寒冷地區(qū)核電廠重要廠用水系統設計研究

李廣勝，曾建麗，楊 廷，胡 劍，彭 躍

(中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518000)

重要廠用水系統(ESWS)的主要功能是冷卻設備冷卻水系統(CCWS)換熱器，將CCWS收集的堆芯和乏燃料水池余熱排出到最終熱阱中。為了保障核電廠安全、可靠運行，國內外多種堆型的核電機組均對CCWS供水溫度提出了限制要求。以國內常見的核電廠機型M310為例，依據RCC-P 2.3.6.3.9(1991年和1995年修訂版)要求，失水事故工況下應保證CCWS供水溫度不超過45 ℃，其他情況下不超過35℃；部分核電廠主泵要求軸封冷卻水的供水瞬態(tài)溫度不低于10 ℃，核島冷凍水系統要求設備冷卻水供水溫度不低于15 ℃。

我國南方廠址核電廠ESWS常采用直流式。但在北方寒冷地區(qū)，公開水域水溫明顯偏低，采取直流式冷卻可能導致CCWS供水溫度遠低于限值，甚至出現結冰。

以我國北方寒冷地區(qū)某濱海核電站A為例，比較多種寒冷地區(qū)核電廠ESWS設計方案，分析其優(yōu)缺點，以期為待建核電廠提供設計參考。

1 設計條件

濱海核電站A的CCWS有6個典型工況，對應的最大熱負荷和CCWS供水溫度要求如表1所示：

表1 核電站A的CCWS典型工況參數

我國北方寒冷地區(qū)濱海核電站A以海水作為ESWS的工質，每年海水溫度低于0 ℃的時間持續(xù)大約2～3個月，與ESWS相關的主要廠址參數如表2所示：

表2 核電站A的ESWS主要廠址參數

2 參考設計方案

2.1 國外類似機組方案

研究人員調研了與核電站A相似的三座國外核電站，分別是俄羅斯KOLA核電站、加拿大Gentilly核電站和芬蘭Olkiluoto核電站。

(1)KOLA核電站方案

KOLA核電站位于俄羅斯摩爾庫斯科州，技術方案為VVER，海域的最低取水溫度為0.2℃，設計CCWS最低溫度為5℃。冬季運行時，采用ESWS系統出口熱水回流的方式提高泵站取水溫度。每個機組各有一條熱水回流管線，管線上設手動調節(jié)閥，如圖1所示。

圖1 KOLA核電站ESWS示意圖

(2)Gentilly核電站

Gentilly核電站位于加拿大Trois-Rivières市，坐落在St. Lawrence River北岸，技術方案為CANDU。ESWS從St. Lawrence River取水，河水水溫在1～26 ℃，每個機組配有4臺泵，冬季運行2臺，夏季運行4臺(見圖2)，從而實現將CCWS水溫控制在7～29 ℃運行。

圖2 Gentilly核電站ESWS示意圖

(3)Olkiluoto核電站

Olkiluoto核電站位于芬蘭境內，1、2號機組技術方案為西屋公司的沸水堆，3號機組技術方案為EPR(在建)。該廠址海水溫度在-0.37～23 ℃，最高達到過25 ℃。Olkiluoto 1、2號機組配置熱水回流泵，冬季通過投運回流泵將熱水從排出井回流到取水口，如圖3所示。當冬季海水溫度低于2 ℃時，必須長期運行熱水回流泵。

圖3 Olkiluoto核電站ESWS示意圖

根據以上的調研情況分析，國外解決寒冷地區(qū)CCWS供水溫度的主要方法是ESWS采用熱水回流和降低CCWS溫度下限。

核電站A在設計進度上不允許再調整CCWS水溫，也沒有條件實施開放式熱水回流，因此設計人員研究了其他設計方案。

2.2 管路旁流方案

管路旁流方案流程如圖4所示，其主要內容是為ESWS增加冬季管線“串聯支路”和“并聯支路”(見圖4虛線部分)，冬季關閉主管路，部分流體經“串聯支路”進入換熱器ESWS側進行冷卻，另一部分流體經“并聯支路”不通過換熱器即直接排出系統。

圖4 管路旁流方案流程簡圖

“串聯支路”“并聯支路”和主管路上安裝電動截止閥，用于控制管路投運和隔離；“串聯支路”“并聯支路”和主管路上安裝電動調節(jié)閥組，用于調節(jié)冬季各管路之間流量分配。電動閥門按檔位置于不同狀態(tài)。換熱器CCWS側溫度用于控制檔位變化。電動調節(jié)閥組的組態(tài)由CCWS水溫來控制，當水溫高于30 ℃時增加通過換熱器的冷水流量；當水溫低于20 ℃時降低通過換熱器的冷水流量。

管路旁流方案已經在濱海核電站A的1、2號機組投入工程實施。設計分析和運行經驗反饋得出，管路旁流方案的主要優(yōu)點是工程實體影響范圍小，只需要在換熱器附近增加管路和閥門以及配備相應的控制系統。

設計分析和運行經驗反饋得出，管路旁流方案的主要缺點是：

(1)占用控制資源過多

ESWS系統通常構成簡單，需要的控制資源很少。采用管路旁流方案增加了數量眾多的能動設備，消耗了大量核級控制資源。

(2)能動設備多，操作復雜

管路旁流方案增加了22臺電動閥門(每個機組)以及一系列運行操作，包括：冬季啟動ESWS時，操縱員必須立即啟動相應系列的CCWS，停運CCWS時必須立即停運相應系列的ESWS；對備用系列進行定期沖洗；運行系列和備用系列切換時，需要手動設置電動閥門檔位。

(3)潛在風險

1)盡管ESWS可以將通過換熱器的海水流量降低到50 m3/h，但在冬季如果沒有熱負荷，CCWS水溫仍然會持續(xù)降低。因此要求操縱員必須密切關注，以防止換熱器結冰；

2)新增管道在系統中形成了低流速區(qū)域，可能會造成較多的局部沉積；

3)海水沖蝕可能會引起調節(jié)閥頻繁更換。

2.3 管路回流方案

管路回流方案流程如圖5所示，增加冬季管線“回流支路”和“旁流支路”，冬季部分流體經“回流支路”回到泵前以提高換熱器入口溫度，另一部分流體經“旁流支路”排出系統，“回流支路”和“旁流支路”均分別由多個支路組成，每個支路上均設有隔離閥；在一定條件下關閉主管路出口以提高回流流量。

圖5 管路回流方案流程簡圖

不同支路隔離閥的組態(tài)由CCWS水溫來控制，當水溫高于30℃時降低回流流量、提高排出流量；當水溫低于20℃時提高回流流量、降低排出流量。

管路回流方案已經在濱海核電站A的3、4號機組投入工程實施。相比于管路旁流方案，管路回流方案同樣只需要在換熱器附近增加管路和閥門以及配備相應的控制系統，其主要優(yōu)點是：

(1)占用控制資源相對少

相比于管路旁流方案，管路回流方案的能動設備數量較少，需要的核級控制資源相應地減少了大約50%。

(2)操作簡化

ESWS采用最小進水流量方式啟動，回流流量占總流量1%～2%，因此冬季啟動ESWS時給運行人員的操作時間很充裕；備用系列不需要定期沖洗。

(3)潛在風險降低

1)不存在凍結風險；

2)沒有低流速區(qū)域，局部沉積可能性很??；

3)調節(jié)閥不參與核安全相關功能，并且數量減少到2個(每臺機組)，設備檢修頻率降低。

管路回流方案的主要缺點是：

(1)不溶氣體析出的負面影響增大

CPR機組的ESWS出口管道最高點標高比排水井液面標高大約高6 m，當系統停運時，會由于負壓造成空氣從海水中析出。此問題在CPR1000機組中普遍存在，但對于沒有回流方案的機組，析出的空氣會在下次啟動ESWS時直接被沖走，對系統運行沒有影響。管路回流方案則會將大部分析出的氣體帶回到泵入口。由于核電站A所在海域冬季海水溫度與廠房內氣溫相差很大，因此析出的氣體量也較大，這些氣體回到泵前管道，并被吸入泵腔，嚴重時可能引起泵空轉、無法啟動。在機組調試期間發(fā)現這一問題之后，鑒于氣體析出和聚集是一個緩慢的過程，增加了備用系列排氣運行的操作，以便在積氣量較小時即將其排出系統。

(2)瞬態(tài)低溫

雖然具有回流管道，但管路回流方案仍然是一個開路系統，啟動時會有外部的冷海水涌入，使得CCWS溫度會在短時間內驟然降低，然后再回升。通過分析發(fā)現，最不利的條件下，CCWS水溫可能會短時間地低于5℃。

2.4 水池循環(huán)方案

水池循環(huán)方案流程如圖6所示，在ESWS取水口增加循環(huán)水池，增加冬季管線“回流支路”和“旁流支路”，并將“回流支路”的出口接到循環(huán)水池。與管路回流方案相似地，冬季部分流體經“回流支路”回到泵前以提高換熱器入口溫度，另一部分流體經“旁流支路”排出系統，“回流支路”和“旁流支路”均分別由多個支路組成，每個支路上均設有隔離閥；在一定條件下關閉主管路出口以提高回流流量。

圖6 水池循環(huán)方案流程簡圖

按核電站A的現有工程條件，循環(huán)水池只能在緊鄰ESWS泵房的狹小區(qū)間內選擇施工空間。初步篩選之后確定了該水池為一個長約3.2 m，寬約2.2 m，深約20 m的狹窄空間。兩個系列的循環(huán)水池相互連通，并且與ESWS泵房前池連通。

水池循環(huán)方案的主要優(yōu)點是：

1)不溶氣體在回流過程中通過循環(huán)水池排放到大氣中，不會對ESWS泵啟動造成影響;

2)緩解了瞬態(tài)低溫問題。通過仿真計算發(fā)現，CCWS水溫最低也不會低于10 ℃;

3)管路系統更加簡單。通過仿真計算發(fā)現，如果“回流支路”和“旁流支路”完全按2.3節(jié)管路回流方案設計，則不需要使用調節(jié)閥；如果使用調節(jié)閥，則可以取消“回流支路”和“旁流支路”中的部分管路。

水池循環(huán)方案的主要缺點是：

1)循環(huán)水池內的效能和侵蝕問題?；亓鞴艿肋M入循環(huán)水池時，管內流速可能達到6～7 m/s，然后再折向下進入水池中。在狹窄空間內對這股高速水流的消能很難實現，長期運行后很難避免對構筑物的沖蝕作用。

2)循環(huán)水池內的維修保養(yǎng)。由于循環(huán)水池內部空間狹小，長期使用海水的管道和池內維修保養(yǎng)會非常困難。再加上機組對ESWS系統的可用率要求非常高，過長的維修保養(yǎng)時間對機組的安全性和經濟性不利。

2.5 三種方案的對比

綜上所述，管路旁流方案、管路回流方案和水池循環(huán)方案的優(yōu)缺點對比概要如表3所示：

表3 三種設計方案優(yōu)缺點對比

由表3可見，從安全性和系統運行的穩(wěn)定性角度來看，水池循環(huán)方案最優(yōu)，管路回流方案次之，管路旁流方案最差；從投資經濟性角度來看，管路回流方案最優(yōu)，水池循環(huán)方案和管路旁流方案次之。但如果從系統運行穩(wěn)定性對機組可用率的角度展開評價，可能會得出不同的結論。

3 討論與分析

3.1 兩大路線的優(yōu)劣比較

所謂兩大路線，一是調研發(fā)現的國外機組，以優(yōu)先熱水回流、降低CCWS等ESWS管網之外為主的路線，稱之為“外部路線”；二是第2.2節(jié)～第2.4節(jié)所述，以ESWS內部管網改造為主的路線，稱之為“內部路線”。

外部路線的主要優(yōu)點是整體方案結構簡化。ESWS從公開水域取水，水質條件復雜，即便不考慮低溫問題，也需要面對高鹽度、高含氧量、高含氯量、攜帶固體顆粒、水生物繁殖等因素的多重影響[1]。因此ESWS系統設計的基本原則之一是盡可能簡化系統構成，以降低機組壽期內可能出現的各種長期問題。外部路線要求降低CCWS設計溫度下限，顯然對一系列CCWS用戶設計提出了更高的要求，這些用戶主要包括：一回路冷卻劑主泵、低壓安全注入泵、高壓安全注入泵、安全殼噴淋泵、核島冷凍水冷卻器等。

內部路線的主要優(yōu)點是工程影響范圍小，改造設計的主要實體都限制在ESWS管網之內。設備損耗的問題，可以通過增加運行期間的檢查和定期試驗來消除其不利影響。對于上游用戶設計非常困難的機組，尤其是關鍵設備設計、制造水平能力不足的核電廠，內部路線不失為一種折中的選擇。

但從長遠來看，ESWS可能會遭遇的外部條件非常復雜，比如低溫運行期間爆發(fā)水生物災害。這些外部條件可能最終導致嚴重的后果，例如2009年12月，法國東南部內陸的Cruas核電站4號機組由于大量藻類涌入導致完全喪失熱阱，如圖7所示[2]。過于復雜的ESWS結構不利于對抗外部災害。

圖7 Cruas核電站4號機組涌入的水藻

因此在有條件的核電站，應當盡可能選擇外部路線。

3.2 ESWS取水設計的重要性

第2.1節(jié)的三個案例中，以海水為水源的KOLA核電站和Olkiluoto核電站都采用了熱水回流，而以河水為水源的Gentilly核電站則沒有采用熱水回流。其根本原因是海水溫度可能會低于0℃，在特殊的極端條件下可能會造成CCWS局部結冰，而淡水溫度不會低于0℃。熱水回流最主要的作用是將水源溫度提升到0℃以上，從根本上解除CCWS凍結的可能性。

熱水回流實質上形成了循環(huán)取水。核電廠中除了ESWS之外，使用公開水域水的系統還有循環(huán)冷卻水(TCCS)等系統。TCCS流量遠高于ESWS，因此熱水回流設計需要考慮TCCS流量的影響。對此，可以采用TCCS回流或ESWS設立獨立泵站、獨立水源來解決。如果ESWS設立獨立水源，還需要考慮獨立水源可靠性的問題，合理設計其容量問題。

3.3 ESWS/CCWS內部設計優(yōu)化

前文已述，ESWS水質復雜，在解決CCWS結冰問題的基礎上，將復雜管網改到CCWS實施比在ESWS實施更穩(wěn)妥。由于CCWS自身是一個龐大的復雜管網，水質遠好于ESWS。將復雜管網移到CCWS只需要集中解決流量分配問題即可，例如將旁路管網移到CCWS側。

ESWS調節(jié)閥選型考慮的影響因素必須包含長壽期條件下的公開水域水質，因此通常選取結構相對簡單的閥門類型，如蝶閥；而在CCWS側則可以選擇球閥等結構相對更復雜的閥門類型，其調節(jié)性能更優(yōu)于蝶閥。

因此，在內部路線選擇時，在其他資源(特別是控制資源)需求相當的前提下，盡可能將復雜管網設置在CCWS，將更有利于保持系統運行的可靠性。尤其是在那些自然水域水質比較惡劣的核電廠址。

4 結論

綜上所述，得出以下結論：

1)寒冷地區(qū)核電廠ESWS設計有多種選擇，大體上可以分為外部路線和內部路線，總體上外部路線優(yōu)于內部路線；

2)無論何種方案，利用外部路線實現水源溫度高于0℃會極大地有利于系統設計；

3)內部路線中，將復雜管網設置在CCWS的選擇優(yōu)于ESWS。