劉翠波 李超聯(lián) 歐國(guó)勇

（中廣核工程有限公司 核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

近年來(lái)由于海洋環(huán)境的變化，我國(guó)多次出現(xiàn)海生物爆發(fā)事件，如赤潮、水母、毛蝦、棕囊藻及筆帽螺等［1］，在海生物爆發(fā)期間，大量海生物突破上游過(guò)濾系統(tǒng)侵入核島海水系統(tǒng)，造成毗鄰海域的核電廠冷鏈換熱器堵塞，換熱器出現(xiàn)高壓差報(bào)警，機(jī)組狀態(tài)被迫后撤并長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也對(duì)核電廠最終熱阱的可用性構(gòu)成了現(xiàn)實(shí)威脅，核電廠冷源安全受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前，我國(guó)核電廠冷鏈換熱器均為板式換熱器，其流道結(jié)構(gòu)為波紋板交錯(cuò)疊加后構(gòu)成的復(fù)雜三維曲折流道，波紋深度一般僅4 mm 左右，這種特殊流道結(jié)構(gòu)雖然可以在較低流速下形成湍流，使板片表面具備很高的膜傳熱系數(shù)，但極易造成海生物在流道內(nèi)滯留堵塞，可見(jiàn)特殊的流道結(jié)構(gòu)是冷鏈換熱器頻發(fā)堵塞的根本原因。

為了確保某鄰海核電廠三代機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，需要對(duì)冷鏈換熱器的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，從根本上提高冷鏈換熱器對(duì)海生物等雜質(zhì)的通流能力。管殼式換熱器是一種通流能力很強(qiáng)的換熱器，由于其換熱管流通截面為圓形，流道也為直流通道，換熱管內(nèi)徑通常在10 mm 以上，在海水流經(jīng)管內(nèi)的情況下，可以保證5 mm 以下的雜質(zhì)進(jìn)入換熱器后不發(fā)生明顯堵塞，因此，管殼式換熱器可從根本上解決海生物在冷鏈換熱器內(nèi)造成堵塞的問(wèn)題。同時(shí)，冷鏈換熱器通流能力的增強(qiáng)，可以減輕上游鼓網(wǎng)、貝類(lèi)捕集器的過(guò)濾壓力，通過(guò)適當(dāng)增大過(guò)濾孔徑，從而降低超壓報(bào)警的風(fēng)險(xiǎn)，在系統(tǒng)層級(jí)上增強(qiáng)冷源的可靠性。

筆者針對(duì)某核電廠冷鏈換熱器的典型設(shè)計(jì)工況，根據(jù)其熱工設(shè)計(jì)要求，提出了管殼式換熱器的初步方案，并從多個(gè)維度對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，通過(guò)熱工水力計(jì)算，從換熱、壓降和流致振動(dòng)3 方面考察管殼式換熱器的可行性。

1 冷鏈換熱器熱工水力設(shè)計(jì)工況

圖1 為冷鏈換熱器功能示意圖。冷鏈換熱器通常配置在核島二回路設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI 系統(tǒng)）和三回路重要廠用水系統(tǒng)（SEC 系統(tǒng)）之間，用于將核島中收集來(lái)的熱負(fù)荷導(dǎo)入大海，保證機(jī)組在正常運(yùn)行和事故工況下能夠?qū)С龆研緹嶝?fù)荷。

圖1 冷鏈換熱器功能示意圖

海水入口溫度是影響冷鏈換熱器規(guī)模的關(guān)鍵參數(shù)，我國(guó)南方海域溫度一般在27～34 ℃之間［2］，溫度越高，冷鏈換熱器的設(shè)計(jì)工況越苛刻，所需設(shè)備規(guī)模越大（換熱面積越大）。筆者選擇某核電廠冷鏈換熱器的熱工設(shè)計(jì)參數(shù)作為設(shè)計(jì)輸入，具體如下：

熱負(fù)荷 30.6 MW

熱側(cè)流量 774 kg/s

冷側(cè)流量 818 kg/s

熱側(cè)出口溫度限值 38 ℃

冷側(cè)海水入口溫度 33.5 ℃

熱側(cè)允許壓降 不大于150 kPa

冷側(cè)允許壓降 不大于150 kPa

換熱裕量 不小于20%

2 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

2.1 總體結(jié)構(gòu)

冷鏈換熱器若采用管殼式換熱器，需為臥式布置，管殼式換熱器由于傳熱能力較板式換熱器差，其設(shè)備尺寸將遠(yuǎn)大于板式換熱器，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)盡可能增強(qiáng)換熱器的總傳熱系數(shù)，以減小所需的換熱面積，壓縮設(shè)備尺寸，降低廠房布置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)難度。

典型的提高總傳熱系數(shù)的方法是提高管程和殼程的流體流速，使其在換熱管內(nèi)外表面具備較大的膜傳熱系數(shù)，因此選擇二管程二殼程固定管板換熱器，并使海水流經(jīng)管程，設(shè)備冷卻水流經(jīng)殼程，在流動(dòng)方向上采用換熱效果最好的純逆流換熱流程。綜合考慮設(shè)備布置、檢修、制造等因素，管殼式換熱器總體結(jié)構(gòu)方案如圖2 所示，該結(jié)構(gòu)屬于TEMA 標(biāo)準(zhǔn)中的AFM 型結(jié)構(gòu)。

圖2 管殼式換熱器總體結(jié)構(gòu)

圖3 換熱器折流板布管圖

圖4 正三角形布管結(jié)構(gòu)

2.2 結(jié)構(gòu)方案分析

在換熱器總體結(jié)構(gòu)方案確定后，需要從管殼式換熱器的材質(zhì)、換熱管口徑、布管方式、布管角度、折流板形式和導(dǎo)流筒6 個(gè)維度進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析（表1），在保證海生物雜質(zhì)通流能力的基礎(chǔ)上，確保換熱器獲得盡可能大的傳熱系數(shù)，從而提供良好的換熱效果和抗振結(jié)構(gòu)，降低其流致振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)方案分析論證

根據(jù)上述分析，確定的換熱器外形尺寸為φ2450 mm×12000 mm，換熱管長(zhǎng)度為9 500 mm，換熱管布管共5 604 根，總換熱面積3 111 m2，設(shè)備凈重約65 t，其占地面積約為板式換熱器的5倍，換熱面積約為板式換熱器的3 倍，重量約為板式換熱器的4 倍。

3 管殼式換熱器熱工水力計(jì)算分析

基于管殼式的結(jié)構(gòu)方案，對(duì)其熱工設(shè)計(jì)工況參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，以驗(yàn)證換熱器換熱、壓降和流致振動(dòng)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.1 換熱和壓降計(jì)算分析

筆者選用HTRI Xchanger Suite 8.0 的Xist 模塊作為計(jì)算軟件，基于換熱器的折流板數(shù)量和換熱器程數(shù)，將管殼式換熱器的換熱區(qū)域劃分為24個(gè)計(jì)算單元，在每個(gè)單元內(nèi)使用當(dāng)?shù)氐牧黧w物性計(jì)算每個(gè)單元內(nèi)的換熱和壓降，然后再積分獲得整個(gè)換熱器的傳熱和壓降計(jì)算結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)換熱器換熱和壓降的精確模擬。

換熱器的總有效平均溫差EMTD 的計(jì)算式為：

式中 Flbt——?dú)こ谭殖谈舭逍孤┮鸬臏囟刃拚禂?shù)；

j——計(jì)算單元數(shù)；

Q——換熱器熱負(fù)荷；

Qj——每個(gè)單元內(nèi)的當(dāng)?shù)責(zé)嶝?fù)荷；

△Tlm——每個(gè)單元內(nèi)的當(dāng)?shù)貙?duì)數(shù)平均溫差；

△Tm——對(duì)數(shù)平均溫差；

δ——因泄漏和旁流引起的溫度修正系數(shù)。

換熱器實(shí)際的總傳熱系數(shù)Uact和所需的總傳熱系數(shù)Ureq計(jì)算式為：

表2 給出了換熱和壓降的校核計(jì)算結(jié)果。可以看出，該管殼式換熱器的%Overdesign 為24.3%，滿(mǎn)足最低20%的裕量要求；壓降較板式換熱器有較大降低，尤其管程（SEC 側(cè)）壓降只有板式換熱器的1/3，由于冷鏈換熱器占整個(gè)SEC 系統(tǒng)的壓降比例較大，因此換熱器壓降的降低可以減小對(duì)SEC 泵揚(yáng)程的要求。換熱器管內(nèi)流速為1.43 m/s，滿(mǎn)足管內(nèi)流速1～3 m/s 的要求，根據(jù)工程實(shí)踐，該流速下既可以保證海生物被沖離，同時(shí)又可以避免海水中砂礫對(duì)換熱管表面的過(guò)度沖刷損壞。

表2 換熱和壓降計(jì)算結(jié)果

3.2 流致振動(dòng)計(jì)算評(píng)定

某核電廠曾發(fā)生管殼式換熱器流致振動(dòng)導(dǎo)致的換熱管（鈦管）破裂案例［3］，為了確保管殼式換熱器不發(fā)生流致振動(dòng)，需對(duì)流致振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算評(píng)定。冷鏈換熱器管程接入的SEC 系統(tǒng)為開(kāi)式系統(tǒng)，其流量受海水水位、單雙泵運(yùn)行工況、管線臟污程度等多因素影響，流量變化范圍較大，同時(shí)，殼側(cè)的RRI 系統(tǒng)用戶(hù)眾多，其流量也存在一定的波動(dòng)。綜合考慮，管程和殼程的評(píng)價(jià)流量保守取其熱工流量的1.5 倍。

流致振動(dòng)主要從殼程的臨界流速、漩渦脫落頻率、換熱管振幅和無(wú)支撐跨距進(jìn)行計(jì)算評(píng)定。Xist 模塊使用的渦旋脫落頻率計(jì)算公式與TEMA標(biāo)準(zhǔn)的相同，傳熱管一階固有頻率和臨界流速的計(jì)算公式除由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的參數(shù)有微小變化外，和TEMA 標(biāo)準(zhǔn)也基本一致［4］。Xist 模塊對(duì)流致振動(dòng)的評(píng)定準(zhǔn)則較TEMA 標(biāo)準(zhǔn)更保守，如對(duì)于管殼式換熱器流致振動(dòng)危害最大的流體彈性激振，Xist 模塊將其流體流速和臨界流速的比值限制在0.8 以下。流致振動(dòng)評(píng)定結(jié)果有3 種：“不太可能”、“可能”和“很可能”。只有評(píng)定結(jié)果為“不太可能”時(shí)，才認(rèn)為流致振動(dòng)評(píng)定通過(guò)，具體流程［5］如圖5 所示。

圖5 流致振動(dòng)計(jì)算評(píng)定流程

該管殼式換熱器的流致振動(dòng)計(jì)算結(jié)果如下：

平均錯(cuò)流流速 1.24 m/s

折流板邊緣流速 1.39 m/s

臨界流速 2.35 m/s

漩渦脫落頻率 14.3 Hz

換熱管一階固有頻率 48.7 Hz

錯(cuò)流振幅 0.22 mm

平行流振幅 0.055 mm

無(wú)支撐跨距比 0.588

因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)上考慮了多種防振措施，其相關(guān)判定指標(biāo)均在限值要求內(nèi)，評(píng)定結(jié)果為流致振動(dòng)“不太可能”發(fā)生，即發(fā)生流致振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)較低。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了從根本上解決冷鏈換熱器的海生物堵塞問(wèn)題，確保最終熱阱的可用性，保證核電廠的冷源安全，筆者提出海生物通流能力強(qiáng)的管殼式換熱器方案，在保證海生物通流能力的基礎(chǔ)上，從提高換熱能力和增強(qiáng)抗流致振動(dòng)能力方面對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多維度設(shè)計(jì)論證分析。結(jié)果表明，筆者設(shè)計(jì)的管殼式換熱器滿(mǎn)足熱工水力設(shè)計(jì)工況的換熱和壓降要求，發(fā)生流致振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)較低，可作為核電廠冷鏈換熱器改進(jìn)的方案。