凈化系統(tǒng)熱交換器組協(xié)同運(yùn)行特性研究

樂方愿，彭明民，劉建閣

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

核動(dòng)力裝置中凈化系統(tǒng)的主要功能是連續(xù)除去反應(yīng)堆冷卻劑中的可溶性和懸浮雜質(zhì)，保證冷卻劑中的雜質(zhì)濃度在允許值以下，降低冷卻劑的放射性水平[1]。實(shí)現(xiàn)該功能的關(guān)鍵設(shè)備是對(duì)溫度有嚴(yán)格要求的凈化離子交換器，凈化離子交換器中樹脂的安全可靠運(yùn)行需要合適的工作溫度，為此設(shè)置了再生式、非再生式熱交換器兩級(jí)降溫設(shè)備以滿足其運(yùn)行溫度要求，其中再生式熱交換器用于加熱凈化后的回水以減小回水溫度與主冷卻劑回路溫度之間的偏差，從而降低對(duì)主冷卻劑管道的熱應(yīng)力和疲勞；若冷卻劑溫度達(dá)不到離子交換樹脂的使用條件，則必須通過調(diào)節(jié)旁通管路隔離其運(yùn)行。因此，熱交換器組的協(xié)同運(yùn)行特性影響到凈化功能的實(shí)現(xiàn)與否，凈化系統(tǒng)作為核動(dòng)力裝置最重要的輔助系統(tǒng)之一，關(guān)系到核動(dòng)力裝置的運(yùn)行安全能否得到保障[2]。

1 概 述

圖1 凈化系統(tǒng)原理流程簡(jiǎn)圖Fig.1 Flow diagram of purification system

凈化系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖如圖1所示，從主泵出口管段來(lái)的冷卻劑（溫度為t0）首先經(jīng)過再生式熱交換器管側(cè)，與殼側(cè)流動(dòng)的凈化后的冷流體換熱，使冷卻劑溫度降低到t1，接著流經(jīng)非再生式熱交換器管側(cè)與設(shè)備冷卻水換熱，將冷卻劑溫度降低至t2，而后進(jìn)入離子交換器凈化除去雜質(zhì)；凈化后的冷卻劑回流至再生式熱交換器殼側(cè)，回收熱量后冷卻劑溫度由t2上升到t3，最后回流至主泵吸入口管段[1]。考慮到離子交換樹脂運(yùn)行溫度超過60 ℃易受熱分解而影響其性能[4]，為此設(shè)定凈化系統(tǒng)離子交換器運(yùn)行的最高報(bào)警溫度為56 ℃，當(dāng)其入口溫度達(dá)到或超過該限值時(shí)，通過旁統(tǒng)管道隔離凈化離子交換器，因此需對(duì)t2嚴(yán)格控制，考慮到主冷卻劑管道可能產(chǎn)生的熱應(yīng)力，回水溫度t3也值得關(guān)注，熱應(yīng)力大小一般通過回水與主管道的溫差Δt反映。可適當(dāng)匹配調(diào)節(jié)設(shè)備冷卻水入口溫度tj和流量Qm以優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，滿足核安全及效益最大化的原則。

從系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖以及凈化系統(tǒng)的運(yùn)行原理可知，凈化系統(tǒng)再生式熱交換器管側(cè)入口溫度t0、設(shè)備冷卻水流量Qm及入口溫度tj變化都會(huì)影響再生式和非再生式熱交換器的協(xié)同運(yùn)行特性。本文重點(diǎn)研究t0，Qm和tj變化對(duì)系統(tǒng)的影響。

2 分析程序介紹

本文采用輕水堆熱工水力瞬態(tài)分析最佳估算程序RELAP5對(duì)2個(gè)熱交換器組的協(xié)同運(yùn)行特性進(jìn)行計(jì)算分析。RELAP5程序是美國(guó)核管會(huì)進(jìn)行輕水堆冷卻劑系統(tǒng)事故瞬態(tài)分析評(píng)審用最佳估算程序，它采用一維、瞬態(tài)、兩流體六方程模型來(lái)模擬輕水堆的熱工水力系統(tǒng)瞬態(tài)過程。RELAP5程序建模具有高度的靈活、自由特性，它充分利用集總參數(shù)法并通過抓住主要熱工水力現(xiàn)象來(lái)模擬復(fù)雜而又龐大的壓水堆一、二回路系統(tǒng)[3]。

RELAP5程序建模節(jié)點(diǎn)圖如圖2所示，其中TDV表示時(shí)間相關(guān)控制體，TDJ表示時(shí)間相關(guān)接管，J表示普通接管，P表示管型部件，A表示環(huán)形部件，B表示分支部件，HTR表示熱構(gòu)件。

通過該程序?qū)⒃偕头窃偕鸁峤粨Q器組幾何尺寸結(jié)構(gòu)、傳熱面積等參數(shù)封裝作為設(shè)計(jì)輸入，通過優(yōu)化搜索算法，得出基準(zhǔn)工況的計(jì)算結(jié)果，并模擬各種參數(shù)變化對(duì)熱交換器組運(yùn)行特性的敏感性分析。

3 協(xié)同工作特性分析

在基準(zhǔn)計(jì)算工況下，假設(shè)再生式熱交換器入口溫度為260 ℃，設(shè)備冷卻水入口溫度為40 ℃，流量為7 t/h。

基準(zhǔn)工況下，模擬計(jì)算結(jié)果如下：

1）再生式熱交換器管側(cè)出口溫度t1為110.4 ℃，殼側(cè)出口溫度t3為203.5 ℃；

2）非再生式熱交換器管側(cè)出口溫度t2為50.2 ℃，殼側(cè)出口水溫tc為70.0 ℃；

3）凈化回流水與主管道的溫差Δt為43.6 ℃；

4）離子交換器入口溫度t2在56 ℃以下，樹脂可正常投運(yùn)。

基準(zhǔn)工況下，熱交換器組出口溫度以及與主冷卻劑管道溫差均在合理范圍內(nèi)，離子交換器入口冷卻劑溫度處于樹脂正常運(yùn)行溫度范圍之內(nèi)。

3.1 再生式熱交換器管側(cè)入口溫度波動(dòng)

以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況為基礎(chǔ)，調(diào)整凈化系統(tǒng)再生式熱交換器管側(cè)入口溫度t0，得其溫度變化對(duì)再生式熱交換器管側(cè)出口溫度t1、非再生式熱交換器管側(cè)出口溫度t2、再生式熱交換器殼側(cè)出口溫度t3、非再生式熱交換器殼側(cè)出口溫度tc和回流水與主管道溫差Δt的影響結(jié)果如圖3所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著再生式熱交換器管側(cè)入口冷卻劑溫度的提高，再生式熱交換器殼側(cè)出口冷卻劑回流水溫度有一定程度的提高，其他各個(gè)溫度參數(shù)略有升高但升幅不如回流水溫度升幅大，關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)（非再生式熱交換器管側(cè)出口溫度t2）處于樹脂正常運(yùn)行范圍之內(nèi)。

由此可見，所設(shè)計(jì)的再生、非再生式熱交換器具有一定的設(shè)計(jì)裕量，再生式熱交換器管側(cè)入口溫度的波動(dòng)（260 ℃～305 ℃）對(duì)再生式、非再生式熱交換器的聯(lián)合運(yùn)行影響不明顯。即不影響凈化離子交換器的正常投入使用，溫差也在合理范圍內(nèi)。

3.2 設(shè)備冷卻水流量波動(dòng)

以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況為基礎(chǔ)，調(diào)整設(shè)備冷卻水流量Qm，得到設(shè)備冷卻水流量變化對(duì)熱交換器組出口溫度變化的影響結(jié)果如圖4所示。

從圖中可以得知，隨著設(shè)備冷卻水流量的減少，非再生式熱交換器管側(cè)出口溫度增加，再生式熱交換器殼側(cè)出口溫度也升高，凈化回流與主管道的溫差減小。當(dāng)設(shè)備冷卻水流量由15 t/h減小到4 t/h時(shí)，再生式熱交換器管側(cè)出口溫度增大13.3 ℃，殼側(cè)出口溫度增大6.8 ℃，與主管道的溫差減小5.4 ℃；非再生式熱交換器管側(cè)出口溫度升高20.7 ℃，殼側(cè)出口水溫升高38.3 ℃。

圖2 模型節(jié)點(diǎn)圖Fig.2 Model node graph

圖3 熱交換器組出口溫度隨再生熱交換器管側(cè)入口溫度的變化曲線Fig.3 Curve of heat exchanger group outlet temperature along with the change of regenerative heat exchanger inlet temperature

圖4 熱交換器組出口溫度隨設(shè)備冷卻水流量變化曲線Fig.4 Curve of heat exchanger group outlet temperature along with the change of equipment cooling water flow rate

計(jì)算結(jié)果表明，減少設(shè)備冷卻水的流量導(dǎo)致離子交換器入口水溫增加，不利于離子交換器的正常運(yùn)行。因此需設(shè)定離子交換器的設(shè)備冷卻水的流量下限值，從圖中取離子交換器的最高報(bào)警溫度工作點(diǎn)56 ℃得知設(shè)備冷卻水流量至少要大于6 t/h，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮一定的裕量，可對(duì)設(shè)備冷卻水流量提出不小于7 t/h的要求。

綜上，通過對(duì)熱交換器組各出口參數(shù)對(duì)設(shè)備冷卻水流量變化的敏感性分析可以看出，設(shè)備冷卻水的流量增大對(duì)再生和非再生式熱交換器聯(lián)合運(yùn)行有些影響，流量較低時(shí)熱交換器組協(xié)同運(yùn)行受其影響較大，流量較高時(shí)熱交換器組受其影響較小，這可能是因?yàn)樵O(shè)備冷卻水流量整體水平較小而增量相對(duì)較大的緣由。設(shè)備冷卻水流量的增大有利于降低離子交換器入口溫度更利于其運(yùn)行，同時(shí)也降低了凈化回流溫度，但此時(shí)該溫度值并不會(huì)對(duì)主管道產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，也不影響離子交換器的正常投運(yùn)。因此限定設(shè)備冷卻水流量≥7 t/h，選取較佳的設(shè)備冷卻水流量為12 t/h。慮到設(shè)備冷卻水的調(diào)節(jié)可為非再生式熱交換器的優(yōu)化運(yùn)行提供參考。

3.3 設(shè)備冷卻水入口溫度波動(dòng)

以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況為基礎(chǔ)，調(diào)整設(shè)備冷卻水入口溫度，得到設(shè)備冷卻水入口溫度的變化對(duì)其他溫度變量的影響結(jié)果如圖5所示。

圖5 熱交換器組出口溫度隨設(shè)備冷卻水入口溫度變化曲線Fig.5 Curve of heat exchanger group outlet temperature along with the change of equipment cooling water inlet temperature

隨著設(shè)備冷卻水入口溫度的增加，非再生式熱交換器管側(cè)出口溫度增加，再生式熱交換器殼側(cè)出口溫度也增加，與主管道的溫差減小，但基本控制在50 ℃以內(nèi)。設(shè)備冷卻水溫度由30 ℃增大到50 ℃時(shí)，再生式熱交換器管側(cè)出口溫度升高10.9 ℃，殼側(cè)出口溫度升高5.8 ℃，與主管道的溫差降低4.6 ℃。非再生管側(cè)出口溫度增大17.1 ℃，殼側(cè)出口溫度增大16.9 ℃。

綜上，通過熱交換器組各參數(shù)對(duì)設(shè)備冷卻水入口溫度變化的敏感性分析可以看出，設(shè)備冷卻水入口溫度的增加對(duì)再生和非再生式熱交換器的聯(lián)合運(yùn)行有較大影響，尤其是對(duì)非再生式熱交換器管側(cè)出口即離子交換器入口溫度有顯著影響，因此需要設(shè)定設(shè)備冷卻水入口溫度報(bào)警值和上限值[2]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，離子交換器報(bào)警溫度56 ℃條件下對(duì)應(yīng)的設(shè)備冷卻水入口溫度為46 ℃，為留一定裕量，可以限定設(shè)備冷卻水入口溫度≤42 ℃，以免設(shè)備冷卻水系統(tǒng)參數(shù)控制不佳導(dǎo)致凈化系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過RELAP5模擬分析了多個(gè)參數(shù)的波動(dòng)對(duì)凈化系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的影響，明確了系統(tǒng)運(yùn)行中的敏感性參數(shù)，通過協(xié)同計(jì)算分析得出以下結(jié)論：

1）再生式熱交換器管側(cè)入口溫度的波動(dòng)對(duì)熱交換器組的聯(lián)合運(yùn)行略有影響，但不影響凈化系統(tǒng)的整體性能；

2）設(shè)備冷卻水流量的過高和過低都不利于再生和非再生式熱交換器的聯(lián)合運(yùn)行，限定設(shè)備冷卻水最小流量為7 t/h，其較佳運(yùn)行流量為12 t/h；

3）設(shè)備冷卻水入口溫度的提高不利于熱交換器組的聯(lián)合運(yùn)行，限制該溫度不大于42 ℃。

以上研究結(jié)果對(duì)凈化系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。

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