秦山核電廠設(shè)備冷卻水冬季運(yùn)行方式的探討

歸東偉

摘 要

秦山核電廠在冬季運(yùn)行時(shí)存在海水溫度過(guò)低的問(wèn)題，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)因此需要調(diào)整正常運(yùn)行方式，防止過(guò)度冷卻，保證核島設(shè)備與系統(tǒng)安全。由于系統(tǒng)為三臺(tái)泵和三臺(tái)冷卻器并列向A/B/C三列支管供水的布置方式，導(dǎo)致在特定運(yùn)行方式下存在流量分布不均，甚至導(dǎo)致部分核島設(shè)備冷卻被旁路的問(wèn)題，危害設(shè)備安全。本文對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行分析與探討，并提出最優(yōu)化的運(yùn)行方式。

關(guān)鍵詞

設(shè)備冷卻水;冬季低溫;運(yùn)行方式

中圖分類號(hào)： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.046

0 引言

設(shè)備冷卻水作為海水和核島設(shè)備的中間回路，能為對(duì)安全有重要作用的構(gòu)筑物、系統(tǒng)及部件（包括主反應(yīng)堆冷卻劑主泵和余熱排出系統(tǒng)熱交換器等）提供適當(dāng)?shù)睦鋮s容量，將熱量傳遞給最終熱阱--海水。在正常運(yùn)行及事故工況時(shí)保證安全設(shè)備正常運(yùn)行。秦山核電設(shè)冷水系統(tǒng)由三臺(tái)設(shè)冷泵、三臺(tái)熱交換器、一個(gè)波動(dòng)箱以及相應(yīng)的閥門、管道及儀表組成。在設(shè)冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，設(shè)冷泵輸送設(shè)冷水，經(jīng)過(guò)設(shè)冷熱交換器的殼側(cè)，將熱量傳給管側(cè)的海水，然后再分別經(jīng)過(guò)三條母管（A、B、C），流經(jīng)所需冷卻的設(shè)備，最后返回設(shè)冷泵的入口。系統(tǒng)回路包括兩個(gè)安全設(shè)施系列A/B環(huán)路和一個(gè)公共回路C環(huán)路系統(tǒng)流程如附圖1。按照系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)，在大熱負(fù)荷情況，二臺(tái)設(shè)冷泵和二臺(tái)設(shè)冷熱交換器就足以帶走余熱排出系統(tǒng)熱交換器和各種安全設(shè)施中冷卻設(shè)備的熱量。

設(shè)備冷卻水熱交換器為核安全3級(jí)，抗震Ⅰ類設(shè)備。海水側(cè)設(shè)計(jì)溫度為進(jìn)口25℃，出口32℃。設(shè)冷水側(cè)設(shè)計(jì)進(jìn)口溫度42℃，出口30℃。[1]

1 冬季運(yùn)行方式的設(shè)置

按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一回路海水設(shè)計(jì)溫度為25℃，經(jīng)過(guò)熱交換器交換熱量后將設(shè)備冷卻水維持在設(shè)計(jì)溫度32℃。正常運(yùn)行時(shí)，根據(jù)海水溫度的變化，調(diào)整設(shè)冷熱交換器的運(yùn)行方式維持熱交換器設(shè)冷水出口溫度在20～32℃范圍內(nèi)。但在實(shí)際冬季運(yùn)行時(shí)，秦山地區(qū)海水溫度較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)低于10℃，嚴(yán)寒天氣會(huì)低于5℃，這給運(yùn)行人員調(diào)整運(yùn)行方式帶來(lái)很大壓力。

1.1 按照熱交換器傳熱原理，調(diào)整傳熱量，存在以下調(diào)整措施

1）改變熱交換本身的傳熱能力，滿足系統(tǒng)換熱量，如可變傳熱率/傳熱面對(duì)，這種方案對(duì)熱交換器設(shè)計(jì)要求較高，設(shè)備原因無(wú)法實(shí)現(xiàn);

2）增加設(shè)備冷卻水系統(tǒng)熱容量，增大所需通過(guò)傳遞給冷源的熱量，由于正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)換熱量較小且穩(wěn)定，此方案符合熱交換原理，但實(shí)際也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

3）減少通過(guò)熱交換器的設(shè)備冷卻水流量，可以調(diào)整減少設(shè)備冷卻水泵的運(yùn)行運(yùn)行數(shù)量或者減少設(shè)備冷卻水泵的出口流量，可以使設(shè)備冷卻水通過(guò)不投冷卻的熱交換器進(jìn)行旁通，也可以對(duì)熱交換器設(shè)置旁路支管進(jìn)行旁路冷卻。

4）減少通過(guò)熱交換器的海水流量，可以直接調(diào)整海水泵的出口流量，可以使海水通過(guò)不投設(shè)備冷卻水的熱交換器進(jìn)行旁通，也可以對(duì)熱交換器海水側(cè)設(shè)置旁路支管。由于秦山核電地處錢塘江入海口，海水泥沙含量較高，直接減少海水流量容易造成管路淤積堵塞，因此流量存在限制。

5）減少進(jìn)行熱交換的換熱面積，可以減少投運(yùn)的熱交換器的數(shù)量。

1.2 秦山核電的正常運(yùn)行方式

按照1.1所述調(diào)整措施，結(jié)合生產(chǎn)和設(shè)備實(shí)際，在設(shè)冷水溫度低于20℃，秦山核電正常運(yùn)行按順序可采用如下調(diào)整方式維持設(shè)冷水溫度在20℃以上。

1）減少投運(yùn)的熱交換器，保持一臺(tái)熱交換器運(yùn)行。

2）增開一臺(tái)或兩臺(tái)備用設(shè)冷熱交換器的海水出口閥，以減少冷卻熱交換器的海水流量。

3）調(diào)節(jié)運(yùn)行海水泵出口閥開度，降低海水總管流量。由于秦山核電地處錢塘江入海口，海水泥沙含量較高，直接減少海水流量容易造成管路淤積堵塞，因此流量存在限制。海水流量調(diào)整不應(yīng)低于1200m3/h。

4）如設(shè)冷水溫度仍偏低，則選定一臺(tái)熱交換器同時(shí)通設(shè)冷水和海水，用作冷卻設(shè)冷水，余下兩臺(tái)熱交換器一臺(tái)只投運(yùn)設(shè)備冷卻水，關(guān)閉其海水側(cè)出口閥，另一臺(tái)熱交換器通海水，關(guān)閉其設(shè)備冷卻水出口閥。[2]

2 冬季運(yùn)行方式下存在的問(wèn)題

按照?qǐng)D1所示系統(tǒng)流程見圖，秦山核電在實(shí)際運(yùn)行中由于三臺(tái)設(shè)備冷卻水泵和三臺(tái)熱交換器的并聯(lián)布置，導(dǎo)致在特定運(yùn)行方式下存在冷卻流量分布不均的問(wèn)題。

2.1 單臺(tái)泵與單臺(tái)冷卻器

因熱交換器的實(shí)際布置，導(dǎo)致設(shè)備冷卻水去A/B/C各支管流阻不同，造成冷卻流量不均勻，各支管冷卻溫度不同。較大的支管溫差對(duì)于設(shè)備和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)威脅。因此，需要探索出一種能夠均衡冷卻流量的運(yùn)行方式。保持一臺(tái)設(shè)備冷卻水泵和一臺(tái)海水泵運(yùn)行，進(jìn)行各種組合運(yùn)行如表1。

對(duì)于方案A，海水投運(yùn)A/C側(cè)，設(shè)冷水側(cè)投A/B。設(shè)冷水平均溫度為（18.3+30.6）/2=24.45℃設(shè)冷熱交換器A/B設(shè)冷水出口溫差為：30.6-18.3=12.3℃，設(shè)冷水升溫明顯，但兩列支管溫差大。

對(duì)于方案B，設(shè)冷熱交換器A/B/C海水側(cè)全投，設(shè)冷水側(cè)投A/B，設(shè)冷水平均溫度（15.5+16.1）/2=15.8℃設(shè)冷熱交換器A/B設(shè)冷水出口溫差為：16.1-15.5=0.6℃。設(shè)冷水升溫較小，兩列支管溫差小。

對(duì)于方案C，設(shè)冷熱交換器海水側(cè)投A/B，設(shè)冷水側(cè)投A/C。設(shè)冷水平均溫度為（17+25.8）/2=21.4℃。設(shè)冷熱交換器A/C設(shè)冷水出口溫差為：25.8-17=8.8℃。設(shè)冷水升溫明顯，兩列支管溫差較大。

對(duì)于方案D，設(shè)冷熱交換器海水側(cè)投B/C，設(shè)冷水側(cè)投A/C。設(shè)冷水平均溫度為（26.5+17.6）/2=22.05℃。設(shè)冷熱交換器A/C設(shè)冷水出口溫差為：26.5-17.6=8.9℃。設(shè)冷水升溫明顯，兩列支管溫差較大。

綜合對(duì)比四個(gè)組合運(yùn)行方式，方案A設(shè)冷水溫度提高最多，但設(shè)冷水A/B母管溫差達(dá)到12.3℃，設(shè)冷水混合不均勻。方案B設(shè)冷熱交換器A/B/C海水側(cè)全投，該工況對(duì)提高設(shè)冷水溫度幾乎無(wú)效果。方案C與方案D在溫差接近的情況下，使設(shè)冷水溫度提高最多，且設(shè)冷水A/B母管溫差相對(duì)較小。因此方案D為最優(yōu)。根據(jù)以上不同情況的數(shù)據(jù)，冬季工況為盡量提高設(shè)冷水溫度，且使設(shè)冷水A/B列溫差盡量小，應(yīng)切除運(yùn)行泵對(duì)應(yīng)設(shè)冷熱交換器的設(shè)冷水側(cè)，使設(shè)冷水經(jīng)過(guò)更多的流動(dòng)及攪混，同時(shí)投運(yùn)該熱交換器的海水側(cè)。

2.2 兩臺(tái)泵與單臺(tái)冷卻器

當(dāng)正常按照2.1所述中方案D運(yùn)行，設(shè)冷熱交換器海水側(cè)投B/C，設(shè)冷水側(cè)投A/C。此時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)設(shè)冷泵A/B和停冷泵B運(yùn)行進(jìn)行定期試驗(yàn)，可以得到如下數(shù)據(jù)，如表2。

從表2中數(shù)據(jù)中可以得知，單臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)，A.B兩列支管存在約8度的溫差。在啟動(dòng)兩臺(tái)泵運(yùn)行和B列支管大用戶停冷泵B后，支管B（停冷熱交換器B）、設(shè)冷泵B以及熱交換器B/C，和支管A/C、設(shè)冷泵B以及設(shè)冷熱交換器A之間的流阻和熱阻得到平衡，導(dǎo)致形成分裂的環(huán)流。設(shè)冷熱交換器C所在的B列支管一直在被冷卻最終溫度接近海水溫度，而A/C支管則完全失去冷卻，導(dǎo)致設(shè)冷水溫因?yàn)樵O(shè)備熱量的輸入不斷升溫。對(duì)安全設(shè)備的備用和運(yùn)行帶來(lái)潛在的風(fēng)險(xiǎn)。由此可以證明，冬季工況兩臺(tái)泵和一臺(tái)熱交換器組合運(yùn)行方式下，應(yīng)避免投入海水被旁路側(cè)熱交換器所在支管的停冷熱交換器。特別是冬季大修工況時(shí)，應(yīng)盡量避免處于此種運(yùn)行方式下，防止系統(tǒng)不可用而進(jìn)入技術(shù)規(guī)格書限制。

建議在后續(xù)變更改造中，采取現(xiàn)新建電站普遍采用的四臺(tái)冷卻泵和兩臺(tái)板式熱交換器，分為A.B兩列的系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)置方式，可以完全消除這個(gè)問(wèn)題。

3 結(jié)論

冬季海水溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致設(shè)備冷卻水溫度降低，帶來(lái)運(yùn)行負(fù)擔(dān)。本文從換熱原理分析運(yùn)行可以采取的系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整方式以確保設(shè)備冷卻水溫度在正常范圍內(nèi)。并且針對(duì)秦山核電獨(dú)特的泵和熱交換器的布置方式可能產(chǎn)生的冷卻流量分布不均勻問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行闡述。通過(guò)不同運(yùn)行方式的對(duì)比，提出了最佳運(yùn)行方式。對(duì)于后續(xù)機(jī)組變更改造存在一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1]最終安全分析報(bào)告.秦山核電有限公司，2018.

[2]設(shè)備冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程.秦山核電有限公司，2019.