劉家金

摘 要

循環(huán)水系統(tǒng)的運行狀況對核電廠的經(jīng)濟性和安全性都有著重要的影響，因此對它的研究具有長遠的意義。本文主要圍繞秦山核電廠30萬機組循環(huán)水系統(tǒng)在循環(huán)水流量調節(jié)、循環(huán)水泵控制及監(jiān)視方式以及吸水室、水葫蘆泛濫等幾個方面的問題進行分析，并提出了相應的應對措施。

關鍵詞

經(jīng)濟性;安全性;循環(huán)水泵;流量;吸水室;水葫蘆

中圖分類號： TK223.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.035

1 循環(huán)水系統(tǒng)概述

核電廠循環(huán)水系統(tǒng)，主要作用是為凝汽器提供冷卻用的海水，冷卻汽輪機低壓缸的排汽，是凝汽器建立真空的重要條件。同時作為熱力循環(huán)的冷源，使熱力循環(huán)得以實現(xiàn)。另外，其取水部分還為一回路海水系統(tǒng)提供水源，對核電廠運行的經(jīng)濟性和安全性都有重要影響，因此，有必要對核電廠循環(huán)水系統(tǒng)進行足夠的研究。

如圖1所示，本系統(tǒng)共設有六臺循環(huán)水泵（簡稱循泵），循泵為立式混流泵，電動機功率為1600kw，流量16000m3/h，轉速495rpm，其水源為海水，供兩臺凝汽器和二回路其他設備冷卻用水。每兩臺循泵分別對應一個吸水室，每個吸水室的入口安裝了一臺旋轉濾網(wǎng)，正常情況下旋轉濾網(wǎng)投“自動”運行方式，受旋轉濾網(wǎng)兩側水位差信號及定時器控制，自動啟、停，以除去海水中的雜物，保證循泵及系統(tǒng)的正常運行。每臺循泵出口有一臺液動蝶閥及電動蝶閥，其中液動蝶閥與循泵有聯(lián)鎖，隨循泵的啟、停而自動開、關，電動蝶閥在備用及運行情況下均保持全開狀態(tài)。[1]在停止循泵時，如果循泵出口蝶閥手、自動均不能關閉，則需要關閉電動蝶閥，以防止循泵發(fā)生倒轉，并保證循環(huán)水系統(tǒng)足夠的壓力。

2 循環(huán)水系統(tǒng)存在的問題分析

2.1 循環(huán)水流量調節(jié)不夠精確

循環(huán)水系統(tǒng)是核電廠一個獨立的且重要的系統(tǒng)，循泵所耗用的電能在電廠總發(fā)電量中的所占的百分比不容小覷。另外它也是改變凝汽器真空的唯一可調節(jié)參數(shù)，合理選擇循環(huán)水系統(tǒng)的運行方式對于提高發(fā)電廠的經(jīng)濟性有重要意義。但目前電廠在循環(huán)水系統(tǒng)的運行過程中，對循環(huán)水流量的調節(jié)手段相當有限，不能達到精確控制的目的。同時，循環(huán)水系統(tǒng)遠未達到經(jīng)濟運行，造成了較大的能源浪費。對循環(huán)水系統(tǒng)的運行方式進行優(yōu)化，成為電廠節(jié)能降耗工作中一個亟待解決的問題，對機組的經(jīng)濟運行有著重要的意義。[2]

在汽輪機排汽量和循環(huán)水溫一定的情況下，隨著循環(huán)水量Fw的增加，凝汽器真空升高，汽輪機增加功率輸出，但同時循泵的耗功亦隨之增多，抵消增發(fā)功率的收益，使汽輪機的增發(fā)功率△Nt與循環(huán)泵耗電量△Np之差達到最大的循環(huán)水量稱最佳循環(huán)水量，相應凝汽器真空稱最佳真空（如圖2）。在這種工況下，電廠的經(jīng)濟效益達到最大。

當汽輪機負荷或海水溫度變化時，為了保證凝汽器真空在要求范圍內，要求循環(huán)水量也做相應調整，而由于海水含沙量大，為了盡可能減少泥沙沉積帶來的負面效應，一般不采用節(jié)流調節(jié)，我國大部分電廠都是通過改變循泵的不同運行方式來達到間接調節(jié)循環(huán)水流量的目的。在我廠是通過改變循泵的運行臺數(shù)來滿足水量的要求，這種方式對于循環(huán)水流量的調節(jié)是非連續(xù)的，循環(huán)水流量與泵的運行臺數(shù)有關，循環(huán)水流量是離散的，基本上無法達到最佳循環(huán)水量的工況，甚至偏離得很遠。

2.2 循泵的控制及監(jiān)視存在弱項

秦山核電廠30萬機組的六臺循泵安裝在49-3海水泵房，循泵的控制及部分參數(shù)監(jiān)視也設置在海水值班室，OT118大修期間，通過改造增設了DCS控制系統(tǒng)，在05#廠房主控室也增加了操縱員站。

首先是控制方式上，由于循泵沒有流量調節(jié)的功能，因此在進行循泵切換的操作時，存在一定的難度，需要根據(jù)東海潮位的高低、運行循泵的數(shù)量、凝汽器出口蝶閥的開度、凝汽器的真空等多個參數(shù)綜合考慮才能得出最佳的切換方式。由于循泵的流量無法單臺調節(jié)，通過調節(jié)凝汽器出口蝶閥開度來控制循環(huán)水系統(tǒng)壓力時，經(jīng)常需要對兩臺凝汽器的四個出口蝶閥都要進行調節(jié)，而凝汽器的出口蝶閥是沒有數(shù)字化記錄儀的，只能在現(xiàn)場查看，需要在切換循泵之前記錄原來的閥門開度，在切換循泵的操作完成之后再調節(jié)至原來的開度。因此，在循泵的控制上，極大的依賴個人經(jīng)驗，缺少必要的技術手段。

其次是監(jiān)視上，由于循泵泵軸長，輸送介質泥沙多，流量大，循泵葉輪的沖刷腐蝕發(fā)展到一定程度時，由于葉片不均勻的缺損，會影響到葉輪的動平衡。因此，當葉輪出現(xiàn)嚴重的沖蝕后，不僅水泵的性能和效率下降，還會出現(xiàn)振動的異常變化，而現(xiàn)在的情況是所有循泵均沒有振動監(jiān)測系統(tǒng)。對于循泵缺陷的發(fā)現(xiàn)，主要是依靠運行人員巡檢時聽聲音，或者維修人員定期測振的手段。一則比較依賴個人經(jīng)驗，二則無法對循泵的運行狀態(tài)進行連續(xù)監(jiān)視，當設備缺陷出現(xiàn)時，可能無法及時發(fā)現(xiàn)而導致更為嚴重的后果。

2.3 吸水室存在的潛在問題

2011年3月11日，由于地震及海嘯的突然襲擊，日本福島核電站沒有能夠完成其安全運行、安全停堆、無核泄漏的核安全使命。導致核電行業(yè)瞬間進入冬季，并且將核電帶入備受爭議的安全與否的漩渦之中，雖然事實證明核電不可或缺，漸漸出現(xiàn)復蘇的跡象，但福島事故給人類帶來的影響將永遠不會消除，同時也給各核電廠敲響了強烈的警鐘，核安全面前容不得半點疏忽。

為了提高電廠抗震、抗海嘯、嚴重事故工況下的應對能力，30萬機組也進行了多項重大改造，如增設SBO情況下主泵軸封注水系統(tǒng)，增設替代交流電源（AAC）系統(tǒng)，增設非能動消氫系統(tǒng)等等。但對于海嘯，核電廠的最終熱阱卻依然存在問題。當海嘯來臨時，海浪是一陣一陣的，過程中會有退潮的現(xiàn)象，當海水退潮時，巨大的虹吸作用可能會把吸水室處的海水一起帶走，導致吸水室的瞬時潮位低于正常值，不能保證循泵的凈正吸入壓頭，影響循環(huán)水系統(tǒng)運行的可靠性。

2.4 水葫蘆泛濫問題嚴重

每年的10月份開始及以后的一段時間，海鹽縣河道內的水葫蘆便開始瘋狂生長（如圖3所示），并且在開閘放水時一路順流到我廠吸水室，造成旋轉濾網(wǎng)堵塞。曾經(jīng)就因為水葫蘆堵塞問題導致旋轉濾網(wǎng)剪斷銷斷裂及掉真空、降負荷事件，損壞設備的同時給電廠造成巨大的經(jīng)濟損失。

2.5 吸水室潮位的監(jiān)視存在盲區(qū)

如前所述，我廠有六臺循泵及三個吸水室，1#/2#、3#/4#、5#/6#分別從1#、2#、3#吸水室吸水，吸水室的潮位關乎著循環(huán)水系統(tǒng)的運行狀況，從而影響電廠的效益和安全方面的問題。但現(xiàn)在主控室的海水潮位僅能監(jiān)視2#吸水室的潮位，沒有1#和3#吸水室的潮位。即使不考慮海嘯等自然災害的原因，假如發(fā)生1#或3#吸水室相關水閘門脫落或類似的故障，由于監(jiān)視系統(tǒng)呈現(xiàn)的吸水室潮位是正常的，但其實1#或3#吸水室的水泵已無法保持運行，將極大地影響運行人員對瞬態(tài)的正確響應。

在大修期間，雖然通過臨時變更增設了1#和3#吸水室的潮位監(jiān)視，但也只是放置在49-3海水泵房大廳，大廳沒有人值班，依然不能達到連續(xù)監(jiān)視吸水室潮位的目的。

3 循環(huán)水系統(tǒng)相關問題的應對措施探討

3.1 建議改造循泵組

在無法做到循環(huán)水流量連續(xù)調節(jié)的情況下，如果能盡量減少各離散流量值之間的差值，則在一定程度上提高了調節(jié)精度，使循環(huán)水流量可以更加接近最佳循環(huán)水量。而雙速電機就可以達到這樣的目的，泵的流量與泵的轉速有一定的正比關系，當泵在高速運轉時，流量就大，低速運轉時，流量就較小，同樣一臺泵在不同的轉速下就可以有不同的流量輸出，這樣就更容易滿足系統(tǒng)不同工況對流量的不同需求，達到循環(huán)水流量更加精確調節(jié)的目的。在進行循泵切換時，必要時只需改變單臺循泵的運行方式（高速或低速），就可以滿足切換的前提條件。

另一方面，循泵采用雙速電機后，也可以起到減少循泵臺數(shù)的作用?，F(xiàn)在30萬機組總共有六臺循泵，而且由于部分循泵可靠性較差，長期有循泵處于檢修狀態(tài)。即使正常情況下，對六臺循泵的預維工作也是常有的，有時一臺循泵的預維工期就長達一兩個月，大大增加工作負擔。尤其是在夏天，需要四臺循泵運行，如果有一臺循泵處于檢修狀態(tài)，則只有一臺備用循泵，一旦某一臺循泵出現(xiàn)故障，則就沒有備用循泵，存在很大的潛在風險。由此看來，如果能選擇可靠性更高、流量更大的雙速電機，保證流量調節(jié)精度的同時還能大大減少工作負擔。另外，從電廠經(jīng)濟性來看，采用改變泵運行臺數(shù)來改變循環(huán)水流量的方式，將使循泵不能長期運行在高效區(qū)，偏離運行工況，降低運行效率。以下列數(shù)據(jù)為例，30萬機組循泵額定功率1600kW，年化日均運行3.5臺循泵（夏季4臺，冬季3臺），循泵總的額定功率約為1600*3.5=5600kW，占機組額定電功率百分比為：5600/ 300000*100%=1.87%。以中核運行二廠65萬千瓦機組作為比較，循泵采用高/低速電機運行的平均額定功率4000kW，日均運行2臺循泵，總額定功率約為4000*2=8000kW，占機組額定電功率百分比為：8000/650000*100%=1.23%。還有，長期使泵運行在非高效區(qū)，還將影響泵的壽命，由此可以看出，采用高效的雙速循泵能夠降低電廠運行成本，提高電廠經(jīng)濟效益。

3.2 循泵控制及監(jiān)視建議

在任何情況下，只要具備條件，主控室都是事故情況下的最佳響應場所，它是絕大多數(shù)重要設備及參數(shù)的集控中心，能夠最快地對大多數(shù)事故作出初步判斷。

關于循泵的振動問題，通過連續(xù)的振動狀態(tài)監(jiān)測，特別是水泵轉軸振動值的趨勢跟蹤，可以分析和評價水泵葉輪磨損的影響，及時準確地發(fā)現(xiàn)設備運行中出現(xiàn)的問題，避免設備損壞故障的發(fā)生。如果出現(xiàn)振動大且大到不宜保持運行的情況而沒有及時發(fā)現(xiàn)，那么可能的后果就是循泵損壞及凝汽器掉真空，導致降負荷甚至停機停堆，所以建議六臺循泵均增加振動監(jiān)測系統(tǒng)。

3.3 吸水室外建圍堰的建議

對于海嘯可能導致吸水室斷水的情況，可以考慮在吸水室外修建一定高度的圍堰，將吸水室圍住，這樣即使在海嘯退潮時，圍堰內的水也不會被帶走，起到防虹吸的作用，圍堰要有足夠的高度以保證海嘯退潮時圍堰內有充足的水，但圍堰高度又必須低于日常的最低潮位，保證日常情況下吸水室能夠被海水淹沒。

3.4 水葫蘆治理建議

本人認為解決水葫蘆泛濫問題可以從三方面入手。

（1）首先是技術手段，從根本上解決這個問題，采用生物或藥物防治，在相應的季節(jié)，定期或持續(xù)向排水渠里引進水葫蘆的天敵或向河里加入抑制水葫蘆生長的藥物，徹底解決水葫蘆問題，但見效周期較長。

（2）其次是人工手段，在開閘前對河道內的水葫蘆進行徹底打撈，防止水葫蘆進入杭州灣，從而解決水葫蘆問題，但不適用于大面積的水葫蘆，否則勞動力投入過大。此方法也可以與第（1）條相結合，共同防治水葫蘆。

（3）最后是管理手段，在海鹽縣開閘放水前，通知我廠海水值班室，提前啟動旋轉濾網(wǎng)，加強取水口巡檢，做好預防措施，防止旋轉濾網(wǎng)被嚴重堵塞。

另外，在水葫蘆迅速生長這段時間內，因即將進入冬季，為維持凝汽器真空只需保持三臺循泵運行，此時應盡量避免同一個吸水室有兩臺循泵運行。否則兩臺循泵同時運行導致的高液位差加上水葫蘆的影響，很可能造成旋轉濾網(wǎng)的嚴重堵塞，引起循泵吸水不暢的問題，影響系統(tǒng)運行的可靠性。

3.5 建議在主控室增加1#、3#吸水室潮位數(shù)據(jù)

針對現(xiàn)在吸水室潮位監(jiān)視所存在的問題，假如1#或3#吸水室出現(xiàn)故障，而2#吸水室的水位正常的時候，那么主控監(jiān)視的海水潮位就起不到警示的作用，出現(xiàn)異常時也不利于故障的定位，因此建議在05#廠房主控室增加1#及3#吸水室的潮位數(shù)據(jù)。

4 綜述

本文圍繞循環(huán)水系統(tǒng)，著重討論了30萬機組在循環(huán)水流量調節(jié)、循泵切換操作、吸水室潮位監(jiān)視及水葫蘆泛濫等幾個方面存在的問題，分別提出了不同的應對措施。整體來講，這些建議的落實能夠有效降低電廠發(fā)生事故的概率，增強事故狀況下的響應能力以及提高電廠的經(jīng)濟性和安全性。另外需要說明的是，循環(huán)水系統(tǒng)作為核電廠中一個必不可少的重要系統(tǒng)，我廠30萬機組存在的這些問題存在一定的共性，因此文中所給出的建議也具有同樣的普適性。

參考文獻

[1]孔志平，馬聰.CP300核電廠二回路系統(tǒng)/設備及運行.浙江：中核核電運行管理有限公司.2009.

[2]崔修強，馮仁海.300MW機組循環(huán)水系統(tǒng)最佳運行方式的研究.山東：華電國際十里泉發(fā)電廠.2005.