海南核電硼回收系統管道伴熱改造分析

□胡永強 黃渝祝 韓攬月

一、概述

海南核電硼回收系統為1#&2#機組的公用系統(9TEP系統)，其主要功能為：第一，通過化學和容積控制系統(RCV)下泄流管線收集來自于反應堆冷卻劑系統和核島疏水排氣系統(RPE系統)的含氫冷卻劑；第二，處理含氫的冷卻劑，以得到反應堆的補給水和重量百分比為4%的硼酸溶液。

在9TEP運行過程中發現KIC上經常觸發9TEP705KA和9TEP706KA低溫報警，經分析后認為濃硼傳輸管道上沒有設計硼伴熱造成，且當濃硼流經未伴熱的管線時還存在結晶堵塞管道的可能，其結晶分析分析如下：除氣后的冷卻劑進入中間槽暫存，待滿后通過自然循環蒸發器處理，分離成濃硼溶液和反應堆使用的補給水(即蒸餾液)；濃硼溶液經9TEP系統的蒸發器001/002EV排放管線的冷卻器005/006RF后，經管道9TEP0030、9TEP0031、9TEP1125-1、9TEP1125-2排放至濃縮液槽007/016BA儲存；目前此低溫報警消除的方法只有一種：重新啟動蒸發器進行硼水分離時，通過高溫濃縮液排放讓管道升溫，使管道溫度升至低報值以上；但蒸發器只在需要時啟動，大部分時間處于停運狀態，特別是海南核電雙機組大修時兩臺硼伴熱蒸發器都要停運，因此這兩個報警頻繁觸發。

因此需要對原設計進行完善，在管道9TEP0030、9TEP0031、9TEP1125-1、9TEP1125-2敷設伴熱絲及熱電偶，以解決9TEP705KA和9TEP706KA低溫報警及結晶風險問題。

二、計算分析遵循的準則及適應標準

伴熱改造一是根據需要伴熱的管道進行重新設計新的配電盤、伴熱電路盤及熱電偶接線箱，這一改造思路，技改工作內容較多，實施較復雜；二是分析現有配電盤、伴熱電路盤的剩余能力(設計裕量)是否滿足新增伴熱絲的功率要求，若滿足要求，則技改實施就相對容易且費用較少。本文即是針對利用現有配電盤、伴熱電路盤的剩余能力進行的伴熱管道的計算分析。

由于是在原有系統的基礎上進行的改造，其計算分析須遵循以下準則：第一，經過分析后新增加的伴熱絲的設計需要遵循原設計要求，即新增的伴熱也需要具有正常和備用兩個冗余的系統，正常回路連續運行，備用回路僅在正?；芈烦霈F故障時自動投入；第二，被伴熱回路的控制的介質結晶溫度至少需加上4℃的安全裕量來選定溫度定值，且還需考慮濃縮液經過NX廠房時的環境溫度；第三，按原設計要求，計算分析需要假定失去全部電源后15分鐘內防止結晶的原則來確定保溫層，但原設計已制作保溫層，因此需要根據已制作的保溫層的熱損失來選取伴熱電源等級；第四，伴熱元件的伴熱功率還需與被伴熱管道、保溫層、環境最低溫度、濃縮液最高溫度之差匹配。

三、9TEP管道伴熱熱損計算及電壓功率的確定

(一)9TEP管道熱損失計算。為明確加熱電纜的功率及整個硼伴熱系統的功率分配，要對硼酸溶液流過的管道和設備的熱損失進行詳細計算。根據硼伴熱系統及EOMM手冊中提供的計算簡要說明，根據9TEP管道9TEP0030、9TEP0031、9TEP1125-1、9TEP1125-2的布置、保溫等情況。

Ho為空氣總傳熱系數，W/m2.℃;Hi為空間層傳熱系數，W/m2.℃；Kin為保溫層熱導率，W/m2.℃；Tp為管道外表面溫度，℃；Tin為保溫層外表面溫度，℃；Tc為金屬防護層壁溫，℃；Tamb為環境溫度；Dp為管道外徑，m；Dc為保溫層外金屬外徑，m。

根據熱硼伴熱系統手冊及傳熱學原理，管道熱損失標準計算公式[1]如下：

q=(Tp-Tamb)/(Rin+Ri+Ro)

其中Rin為保溫層熱阻，Ri為空間層熱阻，Ro為金屬防護層外的空氣熱阻；保溫層熱阻Rin=Ln(Dc/Dp)/2×π×Kin,Kin=0.031+0.000085(Tin+TP)；空間層熱阻Ri=Ri=1/(π×Dc×hi),hi=hri+hci；金屬防護層外的空氣熱阻Ro=1/(π×Dc×ho),ho=hro+hco。

保溫層，空氣層，金屬防護層外空氣的熱流都等于q，進而可求出管道熱損q。為確保核電廠運行安全，在伴熱設計時，選取安全系數1.3，即可得管道熱損Q=1.3q。

管道的附件(法蘭閥，止回閥，支架)的計算采用等效長度法，即該等效管道長度的熱損值相當于此管道附件整體的熱損值。通過查管道附件等效長度表，折算成管道長度后計算熱損值。

因現場已設計有保溫層，根據現場測量參數，管道直徑Dp=1.5inch，保溫層厚度=40mm，按照硼伴熱系統手冊中TEP系統7,000～7,700PPM硼濃度的管道溫度設計值Tp=42℃，環境溫度Tamb=7℃。

(二)伴熱絲電壓等級及功率的計算分析。根據回路和設計的需求選用電加熱元件進行校核計算。第一，計算相應的理論配電電壓，按照理論電壓等于或約等于最小配電電壓U×85%的原則，確定正常配電電壓U。第二，按照配電電壓(85%～110%)U范圍內波動的原則，分別計算相應最大功率、最小功率、單位熱元件長度的最大功率。熱元件單位長度的最大功率要小于100W/m。第三，根據硼伴熱系統手冊設定，TEP 7,000～7,700PPM濃硼溶液管道設定管道溫度為42℃，參考硼回收系統其余管道設計值，從保守決策考慮，設定管道主伴熱回路啟停溫度為45℃，50℃，備用伴熱回路啟停溫度為40℃，45℃，低溫報警溫度選擇為35℃，高溫報警溫度選定為65℃。

軟件部分需在PLC軟件中增加對應的測量點、報警信號點及控制邏輯。上位機上需要增加4條管道的熱電偶溫度信號顯示，高低溫報警信號。

四、結語

本文通過對硼回收系統硼濃縮液管道9TEP0030、9TEP0031、9TEP1125-1、9TEP1125-2的伴熱計算，得出伴熱絲電壓等級及伴熱功率需求，根據已有伴熱電路盤的設計電源功率，得出了僅利用已有伴熱電路盤的功率就可以滿足本次技改要求，從而節省大量技改經費；另外，對伴熱的測量部分，也可充分利用現有測量與控制部分即可解決新增熱電偶的測量與控制，節省了測量及控制卡件，PLC軟件中僅需增加溫度測點及控制信號和對應的控制邏輯，不需對軟件做大的改動，從而保證了目前軟件的完整性與有效性。通過該技改可消除9TEP705KA和9TEP706KA低溫報警現象，同時解決了這4段管道硼結晶的風險,。