溫排水效應(yīng)對秦山核電廠1號機(jī)組的影響及應(yīng)對措施

陳 望

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

溫排水是指大量排入自然水體的，溫度高于自然水體水溫的水。海水作為電廠的最終熱阱，承擔(dān)著導(dǎo)出電廠余熱的功能。秦山核電基地9臺機(jī)組(秦一廠1臺機(jī)組、秦二廠4臺機(jī)組、秦三廠2臺機(jī)組和方家山核電廠2臺機(jī)組)的絕大部分余熱均由海水冷卻并排入杭州灣。由于杭州灣海水潮流以及電廠取、排水口位置等因素所致，隨著方家山核電廠1號、2號機(jī)組于2015年先后投產(chǎn)，兩臺機(jī)組產(chǎn)生的溫排水造成秦一廠機(jī)組的海水入口溫度隨著潮位變化發(fā)生較大波動，在夏季期間機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)隨之波動并可能超限，因此被迫頻繁調(diào)整出力，既影響了經(jīng)濟(jì)性，也造成了較大的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。通過對比方家山機(jī)組投產(chǎn)前后本機(jī)組海水入口溫度的變化，分析評估溫排水效應(yīng)的成因以及對電站設(shè)計(jì)、事故分析及運(yùn)行的影響，秦一廠采取了積極的措施，有效緩解了溫排水效應(yīng)產(chǎn)生的影響。

1 溫排水效應(yīng)對秦一廠機(jī)組的影響

溫排水效應(yīng)對于秦一廠機(jī)組的影響，具體表現(xiàn)為在每日漲潮階段，當(dāng)潮位上漲至特定區(qū)間時(shí)(秦山地區(qū)潮位的高度區(qū)間約為海拔2～10 m，單次漲、落潮的周期約為12 h。溫排水效應(yīng)一般出現(xiàn)在4.5～7 m的潮位區(qū)間)，機(jī)組的海水入口溫度會出現(xiàn)大幅突升，幅度最大可達(dá)6～7 ℃(夏季高溫時(shí)期)，并隨著潮位的繼續(xù)上漲逐漸回落至正常值。每次波動的持續(xù)時(shí)間約為2 h。在落潮階段則不存在明顯的類似效應(yīng)。

以2019年8月3日出現(xiàn)的有記錄以來的最大波動為例，海水入口溫度由31.1 ℃上漲至38 ℃。受影響的相關(guān)參數(shù)(發(fā)電機(jī)功率、核功率、凝汽器真空和海水溫度等)隨潮位波動的變化趨勢見圖1，具體數(shù)值見表1。

圖1 受溫排水效應(yīng)影響的相關(guān)參數(shù)的波動情況Fig.1 Fluctuation of related parameters affected by warm water discharge effect

表1 受溫排水效應(yīng)影響的相關(guān)參數(shù)的變化情況Table 1 Variation of related parameters influenced by warm water discharge effect

1.1 機(jī)組被迫頻繁調(diào)整出力，影響電廠經(jīng)濟(jì)性，并增加運(yùn)行負(fù)擔(dān)

夏季工況下，秦一廠機(jī)組的核功率接近985 MWt的限值。溫排水效應(yīng)帶來的海水溫度突升，會造成凝汽器真空降低(下降幅度接近20 mmHg)，機(jī)組熱效率下降。為維持機(jī)組出力，汽輪機(jī)調(diào)門和主蒸汽流量隨之增大，導(dǎo)致一回路平均溫度下降。為維持平均溫度，反應(yīng)堆核功率會隨之上漲(幅度可達(dá)2%～3%核功率，約20～30 MW)。為確保反應(yīng)堆不超功率運(yùn)行，主控操縱員需提前調(diào)硼，并及時(shí)降低機(jī)組出力(最大幅度約3.5%電功率)，以維持一、二回路平衡，待溫排水效應(yīng)過后再重新提升機(jī)組出力。如響應(yīng)不及時(shí)，反應(yīng)堆控制棒會頻繁自動動作，并可能發(fā)生因蒸汽流量突增導(dǎo)致汽輪機(jī)調(diào)門開度超過調(diào)門參考的限值，DEH控制系統(tǒng)出系。

當(dāng)溫排水效應(yīng)過后，如升負(fù)荷不及時(shí)，同樣會因海水溫度下降，凝汽器真空上升，汽輪機(jī)效率提升，蒸汽流量下降，導(dǎo)致一回路平均溫度升高，控制棒動作。溫排水效應(yīng)所導(dǎo)致的機(jī)組頻繁的變負(fù)荷(隨著潮位變化，每天至少2次)，既造成了電量損失，影響了經(jīng)濟(jì)性，也給操縱員實(shí)現(xiàn)對電廠狀態(tài)的精確控制帶來了較大運(yùn)行負(fù)擔(dān)。2016年夏季工況下秦一廠機(jī)組每日出力變動記錄見圖2(摘錄)。

圖2 夏季工況下秦一廠機(jī)組每日出力變動記錄Fig.2 Daily output change record of QS No.1 Power Plant under summer condition

1.2 一回路海水入口溫度接近技術(shù)規(guī)格書規(guī)定的運(yùn)行限制條件

秦一廠原技術(shù)規(guī)格書規(guī)定，在機(jī)組運(yùn)行階段(4B及以上運(yùn)行模式)最終熱阱水溫限制為32.8 ℃(具體見圖3)。夏季工況時(shí)，雖然海水平均水溫未突破限值，但在氣溫和海水溫度最高的時(shí)期，由于受到溫排水效應(yīng)的影響，海水入口水溫峰值已經(jīng)高于32.8 ℃。一回路海水相關(guān)用戶(設(shè)冷水系統(tǒng))溫度上升，對核島相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行帶來不利的影響。

圖3 秦一廠原技術(shù)規(guī)格書規(guī)定的最終熱阱運(yùn)行限制條件Fig.3 Limiting conditions of final heat sink operation specified in the original T.S of QS I Power Plant

1.3 部分系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行溫度超過規(guī)定限值

常規(guī)島諸多系統(tǒng)的冷源同樣是海水。溫排水效應(yīng)對汽輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)水冷系統(tǒng)、工業(yè)水系統(tǒng)、主給水泵油系統(tǒng)的運(yùn)行均帶來較大影響。以潤滑油系統(tǒng)為例，因溫排水效應(yīng)，加之潤滑油冷卻器因設(shè)備老化、管側(cè)結(jié)垢等因素導(dǎo)致冷卻能力下降，2015—2017年夏季，潤滑油油溫峰值都達(dá)到了46 ℃(超出汽輪機(jī)運(yùn)行說明書要求的42 ℃的油溫上限)。相應(yīng)的是，在C16循環(huán)中汽輪機(jī)2號軸承回油溫度高達(dá)81 ℃(報(bào)警值為77 ℃，達(dá)到82 ℃時(shí)需手動停機(jī))。在C17循環(huán)中3號軸承也出現(xiàn)回油溫度高的現(xiàn)象。潤滑油溫度的升高，會造成汽輪機(jī)軸承系統(tǒng)的潤滑油膜變薄，冷卻能力下降。與此同時(shí)，工業(yè)水水溫、主給水泵潤滑油油溫、發(fā)電機(jī)線圈溫度、發(fā)電機(jī)定子鐵芯溫度、發(fā)電機(jī)空冷器進(jìn)風(fēng)溫度、發(fā)電機(jī)勵(lì)側(cè)風(fēng)溫等，也頻頻超出報(bào)警值，影響了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 溫排水效應(yīng)成因分析

2.1 設(shè)計(jì)排水溫升

秦山核電基地9臺機(jī)組相繼投產(chǎn)，9臺機(jī)組的絕大部分余熱均由海水冷卻并排入杭州灣，會造成秦山地區(qū)海水平均溫度的上升。根據(jù)2006年《秦山核電廠擴(kuò)建工程溫排水、低放廢水排放數(shù)值模擬計(jì)算和物理模型試驗(yàn)專題報(bào)告》的結(jié)論，秦山地區(qū)機(jī)組排水溫升為10 ℃(見表2)。由于海水的稀釋擴(kuò)散效應(yīng)，溫排水在排入杭州灣后會被攪勻、冷卻。根據(jù)秦山核電基地環(huán)評報(bào)告和遙感測量的結(jié)果顯示，其溫排水效應(yīng)滿足國家《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》GB3097—1997要求。

表2 秦山核電基地各機(jī)組取排水流量及排水溫升Table 2 Water intake and drainage flow and temperature rise of each unit in Qinshan nuclear power base

根據(jù)2001年由中國水利水電科學(xué)研究院對秦山各期核電工程溫排水的稀釋擴(kuò)散進(jìn)行的物模試驗(yàn)和數(shù)模計(jì)算的結(jié)果表明：相對于基準(zhǔn)海水溫度，在秦山核電廠、秦二廠和秦三廠7臺機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，對秦一廠取水口的影響平均溫升值變化為0.7 ℃，最高溫升不超過1.1 ℃。根據(jù)《秦山核電廠擴(kuò)建項(xiàng)目(方家山核電工程)溫排水?dāng)?shù)模計(jì)算和分析》的描述：方家山新增的2臺機(jī)組對秦一廠取水口的影響平均溫升約在1 ℃。綜上所述，秦山核電9臺機(jī)組的溫排水，對秦一廠取水溫度的影響為約上升2 ℃。

2.2 秦山核電基地各機(jī)組取、排水口分布及潮流的影響

杭州灣為世界聞名的強(qiáng)潮海灣。秦山附近海域潮流屬于非正規(guī)半日淺海潮流，運(yùn)動形式以往復(fù)流為主，流向基本上與岸線走向一致，實(shí)測最大漲潮流速1.1 m/s，最大落潮流速0.68 m/s，漲潮歷時(shí)略大于落潮歷時(shí)。秦山核電9臺機(jī)組的取排水口如圖4所示?？紤]到方家山機(jī)組取水口位置及潮位漲落時(shí)的流向，方家山機(jī)組循環(huán)冷卻水的排放加大了秦山地區(qū)熱擴(kuò)散的壓力，在漲潮階段對秦一、二、三廠的海水溫度產(chǎn)生干涉效應(yīng)。因秦一廠取水口相對更靠近方家山的排水口，受影響更加明顯。

圖4 秦山地區(qū)取排水口分布Fig.4 Distribution of water intake and drainage outlets in Qinshan

從方家山機(jī)組投產(chǎn)前后的2014年、2015年7月海水溫度、潮位、機(jī)組出力等信息的對比(見圖5、圖6)，結(jié)合秦山地區(qū)取排水口的分布與漲落潮信息，可以看出，在方家山機(jī)組投運(yùn)前，在潮位升高過程中，秦一、二、三廠海水溫度并無明顯上升，沒有出現(xiàn)溫度尖峰。方家山機(jī)組投產(chǎn)后，秦二、三廠機(jī)組海水溫度變動幅度相對平穩(wěn)，給秦一廠機(jī)組帶來的影響更為顯著。在潮位上漲過程中，方家山、秦一廠機(jī)組海水入口溫度會顯著上升，甚至出現(xiàn)溫度尖峰。

圖5 2014年7月30日海水溫度與潮位分布示意圖Fig.5 Distribution of seawater temperature and tide level on July 30,2014

圖6 2015年7月18日海水溫度與潮位分布示意圖Fig.6 Distribution of sea water temperature and tide level on July 18,2015

2.3 其他因素

除溫排水效應(yīng)之外，因全球氣候變暖、人類活動增加同樣導(dǎo)致海水基準(zhǔn)溫度的上升。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的統(tǒng)計(jì)，1951—2012年，全球平均地表溫度的升溫速率為0.12 ℃/10年。另根據(jù)在1960—1999年8個(gè)海洋站的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，我國東海沿岸海水表層溫度上升速率為0.09 ℃/10年。綜上數(shù)據(jù)，相對電廠溫排水效應(yīng)，本因素對機(jī)組運(yùn)行的影響基本可以忽略。

3 電廠應(yīng)對溫排水的措施

除了從加強(qiáng)電廠運(yùn)行管理的方面入手，在夏季工況期間加強(qiáng)對設(shè)冷水、發(fā)電機(jī)水冷、潤滑油等系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的巡檢，嚴(yán)密監(jiān)視相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，在溫排水效應(yīng)來臨之時(shí)，通過主系統(tǒng)提前稀釋，發(fā)電機(jī)提前降負(fù)荷等措施，抵消溫排水效應(yīng)的影響，實(shí)現(xiàn)電廠的精準(zhǔn)控制外，在電廠日常運(yùn)行期間，加強(qiáng)相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備的老化管理，確保相關(guān)換熱設(shè)備性能滿足設(shè)計(jì)要求。近幾個(gè)循環(huán)以來，秦一廠機(jī)組未因溫排水效應(yīng)造成機(jī)組設(shè)備損壞，或發(fā)生瞬態(tài)。隨著秦一廠機(jī)組OLE(運(yùn)行許可證延續(xù))項(xiàng)目的實(shí)施，秦一廠采取了更積極的措施來應(yīng)對溫排水效應(yīng)。

3.1 通過變更改造，提高系統(tǒng)應(yīng)對溫排水效應(yīng)的裕度

秦一廠機(jī)組原最大出力為330 MW，在2018年第十八次換料大修(OT118)期間實(shí)施了常規(guī)島設(shè)備更新項(xiàng)目，經(jīng)過發(fā)電機(jī)擴(kuò)容改造、汽輪機(jī)和高加等部件的換新，機(jī)組出力增加為350 MWe。同時(shí)，熱效率升高到34.3%，調(diào)門開度的裕量增加。當(dāng)溫排水來臨時(shí)，出現(xiàn)因機(jī)組效率下降造成DEH出系的概率大大降低。

為改善潤滑油冷卻器的冷卻能力，秦一廠機(jī)組先后進(jìn)行了多次變更。C17燃料循環(huán)，在汽輪機(jī)潤滑油箱外，臨時(shí)增加用應(yīng)急冷凍水作為冷源的旁路冷油器，以加強(qiáng)冷卻。并在開式工業(yè)水池加冰塊，降低潤滑油系統(tǒng)冷源水溫；在C18燃料循環(huán)中，為潤滑油冷卻器臨時(shí)加裝淋浴系統(tǒng)，通過噴淋降溫。上述措施均未收到理想效果。最終在118 大修中，通過實(shí)施永久變更，將兩臺管殼式潤滑油冷油器變更為板式冷油器。板式冷油器在其他電廠也有大量成功運(yùn)行的業(yè)績，傳熱系數(shù)遠(yuǎn)高于管殼式冷油器，且結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積更小，面積余量更大。在變更實(shí)施后的C19燃料循環(huán)中，秦一廠機(jī)組運(yùn)行期間潤滑油油溫明顯下降。

3.2 調(diào)整運(yùn)行方式，降低設(shè)冷水溫度，提升溫度限值

秦一廠設(shè)冷水系統(tǒng)共設(shè)置三臺設(shè)冷熱交換器，根據(jù)海水溫度的變化，運(yùn)行通過調(diào)整設(shè)冷熱交換器的運(yùn)行臺數(shù)來維持熱交換器設(shè)冷水出口溫度在20～32 ℃的范圍內(nèi)。此外，秦一廠安全分析、核安全、運(yùn)行、技術(shù)等專業(yè)從電廠歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，溫排水效應(yīng)成因及對電站設(shè)計(jì)、事故分析、用戶設(shè)備影響等方面進(jìn)行了分析，綜合考量系統(tǒng)和設(shè)備可接受性，同時(shí)考慮秦山地區(qū)海水溫度未來上升趨勢，留有合理的運(yùn)行裕量，得出最終熱阱溫度限值可適當(dāng)提升的結(jié)論。通過明確最終熱阱溫度計(jì)算方法、完善最終熱阱溫度的監(jiān)測要求、針對原系統(tǒng)設(shè)計(jì)上存在的不足實(shí)施變更、校核設(shè)冷熱交換器換熱能力等手段，確定在滿足設(shè)冷水系統(tǒng)原設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的情況下，最終熱阱溫度限值可提升至34 ℃。

安全評估的內(nèi)容包括以下四個(gè)方面，即：設(shè)冷水用戶設(shè)冷水供水溫度校核、停堆冷卻能力評估、海水/設(shè)冷水用戶運(yùn)行安全性評估及原事故分析有效性評估。

1)設(shè)冷水用戶設(shè)冷水供水溫度校核。

根據(jù)設(shè)冷熱交換器技術(shù)參數(shù)、工況參數(shù)等，運(yùn)用HTRI軟件分別對以下各工況下海水進(jìn)口水溫34 ℃時(shí)的用戶設(shè)冷水供水溫度進(jìn)行了校核：設(shè)冷雙熱交換器投運(yùn)(正常運(yùn)行)、設(shè)冷單熱交換器投運(yùn)(正常運(yùn)行)、停堆4 h、LOCA(冷卻劑喪失事故)。

2)停堆冷卻能力評估，評估了以下6種工況。

余排系統(tǒng)2臺停堆冷卻熱交換器和2臺停堆冷卻泵投入運(yùn)行，主系統(tǒng)冷卻到70 ℃后停運(yùn)主泵(滿足FSAR規(guī)定)，當(dāng)海水溫度分別為25 ℃、32.8 ℃、34 ℃時(shí)，評估將主系統(tǒng)分別冷卻到93 ℃、60 ℃的時(shí)間。

余排系統(tǒng)一臺停堆冷卻熱交換器和一臺停堆冷卻泵投入運(yùn)行，主系統(tǒng)冷卻到99 ℃后停運(yùn)主泵(滿足FSAR假設(shè))，當(dāng)海水溫度分別為25 ℃、32.8 ℃、34 ℃時(shí)，評估將主系統(tǒng)冷卻到93 ℃的時(shí)間。

3)海水/設(shè)冷水用戶運(yùn)行安全性評估，評估對象包括所有一回路海水/設(shè)冷水用戶。清單如下。

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)：套管式水冷器；

設(shè)備冷卻水系統(tǒng)：設(shè)備冷卻水泵、設(shè)冷熱交換器；

余熱排出系統(tǒng)：停堆冷卻熱交換器、停堆冷卻泵；

化學(xué)和容積控制系統(tǒng)：下泄熱交換器、過剩下泄熱交換器、軸封回流熱交換器、上充泵；

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)：主泵；

取樣系統(tǒng)：高壓取樣熱交換器、中壓取樣熱交換器；

乏燃料池冷卻系統(tǒng)：乏燃料池?zé)峤粨Q器；

廢氣系統(tǒng)：廢氣壓縮機(jī)、廢氣前冷卻器、廢氣后冷卻器；

硼回收系統(tǒng)：冷凝器、凝水冷卻器、排氣冷凝器、濃硼酸卸放箱；

應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)：安全注射泵、安全殼噴淋系統(tǒng)、噴淋泵；

輔助給水系統(tǒng)：輔助給水泵、蒸發(fā)器排污系統(tǒng)、排污冷卻器；

疏排水系統(tǒng)：反應(yīng)堆冷卻劑疏排水冷卻器；

廢液系統(tǒng)：冷凝器、凝水冷卻器、取樣冷卻器、殘液揚(yáng)液器、排氣冷凝器；

安全殼消氫系統(tǒng)：氫復(fù)合器、消氫風(fēng)機(jī)。

經(jīng)評估，設(shè)備冷卻水相關(guān)用戶及應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)均可接受最終熱阱溫度限值的提升，且其水溫上升對事故分析結(jié)論無影響，不會因限值提升而觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警或?qū)е逻\(yùn)行設(shè)備損壞，所以FSAR第六章、第十五章事故分析仍然有效。同時(shí)，單序列余熱排出系統(tǒng)將主系統(tǒng)冷卻到93 ℃的時(shí)間為36 h，滿足停堆冷卻時(shí)間要求。國家核安全局對秦一廠最終熱阱溫度修改申請、相關(guān)技術(shù)說明和支持性材料進(jìn)行審查后，同意秦一廠將最終熱阱溫度TS限值修改為34 ℃。

4 結(jié)論

因溫排水效應(yīng)是由于電廠的設(shè)計(jì)、建造，以及取、排水口的位置，加之杭州灣潮流的影響所致，有其固有特性。電廠積極探索應(yīng)對溫排水效應(yīng)的手段，通過變更改造，增加相關(guān)用戶的冷源，或進(jìn)行換熱器的擴(kuò)容，提高系統(tǒng)應(yīng)對溫排水效應(yīng)的裕度。除從運(yùn)行角度，還可以結(jié)合溫排水效應(yīng)的成因，用工程手段，從源頭解決該問題?？筛鶕?jù)秦山地區(qū)不同季節(jié)、不同潮汛與潮位下海水溫度場的分布，對電廠取、排水進(jìn)行變更改造，或通過構(gòu)筑堤壩等方式，對方家山、秦一廠的溫排水進(jìn)行攔截，阻止其對方家山、秦一廠的取水形成干涉效應(yīng)，削弱方家山核電排放溫升對秦山地區(qū)機(jī)組出力的影響。

通過分析溫排水效應(yīng)給秦一廠帶來的影響，也可給其他新建電廠帶來一定啟示。核電廠在建造的時(shí)候，需要充分考慮當(dāng)?shù)厮礂l件。應(yīng)通過核電界的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，將經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及時(shí)反饋給新建電廠，加強(qiáng)新電廠的取排水口設(shè)計(jì)改進(jìn)，從不同方向取水和排水，或構(gòu)筑堤壩對取水和排水進(jìn)行有效隔離，從而減少排水溫升對取水溫度的影響，以取得最大效益。