秦山核電廠30萬(wàn)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)現(xiàn)狀分析及應(yīng)對(duì)措施探討

劉家金

摘 要

循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況對(duì)核電廠的經(jīng)濟(jì)性和安全性都有著重要的影響，因此對(duì)它的研究具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。本文主要圍繞秦山核電廠30萬(wàn)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)在循環(huán)水流量調(diào)節(jié)、循環(huán)水泵控制及監(jiān)視方式以及吸水室、水葫蘆泛濫等幾個(gè)方面的問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞

經(jīng)濟(jì)性;安全性;循環(huán)水泵;流量;吸水室;水葫蘆

中圖分類(lèi)號(hào)： TK223.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.035

1 循環(huán)水系統(tǒng)概述

核電廠循環(huán)水系統(tǒng)，主要作用是為凝汽器提供冷卻用的海水，冷卻汽輪機(jī)低壓缸的排汽，是凝汽器建立真空的重要條件。同時(shí)作為熱力循環(huán)的冷源，使熱力循環(huán)得以實(shí)現(xiàn)。另外，其取水部分還為一回路海水系統(tǒng)提供水源，對(duì)核電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性都有重要影響，因此，有必要對(duì)核電廠循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行足夠的研究。

如圖1所示，本系統(tǒng)共設(shè)有六臺(tái)循環(huán)水泵（簡(jiǎn)稱(chēng)循泵），循泵為立式混流泵，電動(dòng)機(jī)功率為1600kw，流量16000m3/h，轉(zhuǎn)速495rpm，其水源為海水，供兩臺(tái)凝汽器和二回路其他設(shè)備冷卻用水。每?jī)膳_(tái)循泵分別對(duì)應(yīng)一個(gè)吸水室，每個(gè)吸水室的入口安裝了一臺(tái)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，正常情況下旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)投“自動(dòng)”運(yùn)行方式，受旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)兩側(cè)水位差信號(hào)及定時(shí)器控制，自動(dòng)啟、停，以除去海水中的雜物，保證循泵及系統(tǒng)的正常運(yùn)行。每臺(tái)循泵出口有一臺(tái)液動(dòng)蝶閥及電動(dòng)蝶閥，其中液動(dòng)蝶閥與循泵有聯(lián)鎖，隨循泵的啟、停而自動(dòng)開(kāi)、關(guān)，電動(dòng)蝶閥在備用及運(yùn)行情況下均保持全開(kāi)狀態(tài)。[1]在停止循泵時(shí)，如果循泵出口蝶閥手、自動(dòng)均不能關(guān)閉，則需要關(guān)閉電動(dòng)蝶閥，以防止循泵發(fā)生倒轉(zhuǎn)，并保證循環(huán)水系統(tǒng)足夠的壓力。

2 循環(huán)水系統(tǒng)存在的問(wèn)題分析

2.1 循環(huán)水流量調(diào)節(jié)不夠精確

循環(huán)水系統(tǒng)是核電廠一個(gè)獨(dú)立的且重要的系統(tǒng)，循泵所耗用的電能在電廠總發(fā)電量中的所占的百分比不容小覷。另外它也是改變凝汽器真空的唯一可調(diào)節(jié)參數(shù)，合理選擇循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行方式對(duì)于提高發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)性有重要意義。但目前電廠在循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)循環(huán)水流量的調(diào)節(jié)手段相當(dāng)有限，不能達(dá)到精確控制的目的。同時(shí)，循環(huán)水系統(tǒng)遠(yuǎn)未達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，造成了較大的能源浪費(fèi)。對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化，成為電廠節(jié)能降耗工作中一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的意義。[2]

在汽輪機(jī)排汽量和循環(huán)水溫一定的情況下，隨著循環(huán)水量Fw的增加，凝汽器真空升高，汽輪機(jī)增加功率輸出，但同時(shí)循泵的耗功亦隨之增多，抵消增發(fā)功率的收益，使汽輪機(jī)的增發(fā)功率△Nt與循環(huán)泵耗電量△Np之差達(dá)到最大的循環(huán)水量稱(chēng)最佳循環(huán)水量，相應(yīng)凝汽器真空稱(chēng)最佳真空（如圖2）。在這種工況下，電廠的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大。

當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷或海水溫度變化時(shí)，為了保證凝汽器真空在要求范圍內(nèi)，要求循環(huán)水量也做相應(yīng)調(diào)整，而由于海水含沙量大，為了盡可能減少泥沙沉積帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)，一般不采用節(jié)流調(diào)節(jié)，我國(guó)大部分電廠都是通過(guò)改變循泵的不同運(yùn)行方式來(lái)達(dá)到間接調(diào)節(jié)循環(huán)水流量的目的。在我廠是通過(guò)改變循泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)來(lái)滿(mǎn)足水量的要求，這種方式對(duì)于循環(huán)水流量的調(diào)節(jié)是非連續(xù)的，循環(huán)水流量與泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)有關(guān)，循環(huán)水流量是離散的，基本上無(wú)法達(dá)到最佳循環(huán)水量的工況，甚至偏離得很遠(yuǎn)。

2.2 循泵的控制及監(jiān)視存在弱項(xiàng)

秦山核電廠30萬(wàn)機(jī)組的六臺(tái)循泵安裝在49-3海水泵房，循泵的控制及部分參數(shù)監(jiān)視也設(shè)置在海水值班室，OT118大修期間，通過(guò)改造增設(shè)了DCS控制系統(tǒng)，在05#廠房主控室也增加了操縱員站。

首先是控制方式上，由于循泵沒(méi)有流量調(diào)節(jié)的功能，因此在進(jìn)行循泵切換的操作時(shí)，存在一定的難度，需要根據(jù)東海潮位的高低、運(yùn)行循泵的數(shù)量、凝汽器出口蝶閥的開(kāi)度、凝汽器的真空等多個(gè)參數(shù)綜合考慮才能得出最佳的切換方式。由于循泵的流量無(wú)法單臺(tái)調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)凝汽器出口蝶閥開(kāi)度來(lái)控制循環(huán)水系統(tǒng)壓力時(shí)，經(jīng)常需要對(duì)兩臺(tái)凝汽器的四個(gè)出口蝶閥都要進(jìn)行調(diào)節(jié)，而凝汽器的出口蝶閥是沒(méi)有數(shù)字化記錄儀的，只能在現(xiàn)場(chǎng)查看，需要在切換循泵之前記錄原來(lái)的閥門(mén)開(kāi)度，在切換循泵的操作完成之后再調(diào)節(jié)至原來(lái)的開(kāi)度。因此，在循泵的控制上，極大的依賴(lài)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，缺少必要的技術(shù)手段。

其次是監(jiān)視上，由于循泵泵軸長(zhǎng)，輸送介質(zhì)泥沙多，流量大，循泵葉輪的沖刷腐蝕發(fā)展到一定程度時(shí)，由于葉片不均勻的缺損，會(huì)影響到葉輪的動(dòng)平衡。因此，當(dāng)葉輪出現(xiàn)嚴(yán)重的沖蝕后，不僅水泵的性能和效率下降，還會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)的異常變化，而現(xiàn)在的情況是所有循泵均沒(méi)有振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)于循泵缺陷的發(fā)現(xiàn)，主要是依靠運(yùn)行人員巡檢時(shí)聽(tīng)聲音，或者維修人員定期測(cè)振的手段。一則比較依賴(lài)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，二則無(wú)法對(duì)循泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視，當(dāng)設(shè)備缺陷出現(xiàn)時(shí)，可能無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)而導(dǎo)致更為嚴(yán)重的后果。

2.3 吸水室存在的潛在問(wèn)題

2011年3月11日，由于地震及海嘯的突然襲擊，日本福島核電站沒(méi)有能夠完成其安全運(yùn)行、安全停堆、無(wú)核泄漏的核安全使命。導(dǎo)致核電行業(yè)瞬間進(jìn)入冬季，并且將核電帶入備受爭(zhēng)議的安全與否的漩渦之中，雖然事實(shí)證明核電不可或缺，漸漸出現(xiàn)復(fù)蘇的跡象，但福島事故給人類(lèi)帶來(lái)的影響將永遠(yuǎn)不會(huì)消除，同時(shí)也給各核電廠敲響了強(qiáng)烈的警鐘，核安全面前容不得半點(diǎn)疏忽。

為了提高電廠抗震、抗海嘯、嚴(yán)重事故工況下的應(yīng)對(duì)能力，30萬(wàn)機(jī)組也進(jìn)行了多項(xiàng)重大改造，如增設(shè)SBO情況下主泵軸封注水系統(tǒng)，增設(shè)替代交流電源（AAC）系統(tǒng)，增設(shè)非能動(dòng)消氫系統(tǒng)等等。但對(duì)于海嘯，核電廠的最終熱阱卻依然存在問(wèn)題。當(dāng)海嘯來(lái)臨時(shí)，海浪是一陣一陣的，過(guò)程中會(huì)有退潮的現(xiàn)象，當(dāng)海水退潮時(shí)，巨大的虹吸作用可能會(huì)把吸水室處的海水一起帶走，導(dǎo)致吸水室的瞬時(shí)潮位低于正常值，不能保證循泵的凈正吸入壓頭，影響循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2.4 水葫蘆泛濫問(wèn)題嚴(yán)重

每年的10月份開(kāi)始及以后的一段時(shí)間，海鹽縣河道內(nèi)的水葫蘆便開(kāi)始瘋狂生長(zhǎng)（如圖3所示），并且在開(kāi)閘放水時(shí)一路順流到我廠吸水室，造成旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)堵塞。曾經(jīng)就因?yàn)樗J堵塞問(wèn)題導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)剪斷銷(xiāo)斷裂及掉真空、降負(fù)荷事件，損壞設(shè)備的同時(shí)給電廠造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.5 吸水室潮位的監(jiān)視存在盲區(qū)

如前所述，我廠有六臺(tái)循泵及三個(gè)吸水室，1#/2#、3#/4#、5#/6#分別從1#、2#、3#吸水室吸水，吸水室的潮位關(guān)乎著循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，從而影響電廠的效益和安全方面的問(wèn)題。但現(xiàn)在主控室的海水潮位僅能監(jiān)視2#吸水室的潮位，沒(méi)有1#和3#吸水室的潮位。即使不考慮海嘯等自然災(zāi)害的原因，假如發(fā)生1#或3#吸水室相關(guān)水閘門(mén)脫落或類(lèi)似的故障，由于監(jiān)視系統(tǒng)呈現(xiàn)的吸水室潮位是正常的，但其實(shí)1#或3#吸水室的水泵已無(wú)法保持運(yùn)行，將極大地影響運(yùn)行人員對(duì)瞬態(tài)的正確響應(yīng)。

在大修期間，雖然通過(guò)臨時(shí)變更增設(shè)了1#和3#吸水室的潮位監(jiān)視，但也只是放置在49-3海水泵房大廳，大廳沒(méi)有人值班，依然不能達(dá)到連續(xù)監(jiān)視吸水室潮位的目的。

3 循環(huán)水系統(tǒng)相關(guān)問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施探討

3.1 建議改造循泵組

在無(wú)法做到循環(huán)水流量連續(xù)調(diào)節(jié)的情況下，如果能盡量減少各離散流量值之間的差值，則在一定程度上提高了調(diào)節(jié)精度，使循環(huán)水流量可以更加接近最佳循環(huán)水量。而雙速電機(jī)就可以達(dá)到這樣的目的，泵的流量與泵的轉(zhuǎn)速有一定的正比關(guān)系，當(dāng)泵在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，流量就大，低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，流量就較小，同樣一臺(tái)泵在不同的轉(zhuǎn)速下就可以有不同的流量輸出，這樣就更容易滿(mǎn)足系統(tǒng)不同工況對(duì)流量的不同需求，達(dá)到循環(huán)水流量更加精確調(diào)節(jié)的目的。在進(jìn)行循泵切換時(shí)，必要時(shí)只需改變單臺(tái)循泵的運(yùn)行方式（高速或低速），就可以滿(mǎn)足切換的前提條件。

另一方面，循泵采用雙速電機(jī)后，也可以起到減少循泵臺(tái)數(shù)的作用?，F(xiàn)在30萬(wàn)機(jī)組總共有六臺(tái)循泵，而且由于部分循泵可靠性較差，長(zhǎng)期有循泵處于檢修狀態(tài)。即使正常情況下，對(duì)六臺(tái)循泵的預(yù)維工作也是常有的，有時(shí)一臺(tái)循泵的預(yù)維工期就長(zhǎng)達(dá)一兩個(gè)月，大大增加工作負(fù)擔(dān)。尤其是在夏天，需要四臺(tái)循泵運(yùn)行，如果有一臺(tái)循泵處于檢修狀態(tài)，則只有一臺(tái)備用循泵，一旦某一臺(tái)循泵出現(xiàn)故障，則就沒(méi)有備用循泵，存在很大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。由此看來(lái)，如果能選擇可靠性更高、流量更大的雙速電機(jī)，保證流量調(diào)節(jié)精度的同時(shí)還能大大減少工作負(fù)擔(dān)。另外，從電廠經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，采用改變泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)來(lái)改變循環(huán)水流量的方式，將使循泵不能長(zhǎng)期運(yùn)行在高效區(qū)，偏離運(yùn)行工況，降低運(yùn)行效率。以下列數(shù)據(jù)為例，30萬(wàn)機(jī)組循泵額定功率1600kW，年化日均運(yùn)行3.5臺(tái)循泵（夏季4臺(tái)，冬季3臺(tái)），循泵總的額定功率約為1600*3.5=5600kW，占機(jī)組額定電功率百分比為：5600/ 300000*100%=1.87%。以中核運(yùn)行二廠65萬(wàn)千瓦機(jī)組作為比較，循泵采用高/低速電機(jī)運(yùn)行的平均額定功率4000kW，日均運(yùn)行2臺(tái)循泵，總額定功率約為4000*2=8000kW，占機(jī)組額定電功率百分比為：8000/650000*100%=1.23%。還有，長(zhǎng)期使泵運(yùn)行在非高效區(qū)，還將影響泵的壽命，由此可以看出，采用高效的雙速循泵能夠降低電廠運(yùn)行成本，提高電廠經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 循泵控制及監(jiān)視建議

在任何情況下，只要具備條件，主控室都是事故情況下的最佳響應(yīng)場(chǎng)所，它是絕大多數(shù)重要設(shè)備及參數(shù)的集控中心，能夠最快地對(duì)大多數(shù)事故作出初步判斷。

關(guān)于循泵的振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)連續(xù)的振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，特別是水泵轉(zhuǎn)軸振動(dòng)值的趨勢(shì)跟蹤，可以分析和評(píng)價(jià)水泵葉輪磨損的影響，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，避免設(shè)備損壞故障的發(fā)生。如果出現(xiàn)振動(dòng)大且大到不宜保持運(yùn)行的情況而沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，那么可能的后果就是循泵損壞及凝汽器掉真空，導(dǎo)致降負(fù)荷甚至停機(jī)停堆，所以建議六臺(tái)循泵均增加振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.3 吸水室外建圍堰的建議

對(duì)于海嘯可能導(dǎo)致吸水室斷水的情況，可以考慮在吸水室外修建一定高度的圍堰，將吸水室圍住，這樣即使在海嘯退潮時(shí)，圍堰內(nèi)的水也不會(huì)被帶走，起到防虹吸的作用，圍堰要有足夠的高度以保證海嘯退潮時(shí)圍堰內(nèi)有充足的水，但圍堰高度又必須低于日常的最低潮位，保證日常情況下吸水室能夠被海水淹沒(méi)。

3.4 水葫蘆治理建議

本人認(rèn)為解決水葫蘆泛濫問(wèn)題可以從三方面入手。

（1）首先是技術(shù)手段，從根本上解決這個(gè)問(wèn)題，采用生物或藥物防治，在相應(yīng)的季節(jié)，定期或持續(xù)向排水渠里引進(jìn)水葫蘆的天敵或向河里加入抑制水葫蘆生長(zhǎng)的藥物，徹底解決水葫蘆問(wèn)題，但見(jiàn)效周期較長(zhǎng)。

（2）其次是人工手段，在開(kāi)閘前對(duì)河道內(nèi)的水葫蘆進(jìn)行徹底打撈，防止水葫蘆進(jìn)入杭州灣，從而解決水葫蘆問(wèn)題，但不適用于大面積的水葫蘆，否則勞動(dòng)力投入過(guò)大。此方法也可以與第（1）條相結(jié)合，共同防治水葫蘆。

（3）最后是管理手段，在海鹽縣開(kāi)閘放水前，通知我廠海水值班室，提前啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，加強(qiáng)取水口巡檢，做好預(yù)防措施，防止旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)被嚴(yán)重堵塞。

另外，在水葫蘆迅速生長(zhǎng)這段時(shí)間內(nèi)，因即將進(jìn)入冬季，為維持凝汽器真空只需保持三臺(tái)循泵運(yùn)行，此時(shí)應(yīng)盡量避免同一個(gè)吸水室有兩臺(tái)循泵運(yùn)行。否則兩臺(tái)循泵同時(shí)運(yùn)行導(dǎo)致的高液位差加上水葫蘆的影響，很可能造成旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的嚴(yán)重堵塞，引起循泵吸水不暢的問(wèn)題，影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3.5 建議在主控室增加1#、3#吸水室潮位數(shù)據(jù)

針對(duì)現(xiàn)在吸水室潮位監(jiān)視所存在的問(wèn)題，假如1#或3#吸水室出現(xiàn)故障，而2#吸水室的水位正常的時(shí)候，那么主控監(jiān)視的海水潮位就起不到警示的作用，出現(xiàn)異常時(shí)也不利于故障的定位，因此建議在05#廠房主控室增加1#及3#吸水室的潮位數(shù)據(jù)。

4 綜述

本文圍繞循環(huán)水系統(tǒng)，著重討論了30萬(wàn)機(jī)組在循環(huán)水流量調(diào)節(jié)、循泵切換操作、吸水室潮位監(jiān)視及水葫蘆泛濫等幾個(gè)方面存在的問(wèn)題，分別提出了不同的應(yīng)對(duì)措施。整體來(lái)講，這些建議的落實(shí)能夠有效降低電廠發(fā)生事故的概率，增強(qiáng)事故狀況下的響應(yīng)能力以及提高電廠的經(jīng)濟(jì)性和安全性。另外需要說(shuō)明的是，循環(huán)水系統(tǒng)作為核電廠中一個(gè)必不可少的重要系統(tǒng)，我廠30萬(wàn)機(jī)組存在的這些問(wèn)題存在一定的共性，因此文中所給出的建議也具有同樣的普適性。

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