AP1000核電站常規島閉式冷卻水系統全廠失電工況研究

胡劍平

摘 ? 要：介紹AP1000核電站常規島閉式冷卻水系統基本信息;重點分析全廠失電工況方案研究;提出該系統在正常運行、全廠失電、柴油機帶載運行、恢復供電四個步驟的控制方案;計算在不同運行泵數量下的冷、熱水閥開度總和，以防止單臺泵運行超流量;核算冷水閥V007在最大流量工況下不會發生汽蝕;對其他電站在全廠失電工況下的閉式水系統投運方式具有較好的借鑒和參考意義。

關鍵詞：AP1000 ?核電 ?常規島閉式冷卻水系統 ?全廠失電

中圖分類號：TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0001-03

1 ?引言

三門核電一期工程常規島閉式冷卻水系統，設計方為日本三菱重工和華東電力設計院，該系統向常規島設備提供冷卻水，并將導出的熱量傳輸至開式循環冷卻水系統，并最終通過循環冷卻水系統將熱量排放入大海。主要設備有三臺閉式冷卻水泵和三臺板式熱交換器，正常運行工況，為兩臺50%容量的泵并聯運行[1]。

三菱重工的參考電站為日本泊三電廠，有兩臺閉式泵設計為柴油發電機做備用電源，然而三門核電一期工程受限于柴油發電機的容量，在全廠失電時，僅能夠啟動一臺閉式泵（C泵）提供冷卻水，本文對常規島閉式水系統全廠失電工況研究，通過分析計算提出防止單臺閉式泵運行超流量，同時避免冷水閥V007發生汽蝕的控制方案，為汽輪發電機等常規島設備安全停機提供可靠保障。

2 ?方案研究

常規島閉式水系統在正常運行時，為兩臺閉式冷卻水泵A和B運行，C泵備用;當發生全廠失電事故工況時，閉式泵A和B停運，C泵由柴油發電機帶載啟動。為確保該系統穩定運行，以下通過分析計算，提出正常運行、全廠失電、柴油機帶載運行、恢復供電四個控制步驟。

2.1 正常運行

在兩臺閉式泵A和B運行，C泵備用的正常工況下，通過自動調節冷水閥V007和熱水閥V009的開度K1和K2，使閉式水出口母管的溫度TE003保持恒定在35℃。兩臺閥門的開度總和K1+K2=K，兩臺泵正常運行時K值取1，即V007和V009開度總和為100%，如圖1所示。

2.2 全廠失電

在發生全廠失電事故工況下，閉式泵A和B全都停運，閉式水出口母管溫度將逐漸升高并大于35℃，圖1中閉式水系統最大的兩個用戶：汽輪機潤滑油冷卻器和發電機氫冷卻器的溫度調節閥V020和V410將逐漸全開。所以，閉式水系統管路阻力將達到最小，閉式泵C在柴油發電機帶載啟動后流量將達到最大。

閉式冷卻水泵結構為臥式離心泵，為防止電機啟動電流過大，設計要求為關閥起泵。所以，當閉式泵全都停運時，冷、熱水閥開度總和K值取0，即閉式泵出口的V007和V009都保持關閉，滿足后續閉式泵C在柴油發電機帶載時的關閥啟泵要求。

2.3 柴油機帶載運行

當發生全廠失電事故工況后，120s后柴油發電機順序帶載啟動閉式泵C。以下，分別從單臺閉式泵運行最大流量，和冷、熱水控制閥總開度的K值計算，得出具體控制方案。

2.3.1 最大流量

根據該閉式泵的設計參數，額定運行流量為1950m3/h，揚程60m，效率85%，電機額定功率為450kW，為防止電機過載，閉式泵的軸功率不能超過450/1.1=410kW。由功率流量對應關系，得出此時運行流量為3200m3/h，揚程37.5m，效率80%，該為閉式泵能夠穩定運行的最大流量工況。

2.3.2 K值計算

此時，由于閉式水母管出口溫度大于35℃，冷水閥V007將逐漸增大至開度K，熱水閥V009將逐漸減小至開度0。所以，閉式泵C的運行流量完全由冷水閥V007的開度K來控制，該K值的計算過程如下。

根據表1設計院提供參數，當閉式泵C在最大流量3200m3/h下運行時，冷水閥V007進出口壓差為ΔP=6.68-5.62=1.06bar.a。為確定冷水閥V007的開度K值，需計算流量系數Cv值，公式如下[2]。

2.4 恢復供電

當全廠恢復供電，第二臺閉式泵啟動瞬間，閥門V007將承受最大差壓?P。為確保系統運行穩定，需核算當兩臺閉式泵啟動瞬間，V007在53%開度下是否會發生汽蝕。

首先，需計算兩臺泵啟動后的流量和揚程，見圖2所示，曲線Ⅰ為熱水閥V007在開度53%下的系統管路特性曲線，曲線Ⅱ和Ⅲ分別為單臺泵和兩臺泵的運行性能曲線。當恢復供電后，第二臺閉式泵啟動，泵運行性能由曲線Ⅱ變為曲線Ⅲ，而管路特性曲線Ⅰ保持不變，所以，工況點由A點轉移至B點。由繪圖法得，此時B點兩臺閉式泵運行的總流量為4105m3/h，揚程為59.5m。

然后，為核算熱水閥V007在此工況下是否會發生汽蝕，在工廠設計中，通常以最大允許計算壓力降?Pmax為汽蝕的判定準則。?Pmax與額定液體壓力恢復系數FL有關，而FL與閥芯形狀、閥體結構、閥內液流流向有關。FL值越大的閥，允許承受的壓差越大，抗汽蝕的能力也越強。若閥門兩端壓差?P

同樣，根據表1設計院提供參數，當兩臺閉式泵在流量4105m3/h下運行時，冷水閥V007進口絕對壓力P1=8.19bar.a，進出口壓差為ΔP=8.19-6.67=1.52bar.a。將P1代入公式（2）中計算得最大允許計算壓力降?Pmax=4.57bar.a。計算結果表明： ?P

當兩臺閉式泵啟動后，K值恢復為1，冷、熱水閥V007和V009開度總和達到100%，閉式水系統再次恢復正常運行。

3 ?結語

本文通過對冷、熱水閥總開度K值的計算：當兩臺泵運行時K=1;一臺泵運行時K=0.53;所有泵都停運時K=0，實現閉式水系統的正常運行、全廠失電、柴油機帶載運行、恢復供電四個控制步驟，有效防止了單臺泵運行超流量，及控制閥發生汽蝕，保障了閉式水系統的穩定運行。

當前國內絕大多數核電站及火電站，在發生全廠失電事故工況時，閉式水系統均未設置柴油發電機做備用電源，導致汽輪發電機等常規島設備在停運過程中的余熱無法排出。特別是汽輪機軸承及發電機線圈，在墮轉過程中仍會產生大量余熱，存在設備過熱損壞的風險。因此，三門核電常規島閉式冷卻水系統，在全廠失電工況下的單臺泵運行模式，有效保障了機組的安全停運，對其他電站有很好的借鑒意義。

參考文獻

[1] 顧軍.AP1000核電廠系統與設備[M].北京：原子能出版社，2010.

[2] 房汝洲.2006版新編調節閥設計及應用實務全書[M].北京：中國知識出版社，2006.

[3] 費希爾控制設備國際有限公司.控制閥手冊[Z].中國，2005.