提高冬季設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

提高冬季設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

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

設冷水;溫度過低;旁通;調節

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，如果不采取相應措施，設冷水溫度過低，產生對主泵的熱沖擊，無法提供冷卻水機組制冷劑和潤滑油運行的動力，使冷水機組停機，影響系統的正常運行。為保證系統的正常運行，需要采取相應的措施，提高設冷水的溫度。

1、設備冷卻水系統和重要廠用水系統（SEC）簡介

設備冷卻水系統主要功能：冷卻各種“核島”熱交換器；經過由重要廠用水系統（SEC）冷卻的熱交換器將熱負荷傳遞至最終熱阱——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。

每個機組的設備冷卻水系統包括兩個獨立的安全系列和一個公用環路，公用環路由兩個系列中的任一系列供水。每個安全系列包括下列主要設備（兩個核島相同）：兩臺100%的離心泵；兩臺RRI/SEC熱交換器，每臺容量為總容量的50%，熱交換器位于泵的出口，將熱量傳遞給海水;一臺RRI波動箱。

重要廠用水系統功能是把由設備冷卻水系統收集的熱負荷輸送到最終熱阱——海水。該項功能由兩條與安全有關的冗余系列來完成，它們用海水來冷卻RRI系統的RRI/SEC 板式熱交換器。

2、工程設計參數

田灣核電廠設計最低海水溫度為-0.5℃。正常工況下設冷水設計最高熱負荷30.5MW，最低熱負荷5MW。

3、冬季設備冷卻水溫度過低問題的提出

核電站主泵機組和DEG、DEL冷水機組都是RRI系統的用戶，他們對設冷水的最低溫度有要求，核電站這些用戶要求設冷水最低供水溫度不低于15℃。

經與主泵的供貨商溝通，設冷水通過高壓冷卻器冷卻主泵密封注入水，水溫過低的設冷水將會導致密封注入水溫度過低，產生對主泵的熱沖擊。

對于DEG、DEL系統：設冷水水溫過低將不能滿足DEG、DEL系統冷水機組高低壓差的要求，無法提供冷卻水機組制冷劑和潤滑油運行的動力，使冷水機組停機，影響系統的正常運行。

根據以上因素，綜合考慮已運行核電站的經驗，本工程要求設冷水最低供水溫度不低于15℃。

如果不采取提高設冷水溫度的措施，在海水設計最低溫度-0.5℃，正常工況下設冷水的設計最高熱負荷為30.5MW下，計算得出的設冷水溫度為4.8℃，如果考慮機組實際運行的熱負荷比設計值小，那么設冷水溫度將會更低，遠不能滿足設冷水溫度下限的要求。

所以需要采取有關措施，提高冬季設冷水的供水溫度。

4、解決問題的方案描述

為提高設冷水供水溫度，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

設備冷卻水系統正常運行時，一個系列投運兩臺板換進行換熱；冬季海水溫度過低時，為提高設冷水的供水溫度，旁通其中一臺板換的海水側，只用一臺板換進行換熱。海水旁通管路全部布置在核島。

此方案為推薦方案，關于此方案的詳細設計詳見第5節。

方案二：改變板換內冷熱流體相對流向

板式換熱器兩側冷熱流體的相對流向對換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。

通過板換進出口管道的設置及切換，可以實現板換內冷熱流體相對流向的改變，在海水溫度較低時，使板換內冷熱流體同向流動，以降低換熱效率，提高設冷水板換出口溫度。

在本工程中，曾對海水設計最低溫度為-0.5℃，RRI系統熱負荷為19MW，板換內冷熱流體流向相同的工況進行了熱工計算，得出設冷水板換出口溫度為4.8℃，如果考慮設計最低熱負荷為5MW的苛刻工況，那么設冷水溫度就會更低。可見，通過改變板換內冷熱流體相對流向的方案，效果有限，不能解決設冷水溫度過低的問題。

方案三：旁通設冷水方案

在RRI側旁通設冷水，調整流經每臺換熱器的設冷水流量，使被冷卻的設冷水與未被冷卻的設冷水混合，希望混合后的水溫不低于15℃。海水側一臺海水泵運行。

針對本工程海水設計最低溫度-0.5℃，RRI系統設計最低熱負荷為5MW進行了熱工計算，得出，流經每臺板換的設冷水流量需要從設計的1400m3/h減少為69m3/h，流經板換被冷卻的設冷水出口溫度為-0.4985℃。

此方案的主要顧慮是：設備冷卻水系統的用戶涉及19個系統，70多臺換熱器，管網復雜。旁通設冷水將會對系統的管道阻力特性及設冷泵的運行工況產生影響；在不同工況下運行模式的切換中，也不可避免的會產生流體的波動，沖擊等瞬態擾動。上述因素都將對設冷水的用戶產生直接的影響。能保證分配給70多臺換熱器設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℃的設冷水是否會出現結冰，也需要進入更深入的研究分析。綜合以上考慮，不推薦采用旁通設冷水方案。

方案四：RRI/SEC 兩側均進行旁路調節

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

此方案的缺點：該方案對于換熱器RRI，SEC兩側的流量都有大的調節范圍要求，很難實現對流量準確地控制，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板換的冷媒，隔離一臺板換的海水側，使熱側介質（RRI）部分不被冷卻，通過混合以提高設冷水的溫度，同時，隔離一臺板換，也減少了有效換熱面積。

系統管路配置如下：每臺板式換熱器的海水進出口處設置電動隔離閥。SEC系統在板換入口前的DN600的海水母管上（核島中）設置一條DN350的海水旁通管，稱之為海水主旁通管。在此主旁通管上設置兩個手動蝶式隔離閥，一個電動蝶式調節閥和流量計。通過調節閥使海水主旁通管的阻力特性與流經一臺板換的海水流道的阻力特性相同。在板換海水入口前DN400的電動蝶閥兩側設置一條DN250的海水旁通管，稱之為海水輔助旁通管，在此管路上設置兩個手動蝶式隔離閥，一個電動蝶式調節閥。

根據SEC系統的管路配置，提供以下幾種調節板換內海水流量的運行模式:

（1）SEC雙泵運行：板換內的海水設計流量為3300m3/h

（2）SEC單泵運行：板換內的海水設計流量為2500m3/h

（3）旁通海水雙板換：系統單泵運行，打開DN350的海水主旁通管路，是海水同時流經旁通管路和兩臺板換。此模式下流經兩臺板換的海水流量為2×920m3/h。

（4）旁通海水單板換：系統單泵運行，打開DN350海水主旁通管，關閉某一臺板換的海水側隔離閥，使海水只流經一臺板換及海水主旁通管。此模式下流經板換的海水設計流量為1250m3/h。

（5）旁通海水單板換+降低板換內的海水流量：在旁通海水單板換運行模式的基礎上，打開在運行板換的DN250的海水輔旁通管，關閉此板換DN400的隔離閥，流經板換的海水設計流量從1250m3/h減少到950m3/h。DN250的海水輔旁通管上設置有調節閥，可以實現調節流經板換的海水設計流量在950～246m3/h之間。

電站正常運行工況下，設冷水系統的設計熱負荷為30.5MW。 但是，根據國內電站運行經驗反饋，系統最低熱負荷可至5MW。由于機組長期運行在正常工況，而且此工況下冬季設冷水實際運行熱負荷很低，能夠合理的解決此工況下的設冷水溫度過低問題是方案的關鍵。對于正常工況的熱工計算，需要考慮的熱負荷范圍為設計最低熱負荷到設計最高熱負荷：5MW～30.5MW，取8MW作為中間值的代表。分別對5MW、8MW、30.5MW進行熱工計算。

正常工況下系統的運行簡述：熱負荷為30.5MW時，開啟SEC單泵運行模式，隨著海水溫度的降低，設冷水溫度由35℃降到15℃時，機組運行模式切換到旁通海水單板換運行模式，流量由2500m3/h減少為1250m3/h，設冷水溫度升高到29.3℃，當海水設計溫度降為-0.5℃時，設冷水溫度為19.5℃。熱負荷為8MW時，開啟SEC單泵運行模式，隨著海水溫度的降低，設冷水溫度由35℃降到15℃時，機組運行模式切換到旁通海水單板換運行模式，流量由2500m3/h減少為1250m3/h，設冷水溫度升高到19.8℃，當設冷水溫度降為15℃時，運行模式切換為旁通海水單板換+降低板換內的海水流量，自動調節海水流量保證設冷水溫度不低于15℃。在海水設計溫度為-0.5℃時海水流量為369m3/h。熱負荷為5MW時機組運行模式和8MW是一樣，在海水設計溫度為-0.5℃時海水流量為246m3/h。海水溫度升高時，按上述相反的運行模式運行，即可滿足設冷水溫度不超過15℃。

對于其他運行工況可以通過監測設冷水溫度，當溫度降低到15℃時，根據本方案提供的5種運行模式，依次切換到下一個運行模式。如果設冷水溫度高于34℃時，依次切換到上一個運行模式。在此切換過程中，及在海水設計最低溫度的情況下，設冷水溫度均保持在15～35℃的范圍內。

結論

田灣核電工程廠址位于我國北方，冬季海水溫度很低，如果不采取相應措施，設冷水溫度會低于要求的限值。依據廠址條件，緊密聯系工程實際情況，采取了旁通海水單板換方案。此方案提供了多種調節設冷水溫度的措施，在設計最高熱負荷到設計最低熱負荷的范圍內，均能保證設冷水溫度不低于設計值, 保證系統的正常運行。

[1]廣東核電培訓中心.900MW壓水堆核電站系統與設備.原子能出版社.2005

[2]陳濟東.大亞灣核電站系統及運行.原子能出版社.1994

[3]沈俊雄.大亞灣核電站建設經驗匯編.原子能出版社. 1994年

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.024