氣溫變化對核電廠的影響及應對措施

王 軍

（海南核電有限公司運行處，海南海口 570300）

1 研究背景和目的

海南核電兩臺650 MW 壓水堆于2014 和2015年相繼投產，目前，多用途模塊式小型堆已開工建設。3、4 號機組前期工作也穩步推進，為實現海南生態與發展戰略做出重要貢獻。然而由于廠址地處北熱帶，大氣平均高溫達28.8。為研究海水溫度對核電廠關鍵設備的影響，本文通過數據采集和分析，總結出海水溫度短期內的變化規律，海水溫度變化對由海水冷卻的關鍵設備相關參數的影響，以及控制設備參數的應對措施，為核電廠控制關鍵設備相關參數在額定范圍內提供了參考。

2 研究原理

2.1 海水溫度影響核電廠的原理

海水用戶主要包括循環水泵、重要廠用水泵、海水升壓泵，海水溫度變化直接影響三者所冷卻的熱用戶。根據海水溫度、閉式冷卻水和設備冷卻水瞬時變化曲線可知，海水溫度、閉式冷卻水和設備冷卻水溫度瞬時變化趨勢大體一致。此外，通過對三者溫度在2～8月近半年內的趨勢進行收集，統計出海水溫度變化范圍為23.333.4，日波動幅度為02.9，閉式冷卻水變化范圍為26.336.4，日波動幅度為02.5，設備冷卻水溫度變化范圍為25.134.6，日波動幅度為02.7?？梢娙叩臏囟茸兓秶兔咳詹▌臃然鞠嗨?，因此，研究海水溫度對核電廠的影響，只要研究對閉式冷卻水和設備冷卻水下游熱負荷參數的影響即可。

2.2 研究數據的選取

2.2.1 研究時段的選取

考慮海南昌江低氣溫出現在12月至次年2月，高溫出現在6～8月，故本文數據采集時間段為2～8月，以體現大氣溫度的高低溫極限。半年內海水溫度變化范圍為23.333.4，在此區間均勻選取11 個海水溫度點，為減小極端天氣對設備參數的疊加影響，根據11 個海水溫度尋找出對應的氣候平穩的11 個時間點。再通過11 個時間點分別采集所研究設備的參數，這樣就可以得出半年內海水溫度變化和設備參數的關系。

2.2.2 研究對象的選取

根據電廠的核安全、穩定發電、放射性控制等影響，設備分為關鍵設備（包括CC1 級和CC2 級）、重要設備（NC）和一般設備（RTM）等3 個等級，非關鍵設備故障在時間緊迫性和對核電廠安全的威脅性相對較小，本文不予考慮。正常功率運行時，設備冷卻水所冷卻關鍵設備為主泵和乏池冷卻水系統。閉式冷卻水的用戶中關鍵設備及系統包括循環水泵、循環水泵潤滑油系統、電動給水泵、電動給水泵輔助系統、凝結水泵、真空泵、汽機調節油系統、汽機潤滑油系統、發電機氫氣供應系統和發電機密封油系統。

海水溫度變化對以上設備及系統的影響可以歸納為：淤對軸承和電機繞組的影響；于對電廠油品（潤滑油/調節油/密封油）的影響；盂對凝汽器的影響；榆對發電機的影響；虞對乏池的影響。

3 研究內容與結果

3.1 潮位和大氣溫度對海水溫度的影響

大氣溫度主要通過對流換熱和太陽輻射，影響海水溫度。潮位影響海水溫度是因為海水溫度在垂直方向上分布是隨著深度的增加而逐漸遞減的，潮位隨時間周期性變化，故取水口吸入前池的海水溫度也會變化。

海南核電取水口為混合潮型，每個月上弦月（農歷初八）和下弦月（農歷二十三）出現兩次半潮日，周期短、潮位漲落幅度小，其余時間為全日潮，周期為24 h50 min。由于半日潮周期短，所以一般會出現白天最高溫度時潮位處于低潮的情形，大氣溫度和潮位波形呈鏡面對稱，如假設半個月內平均氣溫和潮位不變，將出現海水溫度該周期內的最高值；B 階段后，由于全潮日周期比大氣溫度周期多50 min，所以總會出現大氣溫度和潮位波形呈近似的時候，當波形一致時，海水溫度變化不明顯；如大氣溫度和潮位曲線既不一致也不成鏡面對稱時，海水溫度的最大/小值出現在大氣溫度最大/小點與潮位最低/高點之間。綜上，海水溫度曲線也是大氣溫度曲線和潮位曲線所對應的鏡面曲線疊加的結果。據此，可以根據氣象預報信息可以預估近期海水溫度的大體趨勢，如氣象預報顯示明日最低潮位在17:00，而大氣溫度最高值在14:00，可以預估明日海水最高溫度在15:30左右，且由于最低潮與大氣最高溫時間點較接近，明日海水溫度會較高。往后每天低潮位將推遲50 min，最低潮與大氣最高溫時間點時間間隔增大，如天氣平穩，海水溫度每天的最高值會越來越低。

3.2 對軸承和電機繞組的影響及應對措施

3.2.1 對軸承和電機繞組的影響及其原因分析

當軸承/電機繞組產生的熱量和冷卻水帶走熱量以及向空氣釋熱量平衡時，此時的溫度為軸承/電機繞組運行溫度。軸承溫度高會加快軸承的熱疲勞損壞或導致軸承抱死，致使潤滑油加快變質，潤滑效果變差，從而導致軸承內部干摩擦，因此軸承溫度過高是軸承損壞的重要原因之一。電機繞組溫度大，會導致繞組絕緣損壞，壽命縮短。根據受海水間接冷卻的軸承或電機溫度與海水關系趨勢曲線可知，汽輪機軸承溫度變化最小，其余泵體軸承/電機繞組溫度隨海水溫度的增大而增大。主要因為汽輪機潤滑油由自身溫度自動控制，其余泵體當冷卻水溫度上漲時，冷卻水冷卻能力下降，冷卻水帶走熱量減少，導致軸承/電機繞組運行溫度上漲。此外，因為汽機潤滑油和發電機定子水/密封油/氫氣冷卻水溫度均自動控制，當海水溫度升高后通往以上熱負荷的閉式冷卻水流量增大，導致通往其余熱負荷的流量減小，故泵體軸承/電機繞組溫度隨海水溫度的增大而增大。

其中，溫度變化最大的泵是主給水泵繞組和密封液、循泵繞組，海水溫度變化1時，將導致其溫度變化約1。其次是凝泵軸承、主給水泵軸承和循泵軸承，海水溫度變化1時，將導致其溫度變化約0.6。在極限高溫時，上述對象距離報警或跳泵定值的裕度范圍為[19，78]，其中，凝泵軸承和主泵電機下徑向軸承在夏季最高溫度時，它們距離H1 報警定值的裕度只有19，但是主泵電機下徑向軸承溫度隨海水溫度變化相對較小，海水溫度每升高1，其溫度增加0.4。

3.2.2 防止軸承/電機繞組溫度高的應對措施

放開閉式冷卻水SEN 側流量。目前閉式冷卻水SEN 側存在50%左右截流，增加SEN 側流量可以降低閉式冷卻水溫度。但是放開SEN 側流量時，務必關注潮位變化，防止落潮時SEN泵出口母管壓力降低導致備用SEN 泵啟動，低潮位3 臺SEN泵長期并聯運行有SEN 泵氣蝕的風險。

加強冷卻機組通風換熱能力，以降低廠房溫度。主泵所在房間由安全殼連續通風系統EVR 冷卻，可以手動增大冷凍水機組DEG 導葉開度來降低冷凍水溫度，通過EVR 系統以降低主泵房間溫度，保證主泵良好的散熱環境，防止主泵軸承溫度過高。常規島設置汽機廠房通風和空調（DVM）系統，夏季可以通過加大SEP 流量，以加強蒸發冷卻機組的通風換熱能力，降低常規島廠房房間溫度。

巡檢監視和預防性維修。主控對于以上軸承/電機繞組均有溫度趨勢，可以持續監視，對于除主泵外其余泵體，運行現場每班會通過點溫、聽音判斷軸承溫度是否正常。此外，根據管理規定，CC1、CC2 級設備必須采取積極的維修策略及時探測和緩解設備的老化現象，保證泵體的可用性。

3.3 對電廠油品（潤滑油/調節油/密封油）的影響及其措施

3.3.1 對電廠油品的影響及其原因分析

潤滑油包括汽輪機軸承潤滑油（GGR），主給水泵輔助系統潤滑油（AGM），循環水泵齒輪箱軸承潤滑油（CGR），主泵電機軸承潤滑油（RCP），密封油包括發電機氫側和空側密封油（GHE），調節油主要指三芳基磷酸酯抗燃油（GFR），3 種油溫度升高將加快氧化速率，氧化后呈酸性也會加快油系統內壁的腐蝕速率，直接影響到用油設備壽命。此外，油質變質將使油品黏度增大，流動性減小，油流不暢使油溫升高進一步加快油質惡化。

根據油品溫度隨海水溫度變化曲線可知，海水溫度的變化對汽輪機軸承潤滑油（GGR）和發電機密封油（GHE）的影響極小，其余油品隨海水溫度升高而升高的趨勢明顯，海水溫度每升高1，其溫度升高0.60.9。查閱上述各研究對象的報警定值，在極限高溫時，上述對象距離報警定值的裕度范圍為[13，27]，其中，對AGM 潤滑油的威脅最大，極限高溫時距離H1 報警值裕度為13，海水溫度每升高1，其溫度增加0.8。

3.3.2 對電廠油品的管理措施

為了防止溫度過高導致油質惡化，主要通過對電廠的油品進行監督和控制的措施。按照化學管理大綱要求，對于上述油品的油質都會制定標準，對其油質（包括含水量、酸性、氯離子和顆粒度等）進行定期取樣分析和評價，對超標或者品質惡化的油品及時處理，確保系統設備用油滿足規范要求。此外，各油系統設置過濾器，起到凈化油品作用，過濾器壓差一旦超限，需立即更換。

3.4 對凝汽器的影響及應對措施

3.4.1 對凝汽器的影響及其原因分析

真空度即為凝汽器內部絕對壓力，根據卡諾循環原理，真空度過高將直接影響理論熱力循環效率，進而導致發電廠的總效率減小。因此當電功率不變時，真空度增大將導致熱功率將上漲，電功率為滿功率時有可能導致熱功率超過技術規范要求的極限值1930 MW。

根據凝汽器真空度隨海水溫度的變化曲線可知，海水溫度升高將導致真空度增大，海水溫度每升高1將導致真空度上漲0.6 kPa。海水溫度上漲導致真空度增大有2 方面原因。

（1）海水溫度上漲導致循環水泵吸入海水溫度增大，海水帶走低壓缸排汽液化潛熱的能力減小，從而使凝汽器真空度增大；

（2）甩出真空泵的壓縮液經過汽水分離后的密封水經熱交換器重新回到真空泵建立液環，液環必須保證一定過冷度，真空泵極限抽真空能力就是密封水的飽和壓力。海水溫度上漲將導致閉式冷卻水溫度上漲，導致回到真空泵的密封水溫度上漲，從而導致真空泵內液環中部分密封水汽化，真空泵的吸入能力降低，真空度增大。

3.4.2 防止真空度過高的應對措施

增大循環水泵流量，從而增大海水帶走低壓缸排汽液化潛熱的能力。目前凝汽器海水側均有50%左右的截流，放開循泵流量可能吸入大批海藻、貝殼等海洋垃圾，也會導致前池液位降低，兩者均威脅SEC 泵的運行。放開循泵流量期間必須時刻關注PX 泵房海工狀況和前池液位，防止落潮后前池潮位低于0.2 m（水注）。

降低電功率，減小低壓缸排汽量。當循環水泵流量沒有放開余力后，為了防止熱功率或核功率超限，真空度大于11.8 kPa，需要降部分電功率。

3.5 對發電機的影響及應對措施

對于發電機，閉式冷卻水冷卻的負荷包括發電機鐵芯、定子線圈和氫氣干燥器冷卻水，其中鐵芯由氫氣冷卻，發電機內氫氣和定子線圈都由自動調節閥根據自身溫度調節為恒定值，所以海水溫度對發電機鐵芯和定子線圈影響極小，對發電機影響主要是對發電機露點的影響。

3.5.1 海水溫度對露點的影響及其原因分析

發電機氫氣的露點為氫氣飽和情況下，氣溫下降出現液珠的溫度值。露點過高，發電機內結露，影響發電機內部繞組的絕緣性能，可能導致繞組短路或接地，露點過低，絕緣材料容易開裂，影響其壽命。

由海水溫度與露點的關系可知，露點溫度隨海水溫度升高而增大，海水溫度每上漲1，導致露點溫度上漲1.1。

氫氣干燥器是利用活性氧化鋁作為干燥器清除氫氣中的水蒸氣，活性氧化鋁水分飽和后，需要進行再生。再生分為加熱和冷卻兩個階段，加熱階段，再生風機將氫氣吹入加熱狀態干燥劑，帶出干燥器吸附的水蒸氣，水蒸氣在冷凝器中進行冷凝后進入汽水分離器分離出液珠排出系統。當海水溫度上漲，將導致閉式冷卻水溫度增加，在加熱階段，冷凝器冷卻氫氣的效率下降，水蒸氣的液珠更不容易析出并進行汽水分離，從而影響干燥器再生效果，所以氫氣露點隨海水溫度上漲而增大。

3.5.2 防止發電機露點過高的應對措施

（1）調整再生氣流控制閥開度，從而優化再生效果。控制原則是2 h 內讓再生塔內部溫度和再生塔出口溫度分別到達16328和8211，如果海水溫度變化使再生塔內部溫度和再生塔出口溫度2 h 內無法達到目標值，需要調整再生氣流控制閥開度。

（2）充排氫氣。充排氫可以提高氫氣純度，即提高氫氣分壓，減小水蒸氣分壓，從而起到降低露點的作用。但是受制氫站制氫速率的影響，充排氫作用有限，特別是2 臺機組同時因海水溫度影響需要充排氫時。

3.6 對乏池的影響

4 研究結論

本文研究的海水溫度為取水口吸入前池的海水溫度，其影響因素眾多，如大氣溫度、潮位、洋流和天氣情況等，通過采集短期內平穩天氣的海水變化數據，以減小洋流變化和極端天氣的干擾。結果表明海水瞬時溫度曲線是大氣溫度曲線和潮位曲線所對應的鏡面曲線疊加的結果，據此，可以根據氣象預報信息對短期內的海水溫度變化進行預測。

汽輪機軸承/潤滑油和發電機鐵芯/定子線圈/密封油的冷卻水流量均由自身冷卻水溫度自動調節，海水溫度變化對其影響較小，其余研究對象溫度均隨著海水溫度升高而增大。海水溫度每升高1，主泵各軸承溫度增大范圍0.20.4，二回路泵體軸承增大范圍為0.61，油品溫度增大范圍0.60.9，凝汽器真空度增大0.6 kPa，發電機露點溫度增大1.1，乏池溫度增大0.8。其中，凝結水泵/主泵電機下徑向軸承、AGM 潤滑油、凝汽器真空度和發電機露點溫度在極限高溫時距離報警值裕度小且隨海水溫度變化顯著。所以海水溫度升高對其威脅相對較大，其余有的研究對象雖然隨海水溫度變化更快，但是其距離報警值裕度較大，因此海水溫度升高對其威脅較小。海南核電針對海水溫度上升影響的設備，一方面在選型和設計上預留充分裕度，另一方面制定一系列應對措施以最大程度減小相關參數隨海水溫度的變化速率，確保機組安全運行。