，導(dǎo)致通往其余熱負(fù)荷的流量減小，故泵體軸承/電機(jī)繞組溫度隨海水溫度的增大而增大。

其中，溫度變化最大的泵是主給水泵繞組和密封液、循泵繞組，海水溫度變化1時(shí)，將導(dǎo)致其溫度變化約1。其次是凝泵軸承、主給水泵軸承和循泵軸承，海水溫度變化1時(shí)，將導(dǎo)致其溫度變化約0.6。在極限高溫時(shí)，上述對(duì)象距離報(bào)警或跳泵定值的裕度范圍為[19，78]，其中，凝泵軸承和主泵電機(jī)下徑向軸承在夏季最高溫度時(shí)，它們距離H1 報(bào)警定值的裕度只有19，但是主泵電機(jī)下徑向軸承溫度隨海水溫度變化相對(duì)較小，海水溫度每升高1，其溫度增加0.4。

3.2.2 防止軸承/電機(jī)繞組溫度高的應(yīng)對(duì)措施

放開(kāi)閉式冷卻水SEN 側(cè)流量。目前閉式冷卻水SEN 側(cè)存在50%左右截流，增加SEN 側(cè)流量可以降低閉式冷卻水溫度。但是放開(kāi)SEN 側(cè)流量時(shí)，務(wù)必關(guān)注潮位變化，防止落潮時(shí)SEN泵出口母管壓力降低導(dǎo)致備用SEN 泵啟動(dòng)，低潮位3 臺(tái)SEN泵長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行有SEN 泵氣蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

加強(qiáng)冷卻機(jī)組通風(fēng)換熱能力，以降低廠房溫度。主泵所在房間由安全殼連續(xù)通風(fēng)系統(tǒng)EVR 冷卻，可以手動(dòng)增大冷凍水機(jī)組DEG 導(dǎo)葉開(kāi)度來(lái)降低冷凍水溫度，通過(guò)EVR 系統(tǒng)以降低主泵房間溫度，保證主泵良好的散熱環(huán)境，防止主泵軸承溫度過(guò)高。常規(guī)島設(shè)置汽機(jī)廠房通風(fēng)和空調(diào)（DVM）系統(tǒng)，夏季可以通過(guò)加大SEP 流量，以加強(qiáng)蒸發(fā)冷卻機(jī)組的通風(fēng)換熱能力，降低常規(guī)島廠房房間溫度。

巡檢監(jiān)視和預(yù)防性維修。主控對(duì)于以上軸承/電機(jī)繞組均有溫度趨勢(shì)，可以持續(xù)監(jiān)視，對(duì)于除主泵外其余泵體，運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)每班會(huì)通過(guò)點(diǎn)溫、聽(tīng)音判斷軸承溫度是否正常。此外，根據(jù)管理規(guī)定，CC1、CC2 級(jí)設(shè)備必須采取積極的維修策略及時(shí)探測(cè)和緩解設(shè)備的老化現(xiàn)象，保證泵體的可用性。

3.3 對(duì)電廠油品（潤(rùn)滑油/調(diào)節(jié)油/密封油）的影響及其措施

3.3.1 對(duì)電廠油品的影響及其原因分析

潤(rùn)滑油包括汽輪機(jī)軸承潤(rùn)滑油（GGR），主給水泵輔助系統(tǒng)潤(rùn)滑油（AGM），循環(huán)水泵齒輪箱軸承潤(rùn)滑油（CGR），主泵電機(jī)軸承潤(rùn)滑油（RCP），密封油包括發(fā)電機(jī)氫側(cè)和空側(cè)密封油（GHE），調(diào)節(jié)油主要指三芳基磷酸酯抗燃油（GFR），3 種油溫度升高將加快氧化速率，氧化后呈酸性也會(huì)加快油系統(tǒng)內(nèi)壁的腐蝕速率，直接影響到用油設(shè)備壽命。此外，油質(zhì)變質(zhì)將使油品黏度增大，流動(dòng)性減小，油流不暢使油溫升高進(jìn)一步加快油質(zhì)惡化。

根據(jù)油品溫度隨海水溫度變化曲線可知，海水溫度的變化對(duì)汽輪機(jī)軸承潤(rùn)滑油（GGR）和發(fā)電機(jī)密封油（GHE）的影響極小，其余油品隨海水溫度升高而升高的趨勢(shì)明顯，海水溫度每升高1，其溫度升高0.60.9。查閱上述各研究對(duì)象的報(bào)警定值，在極限高溫時(shí)，上述對(duì)象距離報(bào)警定值的裕度范圍為[13，27]，其中，對(duì)AGM 潤(rùn)滑油的威脅最大，極限高溫時(shí)距離H1 報(bào)警值裕度為13，海水溫度每升高1，其溫度增加0.8。

3.3.2 對(duì)電廠油品的管理措施

為了防止溫度過(guò)高導(dǎo)致油質(zhì)惡化，主要通過(guò)對(duì)電廠的油品進(jìn)行監(jiān)督和控制的措施。按照化學(xué)管理大綱要求，對(duì)于上述油品的油質(zhì)都會(huì)制定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其油質(zhì)（包括含水量、酸性、氯離子和顆粒度等）進(jìn)行定期取樣分析和評(píng)價(jià)，對(duì)超標(biāo)或者品質(zhì)惡化的油品及時(shí)處理，確保系統(tǒng)設(shè)備用油滿足規(guī)范要求。此外，各油系統(tǒng)設(shè)置過(guò)濾器，起到凈化油品作用，過(guò)濾器壓差一旦超限，需立即更換。

3.4 對(duì)凝汽器的影響及應(yīng)對(duì)措施

3.4.1 對(duì)凝汽器的影響及其原因分析

真空度即為凝汽器內(nèi)部絕對(duì)壓力，根據(jù)卡諾循環(huán)原理，真空度過(guò)高將直接影響理論熱力循環(huán)效率，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電廠的總效率減小。因此當(dāng)電功率不變時(shí)，真空度增大將導(dǎo)致熱功率將上漲，電功率為滿功率時(shí)有可能導(dǎo)致熱功率超過(guò)技術(shù)規(guī)范要求的極限值1930 MW。

根據(jù)凝汽器真空度隨海水溫度的變化曲線可知，海水溫度升高將導(dǎo)致真空度增大，海水溫度每升高1將導(dǎo)致真空度上漲0.6 kPa。海水溫度上漲導(dǎo)致真空度增大有2 方面原因。

（1）海水溫度上漲導(dǎo)致循環(huán)水泵吸入海水溫度增大，海水帶走低壓缸排汽液化潛熱的能力減小，從而使凝汽器真空度增大；

（2）甩出真空泵的壓縮液經(jīng)過(guò)汽水分離后的密封水經(jīng)熱交換器重新回到真空泵建立液環(huán)，液環(huán)必須保證一定過(guò)冷度，真空泵極限抽真空能力就是密封水的飽和壓力。海水溫度上漲將導(dǎo)致閉式冷卻水溫度上漲，導(dǎo)致回到真空泵的密封水溫度上漲，從而導(dǎo)致真空泵內(nèi)液環(huán)中部分密封水汽化，真空泵的吸入能力降低，真空度增大。

3.4.2 防止真空度過(guò)高的應(yīng)對(duì)措施

增大循環(huán)水泵流量，從而增大海水帶走低壓缸排汽液化潛熱的能力。目前凝汽器海水側(cè)均有50%左右的截流，放開(kāi)循泵流量可能吸入大批海藻、貝殼等海洋垃圾，也會(huì)導(dǎo)致前池液位降低，兩者均威脅SEC 泵的運(yùn)行。放開(kāi)循泵流量期間必須時(shí)刻關(guān)注PX 泵房海工狀況和前池液位，防止落潮后前池潮位低于0.2 m（水注）。

降低電功率，減小低壓缸排汽量。當(dāng)循環(huán)水泵流量沒(méi)有放開(kāi)余力后，為了防止熱功率或核功率超限，真空度大于11.8 kPa，需要降部分電功率。

3.5 對(duì)發(fā)電機(jī)的影響及應(yīng)對(duì)措施

對(duì)于發(fā)電機(jī)，閉式冷卻水冷卻的負(fù)荷包括發(fā)電機(jī)鐵芯、定子線圈和氫氣干燥器冷卻水，其中鐵芯由氫氣冷卻，發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣和定子線圈都由自動(dòng)調(diào)節(jié)閥根據(jù)自身溫度調(diào)節(jié)為恒定值，所以海水溫度對(duì)發(fā)電機(jī)鐵芯和定子線圈影響極小，對(duì)發(fā)電機(jī)影響主要是對(duì)發(fā)電機(jī)露點(diǎn)的影響。

3.5.1 海水溫度對(duì)露點(diǎn)的影響及其原因分析

發(fā)電機(jī)氫氣的露點(diǎn)為氫氣飽和情況下，氣溫下降出現(xiàn)液珠的溫度值。露點(diǎn)過(guò)高，發(fā)電機(jī)內(nèi)結(jié)露，影響發(fā)電機(jī)內(nèi)部繞組的絕緣性能，可能導(dǎo)致繞組短路或接地，露點(diǎn)過(guò)低，絕緣材料容易開(kāi)裂，影響其壽命。

由海水溫度與露點(diǎn)的關(guān)系可知，露點(diǎn)溫度隨海水溫度升高而增大，海水溫度每上漲1，導(dǎo)致露點(diǎn)溫度上漲1.1。

氫氣干燥器是利用活性氧化鋁作為干燥器清除氫氣中的水蒸氣，活性氧化鋁水分飽和后，需要進(jìn)行再生。再生分為加熱和冷卻兩個(gè)階段，加熱階段，再生風(fēng)機(jī)將氫氣吹入加熱狀態(tài)干燥劑，帶出干燥器吸附的水蒸氣，水蒸氣在冷凝器中進(jìn)行冷凝后進(jìn)入汽水分離器分離出液珠排出系統(tǒng)。當(dāng)海水溫度上漲，將導(dǎo)致閉式冷卻水溫度增加，在加熱階段，冷凝器冷卻氫氣的效率下降，水蒸氣的液珠更不容易析出并進(jìn)行汽水分離，從而影響干燥器再生效果，所以氫氣露點(diǎn)隨海水溫度上漲而增大。

3.5.2 防止發(fā)電機(jī)露點(diǎn)過(guò)高的應(yīng)對(duì)措施

（1）調(diào)整再生氣流控制閥開(kāi)度，從而優(yōu)化再生效果?？刂圃瓌t是2 h 內(nèi)讓再生塔內(nèi)部溫度和再生塔出口溫度分別到達(dá)16328和8211，如果海水溫度變化使再生塔內(nèi)部溫度和再生塔出口溫度2 h 內(nèi)無(wú)法達(dá)到目標(biāo)值，需要調(diào)整再生氣流控制閥開(kāi)度。

（2）充排氫氣。充排氫可以提高氫氣純度，即提高氫氣分壓，減小水蒸氣分壓，從而起到降低露點(diǎn)的作用。但是受制氫站制氫速率的影響，充排氫作用有限，特別是2 臺(tái)機(jī)組同時(shí)因海水溫度影響需要充排氫時(shí)。

3.6 對(duì)乏池的影響

4 研究結(jié)論

本文研究的海水溫度為取水口吸入前池的海水溫度，其影響因素眾多，如大氣溫度、潮位、洋流和天氣情況等，通過(guò)采集短期內(nèi)平穩(wěn)天氣的海水變化數(shù)據(jù)，以減小洋流變化和極端天氣的干擾。結(jié)果表明海水瞬時(shí)溫度曲線是大氣溫度曲線和潮位曲線所對(duì)應(yīng)的鏡面曲線疊加的結(jié)果，據(jù)此，可以根據(jù)氣象預(yù)報(bào)信息對(duì)短期內(nèi)的海水溫度變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。

汽輪機(jī)軸承/潤(rùn)滑油和發(fā)電機(jī)鐵芯/定子線圈/密封油的冷卻水流量均由自身冷卻水溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，海水溫度變化對(duì)其影響較小，其余研究對(duì)象溫度均隨著海水溫度升高而增大。海水溫度每升高1，主泵各軸承溫度增大范圍0.20.4，二回路泵體軸承增大范圍為0.61，油品溫度增大范圍0.60.9，凝汽器真空度增大0.6 kPa，發(fā)電機(jī)露點(diǎn)溫度增大1.1，乏池溫度增大0.8。其中，凝結(jié)水泵/主泵電機(jī)下徑向軸承、AGM 潤(rùn)滑油、凝汽器真空度和發(fā)電機(jī)露點(diǎn)溫度在極限高溫時(shí)距離報(bào)警值裕度小且隨海水溫度變化顯著。所以海水溫度升高對(duì)其威脅相對(duì)較大，其余有的研究對(duì)象雖然隨海水溫度變化更快，但是其距離報(bào)警值裕度較大，因此海水溫度升高對(duì)其威脅較小。海南核電針對(duì)海水溫度上升影響的設(shè)備，一方面在選型和設(shè)計(jì)上預(yù)留充分裕度，另一方面制定一系列應(yīng)對(duì)措施以最大程度減小相關(guān)參數(shù)隨海水溫度的變化速率，確保機(jī)組安全運(yùn)行。