閉式水系統(tǒng)熱交換器換型變更仿真分析

金艷駿

(中核核電運行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

秦二廠SRI/SEN板式熱交換器冷卻水源取自杭州灣海水，但由于杭州灣海水含沙量較高，自機組投運以來，板式熱交換器頻繁故障，且呈現逐年上升趨勢，缺陷主要包括泥沙堵塞、板片穿孔、密封失效等，導致系統(tǒng)流量降低，可用性降低，威脅機組安全運行。此外，也導致設備檢修成本一直居高不下。本文以此問題為導向對系統(tǒng)改造模型進行仿真分析，并根據改造實際效果對理論計算進行驗證。

1 變更方案

同原系統(tǒng)比較，變更改造擬將板式換熱器改為管式換熱器，取消三臺海水升壓泵，將原兩臺電動濾水器的最大容量由50%改為75%。其余循環(huán)水及常規(guī)島輔助冷卻水的管道設備均保持不變。常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)變更后流程圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)變更后流程圖Fig.1 The flow chart after the change of auxiliary cooling water system of the conventional island

2 系統(tǒng)模型分析

2.1 系統(tǒng)建模

(1)組件選取

系統(tǒng)建模流量計算的本質是并聯管路的流量分配計算,通過在Flowmaster 軟件中建立循環(huán)水開式水系統(tǒng)中所有設備、管道、管件、閥門等的流阻模型，得到系統(tǒng)中各個位置的流量、壓力等參數的計算結果。Flowmaster軟件是由英國流體力學研究協會開發(fā)的一個流體系統(tǒng)設計與仿真平臺，能夠對不可壓縮流體、可壓縮流體、液壓系統(tǒng)進行分析和模擬，能對流體系統(tǒng)的流量、壓力和溫度分布等進行精確計算并能對穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程進行模擬。在軟件建模中可以采取以下方式對系統(tǒng)內管道、彎頭、三通、閥門、過濾器等簡化處理:1)對于水力部件的建模，因其損失系數為常數，只與它的幾何尺寸、表面情況有關，可以用離散損失元件來代替彎頭元件；2)對于同一段管路中的相同尺寸的元件，可以將損失系數進行累加；3)以壓力源/流量源模擬系統(tǒng)邊界條件。

(2)建模結果

系統(tǒng)建模結果如圖2所示，其中，F為流量邊界，表示兩根循環(huán)水母管進口，流量均為50 400 t/h(約為14.0 m3/s)，P為壓力邊界，表示兩根循環(huán)水母管出口，壓力均為 0.03 MPa。

圖2 系統(tǒng)計算模型Fig.2 System calculation model

2.2 計算結果

(1)正常工況

系統(tǒng)正常運行工況下投運換熱器數量為兩臺，計算結果見表1。

表1 正常工況計算結果Table 1 Calculation results of normal working conditions

(2)單臺循泵工況

當一臺循環(huán)水泵因故障停運，系統(tǒng)只有單臺循環(huán)水泵保持投運時，需驗證此工況下的系統(tǒng)流量分配情況，此時凝汽器為單側投運，電動濾水器和管式換熱器均維持兩臺投運。單臺循泵投運工況計算結果見表2。

表2 單臺循泵投運工況計算結果Table 2 Calculation results of operating conditions of a single circulating pump

(3)三臺換熱器投運工況

由于杭州灣海水泥沙含量較高，為了防止泥沙在設備中沉積，往往需要同時投運三臺管式換熱器，計算結果見表3。

表3 三臺換熱器投運工況計算結果Table 3 Calculation results of operating conditions of three heat exchangers

以上計算結果表明，當SEN系統(tǒng)預設流量為4110 m3/h時，SEN系統(tǒng)模型正常工況下計算流量值為4255 m3/h，與設計流量相當。通過計算單臺循泵及三臺熱交換器投運等瞬態(tài)工況，結果表明模型中管路的流量分配結果跟設計要求值較為接近。由于開式水側總壓降略低于凝汽器側循環(huán)水總壓降，而在實際運行工況下，兩側壓差會保持平衡，通過軟件計算得到的復雜管路流量分配值與實際情況較接近，所以計算結果表明設計方案滿足變更要求。

2.3 結果驗證

SEN/SRI換熱器的放熱量設計值為10 063.98 kW，設計換熱面積為880 m2，設計換熱系數為2534.5 W/(m2/℃)。據KIT系統(tǒng)中的SEN側及SRI側的溫度結果和現場使用超聲波流量計測量得到的兩側流量值，以及換熱器計算書中提到的設計面積，計算得到三臺換熱器的換熱系數分別為 2918.8 W/(m2/℃)，2695.9 W/(m2/℃)以及2654.8 W/(m2/℃)，如表4所示，計算結果表明三臺換熱器的換熱性能均能達到設計值要求。

表4 三臺換熱器SRI側功率計算值Table 4 Calculated values of SRI side power of three heat exchangers

3 結 論

本文從秦二廠板式熱交換器換型變更的初步方案出發(fā)，利用流體力學分析軟件對變更方案進行建模分析計算，對變更方案可行性進行論證，為變更方案提供理論支持。秦二廠板式熱交換器換型替代變更已先后在D212、D114大修中完成，單臺機組年度節(jié)約成本約400萬元/年，經濟效益顯著，并大幅度降低設備冷卻系統(tǒng)的缺陷率，工程實例應用效果良好，可在其他電廠進行推廣應用。