福清核電設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI）改進(jìn)分析與探討

廖亮 馬賢德 梁聰聰

摘 要 福清核電2號(hào)機(jī)組設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI）在冬季遇到極端低溫天氣時(shí)，在相同熱負(fù)荷條件下，由于海水溫度過低，導(dǎo)致設(shè)備冷卻水溫度過低。設(shè)備冷卻水溫度過低不利于核島重要設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文從設(shè)備冷卻水系統(tǒng)功能出發(fā)，通過分析系統(tǒng)運(yùn)行存在的問題，在采取應(yīng)對(duì)措施無效的基礎(chǔ)上，積極尋求運(yùn)行、廠家及設(shè)計(jì)人員的協(xié)助，提出對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)的幾種建議。

關(guān)鍵詞 RRI系統(tǒng)；溫度偏低；設(shè)計(jì)改進(jìn)；福清核電2號(hào)機(jī)組

中圖分類號(hào) TL4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）162-0185-02

設(shè)備冷卻水系統(tǒng)是設(shè)置在核島設(shè)備和海水之間的一個(gè)閉式循環(huán)回路，其主要功能為在核電站正常運(yùn)行和事故工況下，冷卻各種核島熱交換器。同時(shí)經(jīng)過重要廠用水系統(tǒng)冷卻后將熱負(fù)荷傳遞至最終熱阱（海水）。每個(gè)機(jī)組的RRI系統(tǒng)包括2個(gè)獨(dú)立的安全系列和一個(gè)公用的環(huán)路，公用環(huán)路可由2個(gè)系列中任一個(gè)系列供水。設(shè)備冷卻水系統(tǒng)熱交換器的工作臺(tái)數(shù)取決于在不同運(yùn)行工況下所排放的熱量。在帶功率運(yùn)行的情況下，排放的熱量實(shí)際上是常量，主要用戶是主泵、非再生熱交換器和控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在反應(yīng)堆降溫時(shí)，排放的熱量是變化的，最重要的用戶為余熱排出系統(tǒng)。在燃料更換時(shí)，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)所需排放的熱量明顯減少。

福清核電2016年1月遭遇冬季極端低溫天氣時(shí)，由于海水溫度過低，2號(hào)機(jī)組RRI溫度最低降至11℃。福清采用Andritz生產(chǎn)的主泵，其中主泵運(yùn)行參數(shù)表中明確要求軸封冷卻水最低不能低于12℃。另外，化學(xué)與容積控制系統(tǒng)（RCV）下泄熱交換器后溫度也出現(xiàn)了明顯的下降（25℃左右），一回路下泄溫度偏低將影響下游除鹽床離子交換樹脂的效率，可能導(dǎo)致一回路水質(zhì)惡化。

1 RRI設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和安全準(zhǔn)則

設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在電站所有運(yùn)行工況下，當(dāng)海水最高溫度為30.7℃時(shí)，提供的設(shè)備冷卻水最高溫度為35℃，但下述情況除外：1）在進(jìn)入冷停堆和次臨界停堆工況下，當(dāng)海水最高溫度為30.7℃時(shí)，供給的冷卻水溫度為40℃；2）在失冷卻劑事故（LOCA）工況下，當(dāng)海水最高溫度為35.5℃ 時(shí)，供給的冷卻水溫度為45℃。

在《2×600MW壓水堆核電廠核島系統(tǒng)設(shè)計(jì)建造規(guī)范》（GB/T15761-1995）和RCC-P《法國(guó)900MW壓水堆核電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建造準(zhǔn)則》中對(duì)設(shè)備冷卻水換熱器的出口溫度的最高值進(jìn)行了限制，一般要求在停堆后4h開始，按照安全廠用水溫度為歷年第七天的最高溫度、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)各個(gè)冷卻器的進(jìn)口溫度限制在35℃。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和安全準(zhǔn)則中，未對(duì)設(shè)備冷卻水允許的最低溫度給出限值。

2 福清RRI系統(tǒng)運(yùn)行存在的問題

福清核電冬季遭遇極端低溫天氣時(shí)，海水溫度下降導(dǎo)致RRI側(cè)出口溫度過低，RRI溫度低至11℃，低于主泵運(yùn)行要求限值（15℃）。同時(shí)RRI側(cè)出口溫度過低對(duì)以下系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行可能造成不利影響：1）主泵軸封水冷卻水溫度過低，主泵油冷卻器過度冷卻可能導(dǎo)致主泵軸承潤(rùn)滑油粘度高，增大泵軸振動(dòng)；2）不利于DEG系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；3）不利于DEL系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；4）RCV155VN開度過小，RRI155VN 閥門所在管線運(yùn)行溫度過高，影響設(shè)備運(yùn)行。

3 采取措施

3.1 板換SEC側(cè)閥門節(jié)流

在出現(xiàn)RRI溫度低于設(shè)計(jì)值（15℃）后，采取對(duì)RRI板換SEC側(cè)節(jié)流處理。通過對(duì)2號(hào)機(jī)組進(jìn)行節(jié)流實(shí)驗(yàn)，2SEC014VE/016VE開度從全開調(diào)節(jié)到約40°，2SEC流量從3 500m3/h降到2 800m3/h，SEC泵出口壓力湊從0.28MPa漲到0.36MPa，板換壓差從180kPa漲到282kPa，RRI溫度只漲了0.1℃，海水溫度上漲了0.1℃，效果不理想。另外節(jié)流后，導(dǎo)致?lián)Q熱器壓差逐漸增大，壓差到達(dá)250kPa將出DEC報(bào)警，干預(yù)措施失效。

3.2 停運(yùn)一臺(tái)板換

由于在RP模式下，一臺(tái)熱交換器不可用，將產(chǎn)生第一組I0：1）3天內(nèi)機(jī)組開始向RRA運(yùn)行條件的NS/ SG 模式后撤；2）4臺(tái)熱交換器累計(jì)不可用的時(shí)間限制為21天/每年。因此冬天遭遇極端低溫天氣時(shí)，采取人為停運(yùn)一臺(tái)板換方式運(yùn)行也不可取。

4 RRI設(shè)計(jì)改進(jìn)方案分析

為了應(yīng)對(duì)冬季極端天氣的影響，對(duì)每臺(tái)SEC/RRI板式熱交換器增加旁路管線，在冬季海水溫度過低時(shí)，投用旁路，防止出現(xiàn)設(shè)備冷卻水溫度低于限值的情況發(fā)生，同時(shí)提高上述設(shè)備的可靠性能。

4.1 改進(jìn)方案分析

為了提高設(shè)備冷卻水系統(tǒng)供水溫度，依據(jù)熱交換原理，有下列有幾種解決方式：

1）在需要時(shí)通過旁通方式減少冷媒即海水的流量，以減少通過熱交換器導(dǎo)出的熱量，從而提高熱側(cè)出口溫度；2）通過減少換熱面積，以減少通過熱交換器導(dǎo)出的熱量，從而提高熱側(cè)出口溫度；3）在需要時(shí)通過旁通一部分流過熱交換器的熱側(cè)流體，減少參加換熱的熱側(cè)流體，并且利用旁通的未參加換熱的熱側(cè)流體與換熱后熱側(cè)流體混合提高流體溫度。

從原理上分析，第一種減少冷媒（SEC側(cè)）進(jìn)入熱交換器的方案是最直接，最有效的方式；第二種方式減少換熱面積即修改板式換熱器板片面積，從設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和現(xiàn)場(chǎng)條件方面考慮不具備可行性；第三種方式減少熱媒（RRI側(cè)）進(jìn)入熱交換器的方案，會(huì)影響RRI系統(tǒng)各用戶（70多臺(tái)換熱器）流量分配，可能對(duì)RRI系統(tǒng)的管道阻力特性、RRI泵的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

4.2 同行電廠情況

針對(duì)冬季海水過低導(dǎo)致設(shè)備冷卻水溫度低的問題，同行專家均建議采用第一種方式。方家山項(xiàng)目由于杭州灣海水鹽分含量高，泥沙含量大，在特定流速以下會(huì)出現(xiàn)沙粒沉積現(xiàn)象。減少海水流量會(huì)導(dǎo)致熱交換器內(nèi)部海水流量降低，進(jìn)而在熱交換器內(nèi)的流速也隨之降低，可能產(chǎn)生泥沙在熱交換器內(nèi)沉積問題，以致熱交換器流道堵塞，影響設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的安全運(yùn)行，故未計(jì)劃采用第一種方案。

4.3 福清核電改進(jìn)方案建議

在板式換熱器的SEC側(cè)進(jìn)出口位置增加電動(dòng)隔離閥。SEC系統(tǒng)在板換入口前的海水母管上增加一條海水主旁通管。在主旁通管上增加2個(gè)手動(dòng)蝶式隔離閥，1個(gè)電動(dòng)蝶式調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)。通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥使海水主旁通管的阻力特性與流經(jīng)一臺(tái)板換的海水流道的阻力特性相同。

在板換海水入口前的電動(dòng)蝶閥兩側(cè)設(shè)置一條海水輔助旁通管，在輔助旁通管增加2個(gè)手動(dòng)蝶式隔離閥，1個(gè)電動(dòng)蝶式調(diào)節(jié)閥。

調(diào)節(jié)閥可以遠(yuǎn)傳至主控室的控制器，同時(shí)要求可就地顯示并可以修改參數(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制和主控室遠(yuǎn)傳控制功能，見圖1。

5 運(yùn)行模式分析

根據(jù)重要常用水系統(tǒng)（SEC）的管路配置，提供了以下幾種調(diào)節(jié)板換內(nèi)海水流量的運(yùn)行模式。

5.1 旁通整列RRI熱交換器

RRI單泵運(yùn)行時(shí)，打開海水主旁通管，使海水同時(shí)流經(jīng)主旁通管路和兩臺(tái)熱交換器。在這種情況下經(jīng)過每臺(tái)板換的海水流量只有總流量的1/3。

5.2 旁通單臺(tái)RRI熱交換器

RRI單泵運(yùn)行時(shí)，打開海水主旁通管，全關(guān)其中一臺(tái)板換的海水側(cè)隔離閥，使海水只流經(jīng)一臺(tái)板換及海水主旁通管。在這種情況下通過熱交換器的海水只有總流量的一半。

5.3 旁通單臺(tái)RRI熱交換器+減少熱交換器內(nèi)海水流量

在旁通單臺(tái)RRI熱交換器的前提下，打開運(yùn)行熱交換器的海水輔助旁通管，全關(guān)此熱交換器的隔離閥，海水輔助旁通管上設(shè)置有調(diào)節(jié)閥，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)通過板換的海水流量。

6 結(jié)論

冬季海水溫度過低導(dǎo)致設(shè)備冷卻水溫度偏低問題，在同行電廠中普遍存在。為了從根本上解決此問題，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)。本文從RRI系統(tǒng)冬季溫度偏低問題出發(fā)，在采取干預(yù)措施失效的情況下，提出了系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)優(yōu)化建議。福清核電群堆模式建設(shè)下，相同機(jī)組可能存在類似問題，針對(duì)RRI系統(tǒng)采取的措施和相關(guān)改進(jìn)建議對(duì)于后續(xù)機(jī)組有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]福建福清核電1、2號(hào)機(jī)組高級(jí)運(yùn)行培訓(xùn)教材.內(nèi)部培訓(xùn)教材.

[2]設(shè)備冷卻水系統(tǒng)手冊(cè)[S].中國(guó)核電工程有限公司，2014.

[3]化學(xué)與容積控制系統(tǒng)手冊(cè)[S].中國(guó)核電工程有限公司，2014.