三門核電開式循環冷卻水系統運行淺析

梁世拓

三門核電有限公司 浙江三門 317112

三門核電一期工程引進了美國西屋公司開發的AP1000第三代先進壓水堆技術。在電廠的設計中，汽輪發電機及其輔助系統（簡稱常規島）的最終熱阱是大海，循環冷卻水取自三門灣。開式冷卻水系統（簡稱OWS）是循環水系統的一個分支，其與常規島閉式冷卻水系統（簡稱TCS）配合，在功率運行期間帶走常規島重要設備運行所產生的熱量。

1 系統概述

OWS是一個以海水作為冷卻介質的開環冷卻系統，其從循環水泵下游取水，通過兩根循環水供水管道，經過3臺開式冷卻水泵，2臺自動清洗過濾器，進入3臺板式水-水熱交換器，然后排放進循環水排水管道[1]。板式水-水熱交換器的另一側通過TCS的閉式冷卻水。閉式冷卻水帶走功率運行期間常規島重要設備（除凝汽器外）產生的熱量，再經過板式熱交換器將熱量傳遞給OWS，最終將熱量排向大海。

圖1 開式循環水系統流程簡圖

2 正常工況

正常滿功率運行時，3臺開式冷卻水泵中的2臺運行，1臺備用；兩臺自動清洗濾水器中的1臺運行，1臺備用；3臺板式熱交換器中的2臺運行，1臺備用。當運行中的1臺開式冷卻水泵失效，備用泵自動啟動[2]。

系統的額定流量為3600m3/h，其中包括自清洗過濾器的沖洗水400m3/h。自清洗過濾器由控制裝置實現自動清洗功能，清洗周期的持續時間可調。3臺板式熱交換器根據運行情況，進行切換操作。

表1 主要技術參數

3 其他運行工況分析

3.1 啟動工況

OWS水泵入口管道連接至循環水泵出口。循環水系統（CWS）啟動后，循環水泵為OWS水泵提供凈正吸入壓頭。因此，只有循環水系統啟動后，OWS系統才具備啟動條件。為此，OWS水泵和循環水系統之間也設置了一定的聯鎖條件。循環水泵的電機空冷器由TCS冷卻，需要在TCS投運后才有冷卻水，而TCS需要OWS的海水提供冷卻。因此，結合上述情況，目前采用啟動的順序依次為TCS、CWS、OWS。在OWS投運前，TCS系統依靠自身熱容冷卻循環水泵電機，當循環水系統整體充水結束后，再立即啟動OWS系統。

在這種啟動工況下，需要運行人員盡量減少系統投運時間，避免TCS溫度超過設計要求。

3.2 節能運行工況

在冬季，由于海水溫度降低，循環水帶走系統熱量的能力增加。為了節省廠用電的損耗，三門核電開發了節能運行方案，其中包括將OWS由正常的雙泵運行模式切換為單泵運行。以單臺OWS水泵160kW的額定功率計算，每天節省的廠用電約為3840度。

由于偏離了系統的正常配置，在單泵運行期間有些問題需要運行時保持關注。

在首次切換至單泵運行模式時，OWS水泵的電機運行電流出現了下降的情況。根據相同離心泵并聯運行特性可知，當管路流阻不變時，單泵運行時的流量大于并聯運行時每臺泵的單泵流量[3]。在流量上升的情況下，泵的電機功率反而出現了一定程度的下降。查閱泵的性能曲線可知，此時泵已經運行在過流區。長期過流運行不僅影響泵的運行效率，且對泵本身也會產生一定的危害。

系統設計時未配置流量表，系統流量主要通過泵的進出口壓力表的示數之差來間接指示，該壓力表示數未遠傳至控制室。控制室遠行人員可通過泵的電機電流變化來確定泵的運行區。

3.3 事故工況

功率運行時，在完全喪失OWS的事故工況下，TCS失去海水冷卻，其水溫將快速上升。三門核電廠有專門的異常運行規程用于指導。

在喪失OWS后，根據運行規程，首先通過降低發電機功率來降低熱負荷。在滿功率運行時，常規島設備產生大量熱量，此時僅依靠TCS系統熱容，水溫將迅速上升。此時需要依據規程停運汽輪發電機。停機后，發電機及其輔助系統的熱負荷基本被切除。汽輪機相關負荷則不同，由于需要維持汽輪機較長時間的惰轉，潤滑油系統的熱量將不會迅速消失。除此之外，汽輪機跳閘后，主給水泵組、凝結水泵和循環水泵繼續維持原狀態運行，產生相當可觀的熱量。因此，即使停機以后，TCS仍能保持較高的溫升速率。溫度的繼續上升將威脅TCS設備運行，并且使上述電機冷卻不足。為保證設備安全，操縱員需要手動停運主給水泵組、凝結水泵和循環水泵。這將導致凝汽器真空喪失和蒸汽發生器喪失正常水源供應，最終導致反應堆無法維持運行。

由此可見，OWS的可用性對電廠的安全穩定運行十分重要。為提高系統的可靠性，可以從以下幾方面進行考慮。

通過管理措施進行控制：OWS的檢修和定期維護工作，尤其是可能對系統運行產生較大影響的，盡可能地安排在過渡季或者冬季執行，這樣可以增加系統的裕量。泵或過濾器檢修而導致系統喪失備用設備時，要對運行設備進行合理管控。目前電廠通過開發臨時關鍵敏感設備緩解策略的方式進行管控，在系統喪失備用時，通過對運行設備懸掛標識牌、建立物理隔離邊界、增加巡檢頻度等方式，確保運行設備的可靠性。另外，可以在電廠電子流程中，增加提示和限制，避免同時在一個以上的重要設備或序列上開展工作。

提高設備可靠性：OWS水泵軸封的密封水來自生產水系統。在調試和運行期間，多次發生軸封摩擦冒煙事件。上述情況產生的原因主要是海水中泥沙堵塞改變了軸封間隙以及生產水壓力不穩定，這大大降低了OWS水泵的設備可靠性。在泵停運狀態下，可以保持生產水持續供應，這樣能有效減少停運工況下的雜質沉積。密封水的壓力是通過手動閥進行調節的，生產水系統工況變化對壓力有較大影響。因此，可以在密封水供應管線上，增加自動調壓閥，這樣便能保證在生產水系統壓力波動較大時，OWS水泵密封水壓力相對穩定[3]。

4 結語

開式循環水系統是核電廠功率運行期間重要的支持系統。本系統與其他系統之間存在相互支持的關系，因此需要按照一定的順序進行投運。節能運行模式下由于單泵運行偏離了正常系統配置，導致了泵的運行特性點發生改變。這些需要在后續運行時保持關注。另外，根據事故工況的分析，提高系統的可靠性對保證核電廠反應堆穩定運行也十分重要。電廠人員可以通過提高設備可靠性和實施必要的管理措施，最大程度上減少系統運行降級或失效的風險。