AP1000 DWS系統供水設計問題分析及改進研究1）

林 圣

(三門核電有限公司,浙江 臺州 317112)

AP1000除鹽水輸送和儲存系統 (DWS系統)將除鹽水廠的來水儲存至除鹽水儲存箱(DWST),通過除鹽水輸送泵及催化除氧單元(CORS)輸送到全廠各個除鹽水用戶以及凝結水儲存箱 (CST),整個電廠一回路及二回路的水均來自DWS系統。

DWS系統調試期間發現,當DWS向CST水箱供水時,除鹽水出口供水母管壓力僅為0.25～0.3 MPa(壓力受CST水箱液位波動),設備冷卻水系統 (CCS系統)等用戶無法獲得所需的除鹽水。為了向CCS波動箱供水,維持較高的系統壓力,需提高除鹽水母管的背壓,因此需對CST供水管線進行限流,以解決除鹽水母管供水壓力不足的問題。

1 問題分析

根據DWS系統設計要求,DWS系統需滿足向CST及CCS同時供水的需求,其中向CST供水流量為56.8 m3/h(250gp m),向CCS供水流量為22.7 m3/h(100 gp m)。

除鹽水從DWST CORS流出后,途經附屬廠房 (DWS-L241)、汽輪機廠房 (DWS-L514、DWS-L502、DWS-L506、CCS-L130、CCSL143),送至標高位于187′-3″的設備冷卻水波動箱 (CCS-MT-01),該水箱是AP1000機組DWS系統標高最高的用戶之一。

為了滿足用戶供水需求,除鹽水供水母管出口A位置必須有足夠的壓頭來克服整條供水管線阻力及管道內液體靜壓;為了滿足CCS供水需求,示意圖B位置必須要有足夠的壓力來克服管道B-D-E-F段阻力及標高靜壓。

1.1 供水壓力需求計算

圖1 DWS分配管網示意圖Fig.1 Schematic of DWS distribution piping

圖2 DWS向CCS及CST供水管線標高示意圖Fig.2 Schematic of the elevation of DWS water supply pipelines to CCS and CST

式中:ΔPA——滿足CCS供水需求所需DWST CORS出口A處最小壓力;

ΔPB——CCS供水支管接口B處最小壓力;

ΔPA-B、 ΔPB-D、 ΔPD-E、 ΔPE-F——AB、B-D、D-E、E-F段管道摩擦壓力損失;

ΔPA-F——A、F標高靜壓差;

ΔPB-F——B、F標高靜壓差。

根據DWS核島及常規島管道安裝圖,從DWST CORS出口至DWS-L502接口三通 (A-B段),管徑4″(0.1016 m),流量350 gp m,直管線總長703.8′(約214.5 m),管道附件數量及等效長度如表1所示。

表1 DWS-L241及DWS-L514管道附件等效表Table 1 DWS-L241 and DWS-L514 pipe fittings equivalent table

1.1.1 雷諾數的計算[2]

式中:Re——雷諾數;

d——管道的內徑,in;

v——管道內流體流速,ft/s;

ρ——流體的密度,l b/ft3;

μ——流體的黏度,c P。

本文取水溫為70℉ (21℃),此時μ=1.05,ρ=103kg/m3=62.381 b/ft3。

式中:Q——管道內流體流量,L/min;

d——管道的內徑,in。

已知Q=350 gp m,d=4″,代入式 (4),計算得v=8.925 ft/s。

將已知數據及計算結果代入式 (3),計算得Re=262 782。

1.1.2 管道摩擦系數的計算

管道摩擦系數的計算按Colebrook for mula(柯爾布魯克)公式進行計算[3]:

式中:f——摩擦系數;

ε——管壁的絕對粗糙度,in;

d——管道的內徑,in。

管道的絕對粗糙度為0.0018 in,d=4 in,將式 (3)計算結果代入式 (5)計算得f=0.017。

1.1.3 管道摩擦壓力損失計算[2]

式中:h1L00——100管道流體壓頭損失,ft;

f——摩擦系數;

v——管道內流體流速,ft/s;

d——管道的內徑,in。

1.1.1及1.1.2計算數據代入式 (6),得出h1L00≈6.31 ft。

式中:ΔP100——100管道流體壓力損失,psi。

式中:ΔPA-B——A-B段管道摩擦壓力損失。

式中:Lf——管道配件等效總長度,ft;

Lp——直管道總長度,ft。

式中:L1——45度彎頭等效總長度,ft;

L2——90度彎頭等效總長度,ft;

L3——閘閥等效總長度,ft;

L4——直線三通等效總長度,ft;

L5——直角三通等效總長度,ft。

代入表1數據得:Lf=9×2.9+33×4.4+2.7+17×6.7+2×20.1=328.1 ft,

故:L=328.1+703.8=1031.9 ft。

1.1.4 B-D、D-E、E-F段壓力損失計算:

同理,可得出管線 DWS-L502(B-D)、DWS-L506 及 CCS-L130(D-E)、CCS-L143(E-F)壓力損失,見表2。

表2 管道摩擦壓力損失計算表Table 2 Calculation for the friction pressure loss of pipeline

1.1.5 A～F,B～F標高靜壓差計算

式中:ρ——水的密度,取103kg/m3;

g——重力加速度,取9.8 m/s2;

H——DWST CORS出口與CCS波動箱H1液位高度差,m。

已知DWST CORS出口標高:113 ft,CCS波動箱H1液位約12 ft,CCS波動箱底部標高:187 ft,故:H=187+12-113=86 ft=26.2 m。代入式 (8)得:

ΔPA-F=256 760 Pa=0.257 MPa,同理ΔPB-F=0.343 MPa。

將1.1.3～1.1.5計算結果代入式 (1)、式(2)得:

1.2 原因分析

根據1.1計算結果可知,為了滿足CCS波動箱供水需求,DWST CORS出口母管壓力必須大于0.55 MPa,CCS供水支管B處的壓力必須不小于0.44 MPa。

CST水箱正常液位約為13 m(水箱布置在汽機房0 m 層,EL:100′-0″),B 點標 高84′-6″(距離0 m層-4.7 m),故CST水箱正常液位至B點的高度差為:h=13+4.7=17.7 m。計算得出:靜壓差ΔP≈0.173 MPa。

當DWS-V009全開向CST供水時,由于DWST CORS出口管徑為4″,CST供水管線最小管徑為4″,CST供水路徑沿程阻力很小,僅依靠CST中的水位提供背壓,此時B點背壓約為0.173 MPa,遠小于計算所需0.44 MPa,故CCS供水分支管線無法獲得所需的壓力,因此,無法向CCS波動箱供水。

根據DWS系統設計,除鹽水出口母管壓力通過壓力控制閥DWS-V025進行調節,維持在0.69 MPa左右,但是當DWS-V009全開時,由于除鹽水母管背壓不足,此時,無論如何調節DWS再循環壓力控制閥DWS-V025,都無法將除鹽水出口母管壓力調至系統設計壓力,設計方并未考慮DWS-V009全開時整個系統的壓降,導致DWST CORS出口母管壓力無法達到設計壓力,因此目前DWS管線設計并不滿足系統設計要求,需對DWS分配管線進行修改。

2 解決方案

為了從根本上解決DWS向用戶的供水問題,需對CST供水管線進行節流,以滿足其他用戶的供水需求。有以下幾種方案供選擇:

方案一:調節閥門DWS-V009的行程,控制CST補水流量,以提高除鹽水母管的背壓。

限制閥門行程是常用的節流做法。根據閥門圖紙及現場核實,DWS-V009具有限位調節螺母,閥門行程距離為25 mm,試驗中手動操作閥門發現,當滿足CCS供水需求時,閥門DWSV009的開度大約為40%,因此需限定閥門的行程為0～10 mm,經氣動閥專業人員確認,閥門限位調節范圍很小,無法將閥門限位調整至系統要求的開度。對于是否可以在現場通過增加閥門限位裝置來控制閥門的行程,進而限制閥門的開度,經廠家確認,現場無法實施,若需增加限位,需返廠實施,但無法驗證增加限位后可否滿足要求,且可能導致現有閥門的報廢。因此,對現有閥門DWS-V009限位調節的方法不可行。從現場實際情況及改造實施難度上,該方案對于三門一期工程都是不可取的,需考慮其他方案。

方案二:增加手動截止閥,對CST補水管線進行節流。

在CST補水管線 (DWS-L022)凝結水儲存箱除鹽水補給止回閥 (DWS-V008)的上游 (圖2 C位置)增加一個手動截止閥 (DWS-V569),通過試驗,調節閥門開度來限制DWS向CST的補水流量,進而獲得CCS補水所需母管壓力。在系統壓力設定好了之后,移除閥門DWS-V569的手輪,防止人員誤操作而改變閥門的開度。設計方采用該方案對三門一期工程CST供水管線進行改造。該方案具有一定的靈活性,可根據用戶需求,調節流量。但是,該方案也存在一些缺點,一方面增加設備就會增加故障檢修點;另一方面當對閥門進行檢修或其他原因需對閥門進行操作時,閥門的開度可能會被改變,此時需對閥門開度進行重新調節。

方案三:增加節流孔板,對CST補水管線進行節流。

可以在CST供水管線上增加一塊節流孔板,以限制CST的補水流量,獲得CCS波動箱補水所需的背壓,同時需滿足孔板后的壓力足以將CST注水至H1液位。根據現場管線實際布置,在DWS-V009/V008的上游 (圖2 C位置)安裝流量孔板,取代方案二閥門DWS-V569。采用流量孔板,一方面增加設備少,改造容易,節約人力物力;另一方面只需在設計時計算所需孔板的尺寸,不需要運行維護,且安全可靠,節約運行成本。

3 方案比較

根據以上3種方案分析,均需對CST供水管線進行節流,以提高除鹽水母管背壓,三種改造方案優缺點比較如表3。

表3 改造方案比較Table 3 Alter ation schemes comparison

根據以上對比,方案二和方案三均可以解決目前DWS系統向CST供水時,母管壓力不足的問題,綜合考慮改造成本及系統運行的可靠性等方面,方案三更簡單方便,也更安全可靠,建議采用方案三增加流量孔板對CST供水管線進行改造。

4 孔板尺寸計算

根據第1節分析,DWS系統向CST供水時,需限定CST供水流量為56.8 m3/h(250 L/min),供水管徑4″。

水管道節流孔板孔徑可按下式計算[4]:

式中:dk——孔板的孔徑,mm;

Q——通過孔板的流量,已知為56.8 m3/h;

ρ——水的密度,取103kg/m3。

ΔPK——孔板前后壓差,ΔPK=P1-P2,P1、P2:孔板前、后壓力。

式中:ΔPB-C——B、C標高靜壓差,根據圖2標高圖知B、C標高差約為4′,根據式 (8)計算得ΔPB-C=0.01 MPa。

將1.1計算結果代入式 (10)得:P1=0.45 MPa。

備注:根據施工圖,由于B、C兩點距離很近,故忽略管道摩擦壓力損失。

孔板后壓力P2,取CST水箱H1液位時的靜壓,CST水箱H1液位約為13 m(水箱布置在汽機房0 m層),孔板安裝位置大約在汽機房地下-6 m,故h=13+6=19 m。代入式 (8)得出:P2=0.19 MPa。

故ΔPK=0.26 MPa;代入式 (9)得:dk≈38.5 mm,因此孔板孔徑選取38.5 mm,法蘭配合面管徑為4″。

5 結束語

通過理論計算分析,DWS系統原設計計算書存在缺陷,目前管線設計不滿足DWS系統用戶供水壓力需求,需對CST供水管線進行改造。通過對比分析,方案3增加節流孔板,滿足系統設計供水需求,且造價低、改造簡單、安全可靠。

三門一期工程因設計方采用方案2,對CST補水管線進行改造,生產階段可以采用方案3進行設計變更,后期工程建議在CST供水管線上使用節流孔板,孔板孔徑選取38.5 mm。