凈化系統熱交換器組協同運行特性研究

樂方愿，彭明民，劉建閣

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

核動力裝置中凈化系統的主要功能是連續除去反應堆冷卻劑中的可溶性和懸浮雜質，保證冷卻劑中的雜質濃度在允許值以下，降低冷卻劑的放射性水平[1]。實現該功能的關鍵設備是對溫度有嚴格要求的凈化離子交換器，凈化離子交換器中樹脂的安全可靠運行需要合適的工作溫度，為此設置了再生式、非再生式熱交換器兩級降溫設備以滿足其運行溫度要求，其中再生式熱交換器用于加熱凈化后的回水以減小回水溫度與主冷卻劑回路溫度之間的偏差，從而降低對主冷卻劑管道的熱應力和疲勞；若冷卻劑溫度達不到離子交換樹脂的使用條件，則必須通過調節旁通管路隔離其運行。因此，熱交換器組的協同運行特性影響到凈化功能的實現與否，凈化系統作為核動力裝置最重要的輔助系統之一，關系到核動力裝置的運行安全能否得到保障[2]。

1 概 述

圖1 凈化系統原理流程簡圖Fig.1 Flow diagram of purification system

凈化系統流程簡圖如圖1所示，從主泵出口管段來的冷卻劑（溫度為t0）首先經過再生式熱交換器管側，與殼側流動的凈化后的冷流體換熱，使冷卻劑溫度降低到t1，接著流經非再生式熱交換器管側與設備冷卻水換熱，將冷卻劑溫度降低至t2，而后進入離子交換器凈化除去雜質；凈化后的冷卻劑回流至再生式熱交換器殼側，回收熱量后冷卻劑溫度由t2上升到t3，最后回流至主泵吸入口管段[1]。考慮到離子交換樹脂運行溫度超過60 ℃易受熱分解而影響其性能[4]，為此設定凈化系統離子交換器運行的最高報警溫度為56 ℃，當其入口溫度達到或超過該限值時，通過旁統管道隔離凈化離子交換器，因此需對t2嚴格控制，考慮到主冷卻劑管道可能產生的熱應力，回水溫度t3也值得關注，熱應力大小一般通過回水與主管道的溫差Δt反映。可適當匹配調節設備冷卻水入口溫度tj和流量Qm以優化系統運行，滿足核安全及效益最大化的原則。

從系統流程簡圖以及凈化系統的運行原理可知，凈化系統再生式熱交換器管側入口溫度t0、設備冷卻水流量Qm及入口溫度tj變化都會影響再生式和非再生式熱交換器的協同運行特性。本文重點研究t0，Qm和tj變化對系統的影響。

2 分析程序介紹

本文采用輕水堆熱工水力瞬態分析最佳估算程序RELAP5對2個熱交換器組的協同運行特性進行計算分析。RELAP5程序是美國核管會進行輕水堆冷卻劑系統事故瞬態分析評審用最佳估算程序，它采用一維、瞬態、兩流體六方程模型來模擬輕水堆的熱工水力系統瞬態過程。RELAP5程序建模具有高度的靈活、自由特性，它充分利用集總參數法并通過抓住主要熱工水力現象來模擬復雜而又龐大的壓水堆一、二回路系統[3]。

RELAP5程序建模節點圖如圖2所示，其中TDV表示時間相關控制體，TDJ表示時間相關接管，J表示普通接管，P表示管型部件，A表示環形部件，B表示分支部件，HTR表示熱構件。

通過該程序將再生和非再生熱交換器組幾何尺寸結構、傳熱面積等參數封裝作為設計輸入，通過優化搜索算法，得出基準工況的計算結果，并模擬各種參數變化對熱交換器組運行特性的敏感性分析。

3 協同工作特性分析

在基準計算工況下，假設再生式熱交換器入口溫度為260 ℃，設備冷卻水入口溫度為40 ℃，流量為7 t/h。

基準工況下，模擬計算結果如下：

1）再生式熱交換器管側出口溫度t1為110.4 ℃，殼側出口溫度t3為203.5 ℃；

2）非再生式熱交換器管側出口溫度t2為50.2 ℃，殼側出口水溫tc為70.0 ℃；

3）凈化回流水與主管道的溫差Δt為43.6 ℃；

4）離子交換器入口溫度t2在56 ℃以下，樹脂可正常投運。

基準工況下，熱交換器組出口溫度以及與主冷卻劑管道溫差均在合理范圍內，離子交換器入口冷卻劑溫度處于樹脂正常運行溫度范圍之內。

3.1 再生式熱交換器管側入口溫度波動

以設計基準工況為基礎，調整凈化系統再生式熱交換器管側入口溫度t0，得其溫度變化對再生式熱交換器管側出口溫度t1、非再生式熱交換器管側出口溫度t2、再生式熱交換器殼側出口溫度t3、非再生式熱交換器殼側出口溫度tc和回流水與主管道溫差Δt的影響結果如圖3所示。

從計算結果可以看出，隨著再生式熱交換器管側入口冷卻劑溫度的提高，再生式熱交換器殼側出口冷卻劑回流水溫度有一定程度的提高，其他各個溫度參數略有升高但升幅不如回流水溫度升幅大，關鍵參數指標（非再生式熱交換器管側出口溫度t2）處于樹脂正常運行范圍之內。

由此可見，所設計的再生、非再生式熱交換器具有一定的設計裕量，再生式熱交換器管側入口溫度的波動（260 ℃～305 ℃）對再生式、非再生式熱交換器的聯合運行影響不明顯。即不影響凈化離子交換器的正常投入使用，溫差也在合理范圍內。

3.2 設備冷卻水流量波動

以設計基準工況為基礎，調整設備冷卻水流量Qm，得到設備冷卻水流量變化對熱交換器組出口溫度變化的影響結果如圖4所示。

從圖中可以得知，隨著設備冷卻水流量的減少，非再生式熱交換器管側出口溫度增加，再生式熱交換器殼側出口溫度也升高，凈化回流與主管道的溫差減小。當設備冷卻水流量由15 t/h減小到4 t/h時，再生式熱交換器管側出口溫度增大13.3 ℃，殼側出口溫度增大6.8 ℃，與主管道的溫差減小5.4 ℃；非再生式熱交換器管側出口溫度升高20.7 ℃，殼側出口水溫升高38.3 ℃。

圖2 模型節點圖Fig.2 Model node graph

圖3 熱交換器組出口溫度隨再生熱交換器管側入口溫度的變化曲線Fig.3 Curve of heat exchanger group outlet temperature along with the change of regenerative heat exchanger inlet temperature

圖4 熱交換器組出口溫度隨設備冷卻水流量變化曲線Fig.4 Curve of heat exchanger group outlet temperature along with the change of equipment cooling water flow rate

計算結果表明，減少設備冷卻水的流量導致離子交換器入口水溫增加，不利于離子交換器的正常運行。因此需設定離子交換器的設備冷卻水的流量下限值，從圖中取離子交換器的最高報警溫度工作點56 ℃得知設備冷卻水流量至少要大于6 t/h，設計時要考慮一定的裕量，可對設備冷卻水流量提出不小于7 t/h的要求。

綜上，通過對熱交換器組各出口參數對設備冷卻水流量變化的敏感性分析可以看出，設備冷卻水的流量增大對再生和非再生式熱交換器聯合運行有些影響，流量較低時熱交換器組協同運行受其影響較大，流量較高時熱交換器組受其影響較小，這可能是因為設備冷卻水流量整體水平較小而增量相對較大的緣由。設備冷卻水流量的增大有利于降低離子交換器入口溫度更利于其運行，同時也降低了凈化回流溫度，但此時該溫度值并不會對主管道產生過大的熱應力，也不影響離子交換器的正常投運。因此限定設備冷卻水流量≥7 t/h，選取較佳的設備冷卻水流量為12 t/h。慮到設備冷卻水的調節可為非再生式熱交換器的優化運行提供參考。

3.3 設備冷卻水入口溫度波動

以設計基準工況為基礎，調整設備冷卻水入口溫度，得到設備冷卻水入口溫度的變化對其他溫度變量的影響結果如圖5所示。

圖5 熱交換器組出口溫度隨設備冷卻水入口溫度變化曲線Fig.5 Curve of heat exchanger group outlet temperature along with the change of equipment cooling water inlet temperature

隨著設備冷卻水入口溫度的增加，非再生式熱交換器管側出口溫度增加，再生式熱交換器殼側出口溫度也增加，與主管道的溫差減小，但基本控制在50 ℃以內。設備冷卻水溫度由30 ℃增大到50 ℃時，再生式熱交換器管側出口溫度升高10.9 ℃，殼側出口溫度升高5.8 ℃，與主管道的溫差降低4.6 ℃。非再生管側出口溫度增大17.1 ℃，殼側出口溫度增大16.9 ℃。

綜上，通過熱交換器組各參數對設備冷卻水入口溫度變化的敏感性分析可以看出，設備冷卻水入口溫度的增加對再生和非再生式熱交換器的聯合運行有較大影響，尤其是對非再生式熱交換器管側出口即離子交換器入口溫度有顯著影響，因此需要設定設備冷卻水入口溫度報警值和上限值[2]。根據計算結果顯示，離子交換器報警溫度56 ℃條件下對應的設備冷卻水入口溫度為46 ℃，為留一定裕量，可以限定設備冷卻水入口溫度≤42 ℃，以免設備冷卻水系統參數控制不佳導致凈化系統無法運行。

4 結 語

本文通過RELAP5模擬分析了多個參數的波動對凈化系統設備運行產生的影響，明確了系統運行中的敏感性參數，通過協同計算分析得出以下結論：

1）再生式熱交換器管側入口溫度的波動對熱交換器組的聯合運行略有影響，但不影響凈化系統的整體性能；

2）設備冷卻水流量的過高和過低都不利于再生和非再生式熱交換器的聯合運行，限定設備冷卻水最小流量為7 t/h，其較佳運行流量為12 t/h；

3）設備冷卻水入口溫度的提高不利于熱交換器組的聯合運行，限制該溫度不大于42 ℃。

以上研究結果對凈化系統的初步設計和優化運行具有重要的指導意義。

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