蘇英華 成軍

中國核電工程有限公司河北分公司

提高冬季設(shè)冷水溫度的可行性分析

蘇英華 成軍

中國核電工程有限公司河北分公司

本文闡述了設(shè)備冷卻水、重要廠用水系統(tǒng)以及冬季設(shè)冷水溫度過低問題的提出原因，從熱工計(jì)算、運(yùn)行控制等方面分析提高設(shè)冷水溫度的方案并論證方案的可行性。

設(shè)冷水;溫度過低;旁通;調(diào)節(jié)

前言

田灣核電廠址瀕臨黃海，位于我國北方，冬季海水溫度很低，如果不采取相應(yīng)措施，設(shè)冷水溫度過低，產(chǎn)生對(duì)主泵的熱沖擊，無法提供冷卻水機(jī)組制冷劑和潤滑油運(yùn)行的動(dòng)力，使冷水機(jī)組停機(jī)，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要采取相應(yīng)的措施，提高設(shè)冷水的溫度。

1、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和重要廠用水系統(tǒng)（SEC）簡(jiǎn)介

設(shè)備冷卻水系統(tǒng)主要功能：冷卻各種“核島”熱交換器；經(jīng)過由重要廠用水系統(tǒng)（SEC）冷卻的熱交換器將熱負(fù)荷傳遞至最終熱阱——海水；在核島熱交換器和海水之間形成屏障，防止放射性流體不可控制地釋放到海水中。

每個(gè)機(jī)組的設(shè)備冷卻水系統(tǒng)包括兩個(gè)獨(dú)立的安全系列和一個(gè)公用環(huán)路，公用環(huán)路由兩個(gè)系列中的任一系列供水。每個(gè)安全系列包括下列主要設(shè)備（兩個(gè)核島相同）：兩臺(tái)100%的離心泵；兩臺(tái)RRI/SEC熱交換器，每臺(tái)容量為總?cè)萘康?0%，熱交換器位于泵的出口，將熱量傳遞給海水;一臺(tái)RRI波動(dòng)箱。

重要廠用水系統(tǒng)功能是把由設(shè)備冷卻水系統(tǒng)收集的熱負(fù)荷輸送到最終熱阱——海水。該項(xiàng)功能由兩條與安全有關(guān)的冗余系列來完成，它們用海水來冷卻RRI系統(tǒng)的RRI/SEC 板式熱交換器。

2、工程設(shè)計(jì)參數(shù)

田灣核電廠設(shè)計(jì)最低海水溫度為-0.5℃。正常工況下設(shè)冷水設(shè)計(jì)最高熱負(fù)荷30.5MW，最低熱負(fù)荷5MW。

3、冬季設(shè)備冷卻水溫度過低問題的提出

核電站主泵機(jī)組和DEG、DEL冷水機(jī)組都是RRI系統(tǒng)的用戶，他們對(duì)設(shè)冷水的最低溫度有要求，核電站這些用戶要求設(shè)冷水最低供水溫度不低于15℃。

經(jīng)與主泵的供貨商溝通，設(shè)冷水通過高壓冷卻器冷卻主泵密封注入水，水溫過低的設(shè)冷水將會(huì)導(dǎo)致密封注入水溫度過低，產(chǎn)生對(duì)主泵的熱沖擊。

對(duì)于DEG、DEL系統(tǒng)：設(shè)冷水水溫過低將不能滿足DEG、DEL系統(tǒng)冷水機(jī)組高低壓差的要求，無法提供冷卻水機(jī)組制冷劑和潤滑油運(yùn)行的動(dòng)力，使冷水機(jī)組停機(jī)，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

根據(jù)以上因素，綜合考慮已運(yùn)行核電站的經(jīng)驗(yàn)，本工程要求設(shè)冷水最低供水溫度不低于15℃。

如果不采取提高設(shè)冷水溫度的措施，在海水設(shè)計(jì)最低溫度-0.5℃，正常工況下設(shè)冷水的設(shè)計(jì)最高熱負(fù)荷為30.5MW下，計(jì)算得出的設(shè)冷水溫度為4.8℃，如果考慮機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的熱負(fù)荷比設(shè)計(jì)值小，那么設(shè)冷水溫度將會(huì)更低，遠(yuǎn)不能滿足設(shè)冷水溫度下限的要求。

所以需要采取有關(guān)措施，提高冬季設(shè)冷水的供水溫度。

4、解決問題的方案描述

為提高設(shè)冷水供水溫度，主要考慮分析了以下四種解決方案。

方案一：旁通海水單板換方案

設(shè)備冷卻水系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，一個(gè)系列投運(yùn)兩臺(tái)板換進(jìn)行換熱；冬季海水溫度過低時(shí)，為提高設(shè)冷水的供水溫度，旁通其中一臺(tái)板換的海水側(cè)，只用一臺(tái)板換進(jìn)行換熱。海水旁通管路全部布置在核島。

此方案為推薦方案，關(guān)于此方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)詳見第5節(jié)。

方案二：改變板換內(nèi)冷熱流體相對(duì)流向

板式換熱器兩側(cè)冷熱流體的相對(duì)流向?qū)Q熱效率有一定的影響，流向相同換熱效率較低，流向相反換熱效率較高。

通過板換進(jìn)出口管道的設(shè)置及切換，可以實(shí)現(xiàn)板換內(nèi)冷熱流體相對(duì)流向的改變，在海水溫度較低時(shí)，使板換內(nèi)冷熱流體同向流動(dòng)，以降低換熱效率，提高設(shè)冷水板換出口溫度。

在本工程中，曾對(duì)海水設(shè)計(jì)最低溫度為-0.5℃，RRI系統(tǒng)熱負(fù)荷為19MW，板換內(nèi)冷熱流體流向相同的工況進(jìn)行了熱工計(jì)算，得出設(shè)冷水板換出口溫度為4.8℃，如果考慮設(shè)計(jì)最低熱負(fù)荷為5MW的苛刻工況，那么設(shè)冷水溫度就會(huì)更低?？梢?，通過改變板換內(nèi)冷熱流體相對(duì)流向的方案，效果有限，不能解決設(shè)冷水溫度過低的問題。

方案三：旁通設(shè)冷水方案

在RRI側(cè)旁通設(shè)冷水，調(diào)整流經(jīng)每臺(tái)換熱器的設(shè)冷水流量，使被冷卻的設(shè)冷水與未被冷卻的設(shè)冷水混合，希望混合后的水溫不低于15℃。海水側(cè)一臺(tái)海水泵運(yùn)行。

針對(duì)本工程海水設(shè)計(jì)最低溫度-0.5℃，RRI系統(tǒng)設(shè)計(jì)最低熱負(fù)荷為5MW進(jìn)行了熱工計(jì)算，得出，流經(jīng)每臺(tái)板換的設(shè)冷水流量需要從設(shè)計(jì)的1400m3/h減少為69m3/h，流經(jīng)板換被冷卻的設(shè)冷水出口溫度為-0.4985℃。

此方案的主要顧慮是：設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的用戶涉及19個(gè)系統(tǒng)，70多臺(tái)換熱器，管網(wǎng)復(fù)雜。旁通設(shè)冷水將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的管道阻力特性及設(shè)冷泵的運(yùn)行工況產(chǎn)生影響；在不同工況下運(yùn)行模式的切換中，也不可避免的會(huì)產(chǎn)生流體的波動(dòng)，沖擊等瞬態(tài)擾動(dòng)。上述因素都將對(duì)設(shè)冷水的用戶產(chǎn)生直接的影響。能保證分配給70多臺(tái)換熱器設(shè)冷水流量不低于要求值，將很難定量分析。另外，溫度低至-0.5℃的設(shè)冷水是否會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰，也需要進(jìn)入更深入的研究分析。綜合以上考慮，不推薦采用旁通設(shè)冷水方案。

方案四：RRI/SEC 兩側(cè)均進(jìn)行旁路調(diào)節(jié)

板換兩側(cè)，海水和設(shè)冷水都旁通，減少流經(jīng)板換的海水和設(shè)冷水，希望使設(shè)冷水供水溫度不低于15℃。

此方案的缺點(diǎn)：該方案對(duì)于換熱器RRI，SEC兩側(cè)的流量都有大的調(diào)節(jié)范圍要求，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)流量準(zhǔn)確地控制，而且控制非常繁瑣，故不推薦該方案。

5、采取的方案：旁通海水單板換方案

提高設(shè)冷水溫度的措施，可以有以下幾種方式：減少冷媒即海水的流量，減少換熱面積，旁通一部分熱側(cè)流體。從原理上分析，減少冷媒是最直接，最有效的方式。

旁通海水單板換方案綜合了上述解決原理：旁通海水減少了流經(jīng)板換的冷媒，隔離一臺(tái)板換的海水側(cè)，使熱側(cè)介質(zhì)（RRI）部分不被冷卻，通過混合以提高設(shè)冷水的溫度，同時(shí)，隔離一臺(tái)板換，也減少了有效換熱面積。

系統(tǒng)管路配置如下：每臺(tái)板式換熱器的海水進(jìn)出口處設(shè)置電動(dòng)隔離閥。SEC系統(tǒng)在板換入口前的DN600的海水母管上（核島中）設(shè)置一條DN350的海水旁通管，稱之為海水主旁通管。在此主旁通管上設(shè)置兩個(gè)手動(dòng)蝶式隔離閥，一個(gè)電動(dòng)蝶式調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)。通過調(diào)節(jié)閥使海水主旁通管的阻力特性與流經(jīng)一臺(tái)板換的海水流道的阻力特性相同。在板換海水入口前DN400的電動(dòng)蝶閥兩側(cè)設(shè)置一條DN250的海水旁通管，稱之為海水輔助旁通管，在此管路上設(shè)置兩個(gè)手動(dòng)蝶式隔離閥，一個(gè)電動(dòng)蝶式調(diào)節(jié)閥。

根據(jù)SEC系統(tǒng)的管路配置，提供以下幾種調(diào)節(jié)板換內(nèi)海水流量的運(yùn)行模式:

（1）SEC雙泵運(yùn)行：板換內(nèi)的海水設(shè)計(jì)流量為3300m3/h

（2）SEC單泵運(yùn)行：板換內(nèi)的海水設(shè)計(jì)流量為2500m3/h

（3）旁通海水雙板換：系統(tǒng)單泵運(yùn)行，打開DN350的海水主旁通管路，是海水同時(shí)流經(jīng)旁通管路和兩臺(tái)板換。此模式下流經(jīng)兩臺(tái)板換的海水流量為2×920m3/h。

（4）旁通海水單板換：系統(tǒng)單泵運(yùn)行，打開DN350海水主旁通管，關(guān)閉某一臺(tái)板換的海水側(cè)隔離閥，使海水只流經(jīng)一臺(tái)板換及海水主旁通管。此模式下流經(jīng)板換的海水設(shè)計(jì)流量為1250m3/h。

（5）旁通海水單板換+降低板換內(nèi)的海水流量：在旁通海水單板換運(yùn)行模式的基礎(chǔ)上，打開在運(yùn)行板換的DN250的海水輔旁通管，關(guān)閉此板換DN400的隔離閥，流經(jīng)板換的海水設(shè)計(jì)流量從1250m3/h減少到950m3/h。DN250的海水輔旁通管上設(shè)置有調(diào)節(jié)閥，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流經(jīng)板換的海水設(shè)計(jì)流量在950～246m3/h之間。

電站正常運(yùn)行工況下，設(shè)冷水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為30.5MW。 但是，根據(jù)國內(nèi)電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，系統(tǒng)最低熱負(fù)荷可至5MW。由于機(jī)組長期運(yùn)行在正常工況，而且此工況下冬季設(shè)冷水實(shí)際運(yùn)行熱負(fù)荷很低，能夠合理的解決此工況下的設(shè)冷水溫度過低問題是方案的關(guān)鍵。對(duì)于正常工況的熱工計(jì)算，需要考慮的熱負(fù)荷范圍為設(shè)計(jì)最低熱負(fù)荷到設(shè)計(jì)最高熱負(fù)荷：5MW～30.5MW，取8MW作為中間值的代表。分別對(duì)5MW、8MW、30.5MW進(jìn)行熱工計(jì)算。

正常工況下系統(tǒng)的運(yùn)行簡(jiǎn)述：熱負(fù)荷為30.5MW時(shí)，開啟SEC單泵運(yùn)行模式，隨著海水溫度的降低，設(shè)冷水溫度由35℃降到15℃時(shí)，機(jī)組運(yùn)行模式切換到旁通海水單板換運(yùn)行模式，流量由2500m3/h減少為1250m3/h，設(shè)冷水溫度升高到29.3℃，當(dāng)海水設(shè)計(jì)溫度降為-0.5℃時(shí)，設(shè)冷水溫度為19.5℃。熱負(fù)荷為8MW時(shí)，開啟SEC單泵運(yùn)行模式，隨著海水溫度的降低，設(shè)冷水溫度由35℃降到15℃時(shí)，機(jī)組運(yùn)行模式切換到旁通海水單板換運(yùn)行模式，流量由2500m3/h減少為1250m3/h，設(shè)冷水溫度升高到19.8℃，當(dāng)設(shè)冷水溫度降為15℃時(shí)，運(yùn)行模式切換為旁通海水單板換+降低板換內(nèi)的海水流量，自動(dòng)調(diào)節(jié)海水流量保證設(shè)冷水溫度不低于15℃。在海水設(shè)計(jì)溫度為-0.5℃時(shí)海水流量為369m3/h。熱負(fù)荷為5MW時(shí)機(jī)組運(yùn)行模式和8MW是一樣，在海水設(shè)計(jì)溫度為-0.5℃時(shí)海水流量為246m3/h。海水溫度升高時(shí)，按上述相反的運(yùn)行模式運(yùn)行，即可滿足設(shè)冷水溫度不超過15℃。

對(duì)于其他運(yùn)行工況可以通過監(jiān)測(cè)設(shè)冷水溫度，當(dāng)溫度降低到15℃時(shí)，根據(jù)本方案提供的5種運(yùn)行模式，依次切換到下一個(gè)運(yùn)行模式。如果設(shè)冷水溫度高于34℃時(shí)，依次切換到上一個(gè)運(yùn)行模式。在此切換過程中，及在海水設(shè)計(jì)最低溫度的情況下，設(shè)冷水溫度均保持在15～35℃的范圍內(nèi)。

結(jié)論

田灣核電工程廠址位于我國北方，冬季海水溫度很低，如果不采取相應(yīng)措施，設(shè)冷水溫度會(huì)低于要求的限值。依據(jù)廠址條件，緊密聯(lián)系工程實(shí)際情況，采取了旁通海水單板換方案。此方案提供了多種調(diào)節(jié)設(shè)冷水溫度的措施，在設(shè)計(jì)最高熱負(fù)荷到設(shè)計(jì)最低熱負(fù)荷的范圍內(nèi)，均能保證設(shè)冷水溫度不低于設(shè)計(jì)值, 保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

[1]廣東核電培訓(xùn)中心.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備.原子能出版社.2005

[2]陳濟(jì)東.大亞灣核電站系統(tǒng)及運(yùn)行.原子能出版社.1994

[3]沈俊雄.大亞灣核電站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)匯編.原子能出版社. 1994年

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.024