秦山核電廠設備冷卻水冬季運行方式的探討

歸東偉

摘 要

秦山核電廠在冬季運行時存在海水溫度過低的問題，設備冷卻水系統因此需要調整正常運行方式，防止過度冷卻，保證核島設備與系統安全。由于系統為三臺泵和三臺冷卻器并列向A/B/C三列支管供水的布置方式，導致在特定運行方式下存在流量分布不均，甚至導致部分核島設備冷卻被旁路的問題，危害設備安全。本文對這些問題進行分析與探討，并提出最優化的運行方式。

關鍵詞

設備冷卻水;冬季低溫;運行方式

中圖分類號： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.046

0 引言

設備冷卻水作為海水和核島設備的中間回路，能為對安全有重要作用的構筑物、系統及部件（包括主反應堆冷卻劑主泵和余熱排出系統熱交換器等）提供適當的冷卻容量，將熱量傳遞給最終熱阱--海水。在正常運行及事故工況時保證安全設備正常運行。秦山核電設冷水系統由三臺設冷泵、三臺熱交換器、一個波動箱以及相應的閥門、管道及儀表組成。在設冷系統運行時，設冷泵輸送設冷水，經過設冷熱交換器的殼側，將熱量傳給管側的海水，然后再分別經過三條母管（A、B、C），流經所需冷卻的設備，最后返回設冷泵的入口。系統回路包括兩個安全設施系列A/B環路和一個公共回路C環路系統流程如附圖1。按照系統工藝設計，在大熱負荷情況，二臺設冷泵和二臺設冷熱交換器就足以帶走余熱排出系統熱交換器和各種安全設施中冷卻設備的熱量。

設備冷卻水熱交換器為核安全3級，抗震Ⅰ類設備。海水側設計溫度為進口25℃，出口32℃。設冷水側設計進口溫度42℃，出口30℃。[1]

1 冬季運行方式的設置

按照系統設計，一回路海水設計溫度為25℃，經過熱交換器交換熱量后將設備冷卻水維持在設計溫度32℃。正常運行時，根據海水溫度的變化，調整設冷熱交換器的運行方式維持熱交換器設冷水出口溫度在20～32℃范圍內。但在實際冬季運行時，秦山地區海水溫度較長時間內低于10℃，嚴寒天氣會低于5℃，這給運行人員調整運行方式帶來很大壓力。

1.1 按照熱交換器傳熱原理，調整傳熱量，存在以下調整措施

1）改變熱交換本身的傳熱能力，滿足系統換熱量，如可變傳熱率/傳熱面對，這種方案對熱交換器設計要求較高，設備原因無法實現;

2）增加設備冷卻水系統熱容量，增大所需通過傳遞給冷源的熱量，由于正常運行時系統換熱量較小且穩定，此方案符合熱交換原理，但實際也無法實現。

3）減少通過熱交換器的設備冷卻水流量，可以調整減少設備冷卻水泵的運行運行數量或者減少設備冷卻水泵的出口流量，可以使設備冷卻水通過不投冷卻的熱交換器進行旁通，也可以對熱交換器設置旁路支管進行旁路冷卻。

4）減少通過熱交換器的海水流量，可以直接調整海水泵的出口流量，可以使海水通過不投設備冷卻水的熱交換器進行旁通，也可以對熱交換器海水側設置旁路支管。由于秦山核電地處錢塘江入海口，海水泥沙含量較高，直接減少海水流量容易造成管路淤積堵塞，因此流量存在限制。

5）減少進行熱交換的換熱面積，可以減少投運的熱交換器的數量。

1.2 秦山核電的正常運行方式

按照1.1所述調整措施，結合生產和設備實際，在設冷水溫度低于20℃，秦山核電正常運行按順序可采用如下調整方式維持設冷水溫度在20℃以上。

1）減少投運的熱交換器，保持一臺熱交換器運行。

2）增開一臺或兩臺備用設冷熱交換器的海水出口閥，以減少冷卻熱交換器的海水流量。

3）調節運行海水泵出口閥開度，降低海水總管流量。由于秦山核電地處錢塘江入海口，海水泥沙含量較高，直接減少海水流量容易造成管路淤積堵塞，因此流量存在限制。海水流量調整不應低于1200m3/h。

4）如設冷水溫度仍偏低，則選定一臺熱交換器同時通設冷水和海水，用作冷卻設冷水，余下兩臺熱交換器一臺只投運設備冷卻水，關閉其海水側出口閥，另一臺熱交換器通海水，關閉其設備冷卻水出口閥。[2]

2 冬季運行方式下存在的問題

按照圖1所示系統流程見圖，秦山核電在實際運行中由于三臺設備冷卻水泵和三臺熱交換器的并聯布置，導致在特定運行方式下存在冷卻流量分布不均的問題。

2.1 單臺泵與單臺冷卻器

因熱交換器的實際布置，導致設備冷卻水去A/B/C各支管流阻不同，造成冷卻流量不均勻，各支管冷卻溫度不同。較大的支管溫差對于設備和系統的穩定運行帶來威脅。因此，需要探索出一種能夠均衡冷卻流量的運行方式。保持一臺設備冷卻水泵和一臺海水泵運行，進行各種組合運行如表1。

對于方案A，海水投運A/C側，設冷水側投A/B。設冷水平均溫度為（18.3+30.6）/2=24.45℃設冷熱交換器A/B設冷水出口溫差為：30.6-18.3=12.3℃，設冷水升溫明顯，但兩列支管溫差大。

對于方案B，設冷熱交換器A/B/C海水側全投，設冷水側投A/B，設冷水平均溫度（15.5+16.1）/2=15.8℃設冷熱交換器A/B設冷水出口溫差為：16.1-15.5=0.6℃。設冷水升溫較小，兩列支管溫差小。

對于方案C，設冷熱交換器海水側投A/B，設冷水側投A/C。設冷水平均溫度為（17+25.8）/2=21.4℃。設冷熱交換器A/C設冷水出口溫差為：25.8-17=8.8℃。設冷水升溫明顯，兩列支管溫差較大。

對于方案D，設冷熱交換器海水側投B/C，設冷水側投A/C。設冷水平均溫度為（26.5+17.6）/2=22.05℃。設冷熱交換器A/C設冷水出口溫差為：26.5-17.6=8.9℃。設冷水升溫明顯，兩列支管溫差較大。

綜合對比四個組合運行方式，方案A設冷水溫度提高最多，但設冷水A/B母管溫差達到12.3℃，設冷水混合不均勻。方案B設冷熱交換器A/B/C海水側全投，該工況對提高設冷水溫度幾乎無效果。方案C與方案D在溫差接近的情況下，使設冷水溫度提高最多，且設冷水A/B母管溫差相對較小。因此方案D為最優。根據以上不同情況的數據，冬季工況為盡量提高設冷水溫度，且使設冷水A/B列溫差盡量小，應切除運行泵對應設冷熱交換器的設冷水側，使設冷水經過更多的流動及攪混，同時投運該熱交換器的海水側。

2.2 兩臺泵與單臺冷卻器

當正常按照2.1所述中方案D運行，設冷熱交換器海水側投B/C，設冷水側投A/C。此時啟動兩臺設冷泵A/B和停冷泵B運行進行定期試驗，可以得到如下數據，如表2。

從表2中數據中可以得知，單臺泵運行時，A.B兩列支管存在約8度的溫差。在啟動兩臺泵運行和B列支管大用戶停冷泵B后，支管B（停冷熱交換器B）、設冷泵B以及熱交換器B/C，和支管A/C、設冷泵B以及設冷熱交換器A之間的流阻和熱阻得到平衡，導致形成分裂的環流。設冷熱交換器C所在的B列支管一直在被冷卻最終溫度接近海水溫度，而A/C支管則完全失去冷卻，導致設冷水溫因為設備熱量的輸入不斷升溫。對安全設備的備用和運行帶來潛在的風險。由此可以證明，冬季工況兩臺泵和一臺熱交換器組合運行方式下，應避免投入海水被旁路側熱交換器所在支管的停冷熱交換器。特別是冬季大修工況時，應盡量避免處于此種運行方式下，防止系統不可用而進入技術規格書限制。

建議在后續變更改造中，采取現新建電站普遍采用的四臺冷卻泵和兩臺板式熱交換器，分為A.B兩列的系統和設備設置方式，可以完全消除這個問題。

3 結論

冬季海水溫度過低會導致設備冷卻水溫度降低，帶來運行負擔。本文從換熱原理分析運行可以采取的系統運行調整方式以確保設備冷卻水溫度在正常范圍內。并且針對秦山核電獨特的泵和熱交換器的布置方式可能產生的冷卻流量分布不均勻問題，通過試驗數據進行闡述。通過不同運行方式的對比，提出了最佳運行方式。對于后續機組變更改造存在一定的參考意義。

參考文獻

[1]最終安全分析報告.秦山核電有限公司，2018.

[2]設備冷卻水系統運行規程.秦山核電有限公司，2019.