海水溫升對冷鏈換熱器換熱能力影響分析及應對措施

劉翠波 王慧淵 劉敏華

（中廣核工程有限公司核電安全監控技術與裝備國家重點實驗室）

冷鏈換熱器是核電廠冷卻系統中的重要設備，在核電廠正常運行和事故工況下，冷鏈換熱器將從設備冷卻水系統（RRI系統）收集的核島熱量傳遞給冷側的重要廠用水系統（SEC系統），最終熱量被輸送至最終熱阱——海水。

冷鏈換熱器的冷側流體為海水，取自核電廠所在廠址的毗鄰海域。冷鏈換熱器在設計之初，一般會根據取水海域海水自然水溫的歷史數據進行相應的修正，計算確定一個相對較高的溫度作為冷鏈換熱器的冷側海水入口溫度，即TSEC值［1］。TSEC決定著冷鏈換熱器的換熱驅動力——對數平均溫差的大小，在相同的設計熱負荷和熱側出口溫度限值條件下，TSEC越低，則冷鏈換熱器的對數平均溫差越大，換熱驅動力越大；TSEC越高，則換熱器的對數平均溫差越小，換熱驅動力越小。對于冷鏈換熱器而言，TSEC越高，則其熱工設計工況越惡劣，對冷鏈換熱器的換熱能力要求越高。

近幾十年來，隨著全球變暖的加速和極端高溫天氣的頻繁發生，濱海核電廠附近的海水溫度較核電廠設計之初有所升高［2］。另外，很多濱海核電廠在原有廠址上進行擴建，后續擴建機組的溫排水也會升高核電廠周邊取水海域的海水溫度。海水溫度的升高會造成TSEC的升高，使冷鏈換熱器換熱的熱工工況趨于惡劣，可能造成冷鏈換熱器無法滿足冷卻系統的換熱要求，如在正常運行工況下無法將RRI系統來水冷卻至RRI系統用戶換熱器要求的溫度之下，觸發機組狀態后撤，降低機組的可用率；在事故工況下，影響核島反應堆剩余衰變熱量的導出，嚴重情況下會危及核安全。

因此必須對海水溫度上升引起的TSEC升高予以足夠重視，分析它對在運核電廠冷鏈換熱器換熱能力的影響，并考慮應對措施，提高冷鏈換熱器可接受的冷側海水入口溫度值。

1 T SEC升高對冷鏈換熱器換熱能力影響分析

1.1 冷鏈換熱器工況參數和設備參數

筆者以中國南方某濱海核電廠為例，分析TSEC較原設計值升高時對冷鏈換熱器換熱能力的影響。該冷鏈換熱器設計熱工參數如下：

熱負荷 30.6 MW

熱側流量 774.0 kg/s

冷側流量 818.4 kg/s

熱側出口溫度限值 38℃

冷側海水入口溫度TSEC33.5℃

換熱裕量 20.32%

國內核電廠的冷鏈換熱器均為可拆式板式換熱器，該核電廠冷鏈換熱器設備參數如下：

板片數量 431

單板面積 2.954 m2

板片厚度 0.6 mm

板片材料 純鈦

形波紋角度 120°（H板）/60°（W板）

1.2 T SEC升高對冷鏈換熱器換熱裕量的影響

對于特定的熱工工況，表征冷鏈換熱器換熱能力的指標為換熱裕量，其定義式［3］如下：

式中 Kclean——冷鏈換熱器在干凈條件下的總傳熱系數；

Krequired——冷鏈換熱器所需的總傳熱系數。

表1給出了隨著TSEC提高，冷鏈換熱器換熱裕量的變化情況。

表1 換熱裕量隨T SEC的變化情況

當TSEC=33.5℃時，該冷鏈換熱器擁有20.32%的換熱裕量。隨著TSEC的逐漸升高，換熱裕量基本呈線性降低趨勢，當TSEC升高至33.9℃時，換熱裕量為10.07%；當海水溫度升高至34.3℃時，換熱裕量為-0.13%。

換熱裕量的高低在一定程度上影響著冷鏈換熱器的清洗頻率，一般情況下換熱裕量越大，換熱器承受污垢的能力越強，換熱器的清洗頻率越低，反之，換熱裕量越小，則換熱器清洗頻率越高。由上述分析可知，TSEC的升高會降低冷鏈換熱器的初始換熱裕量，導致其板片耐污垢能力降低，從換熱器投運到停運（進行清洗去污）的時間會縮短，即清洗頻率會升高。

根據工程經驗，冷鏈換熱器的初始換熱裕量最小應保持為10.00%。由表1可知，此時冷鏈換熱器的可以允許TSEC由33.5℃升高至33.9℃，當然這是以降低冷鏈換熱器初始裕量為代價的，可能會造成換熱器清洗頻率的升高。

2 提高可接受冷側海水入口溫度值的措施

盡管通過降低冷鏈換熱器初始換熱裕量，可以在一定程度上增加冷鏈換熱器可接受的冷側海水入口溫度值，但該值較小，如上文分析僅為0.4℃，因此需要進一步考慮其他工程手段，使冷鏈換熱器可接受冷側海水入口溫度值（定義為TSEC′）進一步升高。筆者提出了4種應對措施：增加板片數量；采用大角度波紋板片；增大冷側海水流量；提高熱側出口溫度限值。在采取上述措施時，均保持換熱器具有10.00%的換熱裕量。

2.1 增加板片數量

冷鏈換熱器的換熱器框架具備額外加裝一定數量（板片數量的20%～30%）板片的空間，因此可以考慮在現有的換熱器上直接增加板片數量，以增強換熱能力，使TSEC′升高。

圖1給出了冷鏈換熱器TSEC′隨板片數量增加百分比的變化曲線。隨著板片數量的增加，TSEC′值逐漸增大，當板片數量增加30%時（板片數量為561片），TSEC′為34.35℃，相比不加裝板片時的33.90℃增長了0.45℃。

圖1 T SEC′隨板片數量增加百分比的變化曲線

增加板片數量，雖然增加了換熱面積，使冷鏈換熱器換熱能力增強，但由于過流通道數量增加，板間流速將隨之降低，導致膜傳熱系數降低，最終降低了冷鏈換熱器的總傳熱系數：當板片數量增加30%時，總傳熱系數約降低了14%。但從總體上看，換熱面積的增加最終使換熱器換熱能力得到了增強。

2.2 采用大角度波紋板片

該冷鏈換熱器采用了兩種板片，分別是大角度波紋板片（H板）和小角度波紋板片（W板）。通過2種板片不同組合，可形成3種不同性能的流道，即高流阻流道（HH流道）、中流阻流道（HW流道）和低流阻流道（WW流道）。在板間相同的當量流速下，HH流道紊流程度最強，因此傳熱能力強，流阻大；WW流道紊流程度最弱，其傳熱能力弱，流阻小；HW流道的傳熱能力和流阻則處于中間水平［1］。

該冷鏈換熱器的流道全部是HW流道，即換熱器板片組中的板片是H板和W板交替布置，形成HW流道。為了增強冷鏈換熱器的換熱能力，可將部分流道調整為HH流道，即構成HH+HW的流道匹配模式（圖2）。

圖2 流道組合（HH+HW）

圖3給出了不同HH流道數量占比下TSEC′的變化曲線。隨著HH流道數量占比的增加，冷鏈換熱器總傳熱系數逐漸增大，TSEC′逐漸增大。當HH流道占比達到100%時，其耐受海水溫度增長至34.75℃，相比全部為HW流道時的33.90℃增長了0.85℃。

圖3 T SEC′隨HH流道數量占比的變化曲線

由上述計算可知，將冷鏈換熱器的部分流道調整為HH流道可以有效提高TSEC′，但HH流道的流阻較大，隨著HH流道占比的增長，冷鏈換熱器的壓損也將增大，全部采用HH流道的壓損是全部采用HW流道的約2倍。冷鏈換熱器壓損的增大勢必會增大整個SEC系統的系統阻力，導致海水流量的降低，因此該方案需要進行系統水力核算，核實海水流量的降低程度。

2.3 增大冷側海水流量

增加冷鏈換熱器冷側的海水流量，將增大冷側的膜傳熱系數，進而增加換熱器的總傳熱系數，增強換熱能力。圖4給出了TSEC′隨海水流量增加的變化曲線，隨著海水流量的增加，TSEC′逐漸增大，當海水流量增加25%時（對應流量為1 023 kg/s），TSEC′增長至34.98℃，較基準流量（818.4 kg/s）時的33.90℃增長了1.08℃。

圖4 T SEC′隨海水流量增加百分比的變化曲線

增加冷鏈換熱器冷側的海水流量，TSEC′的升高較為明顯。但冷側流量是否可增加，需要從泵的揚程裕量、取水口水位、SEC系統管路配置和管路設備的臟污程度進行深入分析計算，進而確定可行的方案。

2.4 提高熱側出口溫度限值

通過上述手段可在一定程度上提高TSEC′值，但由于冷鏈換熱器的端差很小，如冷鏈換熱器在設計工況下為4.5℃，這從根本上制約了TSEC′的提升程度，使用上述措施，最高可從33.50℃提升至34.98℃，極限情況下也僅增加約1.48℃。若可以升高冷鏈換熱器熱側的出口溫度限值，則可以從根本解決冷鏈換熱器換熱驅動力低的問題。如圖5所示為TSEC′隨熱側出口溫度限值的變化曲線，隨著熱側出口溫度限值的提高，TSEC′基本呈線性增長。

圖5 T SEC′隨熱側出口溫度限值的變化曲線

熱側出口溫度限值受RRI系統各用戶對RRI系統水溫要求的制約，若提高該溫度，則需要對核島二回路的設備冷卻水系統的各個用戶進行換熱計算，確保滿足各個用戶換熱器的換熱要求。

3 結束語

濱海核電廠的海水溫升給核電廠在正常運行和事故情況下熱量向最終熱阱——大海的傳輸帶來了現實的挑戰。海水溫升將導致TSEC升高，惡化冷鏈換熱器的熱工工況參數，為了有效應對海水溫升導致TSEC升高的影響，提出了4種提高TSEC′值的初步措施，均可以在一定程度上提高TSEC′值，但也存在一定制約條件，尚需對各種措施進行深入分析，濱海核電廠可根據各自的具體情況考慮實施的可行性。