AP1000核電站常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)全廠失電工況研究

胡劍平

摘 ? 要：介紹AP1000核電站常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)基本信息;重點(diǎn)分析全廠失電工況方案研究;提出該系統(tǒng)在正常運(yùn)行、全廠失電、柴油機(jī)帶載運(yùn)行、恢復(fù)供電四個步驟的控制方案;計(jì)算在不同運(yùn)行泵數(shù)量下的冷、熱水閥開度總和，以防止單臺泵運(yùn)行超流量;核算冷水閥V007在最大流量工況下不會發(fā)生汽蝕;對其他電站在全廠失電工況下的閉式水系統(tǒng)投運(yùn)方式具有較好的借鑒和參考意義。

關(guān)鍵詞：AP1000 ?核電 ?常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng) ?全廠失電

中圖分類號：TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0001-03

1 ?引言

三門核電一期工程常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)方為日本三菱重工和華東電力設(shè)計(jì)院，該系統(tǒng)向常規(guī)島設(shè)備提供冷卻水，并將導(dǎo)出的熱量傳輸至開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，并最終通過循環(huán)冷卻水系統(tǒng)將熱量排放入大海。主要設(shè)備有三臺閉式冷卻水泵和三臺板式熱交換器，正常運(yùn)行工況，為兩臺50%容量的泵并聯(lián)運(yùn)行[1]。

三菱重工的參考電站為日本泊三電廠，有兩臺閉式泵設(shè)計(jì)為柴油發(fā)電機(jī)做備用電源，然而三門核電一期工程受限于柴油發(fā)電機(jī)的容量，在全廠失電時，僅能夠啟動一臺閉式泵（C泵）提供冷卻水，本文對常規(guī)島閉式水系統(tǒng)全廠失電工況研究，通過分析計(jì)算提出防止單臺閉式泵運(yùn)行超流量，同時避免冷水閥V007發(fā)生汽蝕的控制方案，為汽輪發(fā)電機(jī)等常規(guī)島設(shè)備安全停機(jī)提供可靠保障。

2 ?方案研究

常規(guī)島閉式水系統(tǒng)在正常運(yùn)行時，為兩臺閉式冷卻水泵A和B運(yùn)行，C泵備用;當(dāng)發(fā)生全廠失電事故工況時，閉式泵A和B停運(yùn)，C泵由柴油發(fā)電機(jī)帶載啟動。為確保該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，以下通過分析計(jì)算，提出正常運(yùn)行、全廠失電、柴油機(jī)帶載運(yùn)行、恢復(fù)供電四個控制步驟。

2.1 正常運(yùn)行

在兩臺閉式泵A和B運(yùn)行，C泵備用的正常工況下，通過自動調(diào)節(jié)冷水閥V007和熱水閥V009的開度K1和K2，使閉式水出口母管的溫度TE003保持恒定在35℃。兩臺閥門的開度總和K1+K2=K，兩臺泵正常運(yùn)行時K值取1，即V007和V009開度總和為100%，如圖1所示。

2.2 全廠失電

在發(fā)生全廠失電事故工況下，閉式泵A和B全都停運(yùn)，閉式水出口母管溫度將逐漸升高并大于35℃，圖1中閉式水系統(tǒng)最大的兩個用戶：汽輪機(jī)潤滑油冷卻器和發(fā)電機(jī)氫冷卻器的溫度調(diào)節(jié)閥V020和V410將逐漸全開。所以，閉式水系統(tǒng)管路阻力將達(dá)到最小，閉式泵C在柴油發(fā)電機(jī)帶載啟動后流量將達(dá)到最大。

閉式冷卻水泵結(jié)構(gòu)為臥式離心泵，為防止電機(jī)啟動電流過大，設(shè)計(jì)要求為關(guān)閥起泵。所以，當(dāng)閉式泵全都停運(yùn)時，冷、熱水閥開度總和K值取0，即閉式泵出口的V007和V009都保持關(guān)閉，滿足后續(xù)閉式泵C在柴油發(fā)電機(jī)帶載時的關(guān)閥啟泵要求。

2.3 柴油機(jī)帶載運(yùn)行

當(dāng)發(fā)生全廠失電事故工況后，120s后柴油發(fā)電機(jī)順序帶載啟動閉式泵C。以下，分別從單臺閉式泵運(yùn)行最大流量，和冷、熱水控制閥總開度的K值計(jì)算，得出具體控制方案。

2.3.1 最大流量

根據(jù)該閉式泵的設(shè)計(jì)參數(shù)，額定運(yùn)行流量為1950m3/h，揚(yáng)程60m，效率85%，電機(jī)額定功率為450kW，為防止電機(jī)過載，閉式泵的軸功率不能超過450/1.1=410kW。由功率流量對應(yīng)關(guān)系，得出此時運(yùn)行流量為3200m3/h，揚(yáng)程37.5m，效率80%，該為閉式泵能夠穩(wěn)定運(yùn)行的最大流量工況。

2.3.2 K值計(jì)算

此時，由于閉式水母管出口溫度大于35℃，冷水閥V007將逐漸增大至開度K，熱水閥V009將逐漸減小至開度0。所以，閉式泵C的運(yùn)行流量完全由冷水閥V007的開度K來控制，該K值的計(jì)算過程如下。

根據(jù)表1設(shè)計(jì)院提供參數(shù)，當(dāng)閉式泵C在最大流量3200m3/h下運(yùn)行時，冷水閥V007進(jìn)出口壓差為ΔP=6.68-5.62=1.06bar.a。為確定冷水閥V007的開度K值，需計(jì)算流量系數(shù)Cv值，公式如下[2]。

2.4 恢復(fù)供電

當(dāng)全廠恢復(fù)供電，第二臺閉式泵啟動瞬間，閥門V007將承受最大差壓?P。為確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，需核算當(dāng)兩臺閉式泵啟動瞬間，V007在53%開度下是否會發(fā)生汽蝕。

首先，需計(jì)算兩臺泵啟動后的流量和揚(yáng)程，見圖2所示，曲線Ⅰ為熱水閥V007在開度53%下的系統(tǒng)管路特性曲線，曲線Ⅱ和Ⅲ分別為單臺泵和兩臺泵的運(yùn)行性能曲線。當(dāng)恢復(fù)供電后，第二臺閉式泵啟動，泵運(yùn)行性能由曲線Ⅱ變?yōu)榍€Ⅲ，而管路特性曲線Ⅰ保持不變，所以，工況點(diǎn)由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移至B點(diǎn)。由繪圖法得，此時B點(diǎn)兩臺閉式泵運(yùn)行的總流量為4105m3/h，揚(yáng)程為59.5m。

然后，為核算熱水閥V007在此工況下是否會發(fā)生汽蝕，在工廠設(shè)計(jì)中，通常以最大允許計(jì)算壓力降?Pmax為汽蝕的判定準(zhǔn)則。?Pmax與額定液體壓力恢復(fù)系數(shù)FL有關(guān)，而FL與閥芯形狀、閥體結(jié)構(gòu)、閥內(nèi)液流流向有關(guān)。FL值越大的閥，允許承受的壓差越大，抗汽蝕的能力也越強(qiáng)。若閥門兩端壓差?P

同樣，根據(jù)表1設(shè)計(jì)院提供參數(shù)，當(dāng)兩臺閉式泵在流量4105m3/h下運(yùn)行時，冷水閥V007進(jìn)口絕對壓力P1=8.19bar.a，進(jìn)出口壓差為ΔP=8.19-6.67=1.52bar.a。將P1代入公式（2）中計(jì)算得最大允許計(jì)算壓力降?Pmax=4.57bar.a。計(jì)算結(jié)果表明： ?P

當(dāng)兩臺閉式泵啟動后，K值恢復(fù)為1，冷、熱水閥V007和V009開度總和達(dá)到100%，閉式水系統(tǒng)再次恢復(fù)正常運(yùn)行。

3 ?結(jié)語

本文通過對冷、熱水閥總開度K值的計(jì)算：當(dāng)兩臺泵運(yùn)行時K=1;一臺泵運(yùn)行時K=0.53;所有泵都停運(yùn)時K=0，實(shí)現(xiàn)閉式水系統(tǒng)的正常運(yùn)行、全廠失電、柴油機(jī)帶載運(yùn)行、恢復(fù)供電四個控制步驟，有效防止了單臺泵運(yùn)行超流量，及控制閥發(fā)生汽蝕，保障了閉式水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)前國內(nèi)絕大多數(shù)核電站及火電站，在發(fā)生全廠失電事故工況時，閉式水系統(tǒng)均未設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)做備用電源，導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)等常規(guī)島設(shè)備在停運(yùn)過程中的余熱無法排出。特別是汽輪機(jī)軸承及發(fā)電機(jī)線圈，在墮轉(zhuǎn)過程中仍會產(chǎn)生大量余熱，存在設(shè)備過熱損壞的風(fēng)險。因此，三門核電常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)，在全廠失電工況下的單臺泵運(yùn)行模式，有效保障了機(jī)組的安全停運(yùn)，對其他電站有很好的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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