閉式水系統熱交換器換型變更仿真分析

金艷駿

(中核核電運行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

秦二廠SRI/SEN板式熱交換器冷卻水源取自杭州灣海水，但由于杭州灣海水含沙量較高，自機組投運以來，板式熱交換器頻繁故障，且呈現逐年上升趨勢，缺陷主要包括泥沙堵塞、板片穿孔、密封失效等，導致系統流量降低，可用性降低，威脅機組安全運行。此外，也導致設備檢修成本一直居高不下。本文以此問題為導向對系統改造模型進行仿真分析，并根據改造實際效果對理論計算進行驗證。

1 變更方案

同原系統比較，變更改造擬將板式換熱器改為管式換熱器，取消三臺海水升壓泵，將原兩臺電動濾水器的最大容量由50%改為75%。其余循環水及常規島輔助冷卻水的管道設備均保持不變。常規島輔助冷卻水系統變更后流程圖如圖1所示。

圖1 常規島輔助冷卻水系統變更后流程圖Fig.1 The flow chart after the change of auxiliary cooling water system of the conventional island

2 系統模型分析

2.1 系統建模

(1)組件選取

系統建模流量計算的本質是并聯管路的流量分配計算,通過在Flowmaster 軟件中建立循環水開式水系統中所有設備、管道、管件、閥門等的流阻模型，得到系統中各個位置的流量、壓力等參數的計算結果。Flowmaster軟件是由英國流體力學研究協會開發的一個流體系統設計與仿真平臺，能夠對不可壓縮流體、可壓縮流體、液壓系統進行分析和模擬，能對流體系統的流量、壓力和溫度分布等進行精確計算并能對穩態和瞬態過程進行模擬。在軟件建模中可以采取以下方式對系統內管道、彎頭、三通、閥門、過濾器等簡化處理:1)對于水力部件的建模，因其損失系數為常數，只與它的幾何尺寸、表面情況有關，可以用離散損失元件來代替彎頭元件；2)對于同一段管路中的相同尺寸的元件，可以將損失系數進行累加；3)以壓力源/流量源模擬系統邊界條件。

(2)建模結果

系統建模結果如圖2所示，其中，F為流量邊界，表示兩根循環水母管進口，流量均為50 400 t/h(約為14.0 m3/s)，P為壓力邊界，表示兩根循環水母管出口，壓力均為 0.03 MPa。

圖2 系統計算模型Fig.2 System calculation model

2.2 計算結果

(1)正常工況

系統正常運行工況下投運換熱器數量為兩臺，計算結果見表1。

表1 正常工況計算結果Table 1 Calculation results of normal working conditions

(2)單臺循泵工況

當一臺循環水泵因故障停運，系統只有單臺循環水泵保持投運時，需驗證此工況下的系統流量分配情況，此時凝汽器為單側投運，電動濾水器和管式換熱器均維持兩臺投運。單臺循泵投運工況計算結果見表2。

表2 單臺循泵投運工況計算結果Table 2 Calculation results of operating conditions of a single circulating pump

(3)三臺換熱器投運工況

由于杭州灣海水泥沙含量較高，為了防止泥沙在設備中沉積，往往需要同時投運三臺管式換熱器，計算結果見表3。

表3 三臺換熱器投運工況計算結果Table 3 Calculation results of operating conditions of three heat exchangers

以上計算結果表明，當SEN系統預設流量為4110 m3/h時，SEN系統模型正常工況下計算流量值為4255 m3/h，與設計流量相當。通過計算單臺循泵及三臺熱交換器投運等瞬態工況，結果表明模型中管路的流量分配結果跟設計要求值較為接近。由于開式水側總壓降略低于凝汽器側循環水總壓降，而在實際運行工況下，兩側壓差會保持平衡，通過軟件計算得到的復雜管路流量分配值與實際情況較接近，所以計算結果表明設計方案滿足變更要求。

2.3 結果驗證

SEN/SRI換熱器的放熱量設計值為10 063.98 kW，設計換熱面積為880 m2，設計換熱系數為2534.5 W/(m2/℃)。據KIT系統中的SEN側及SRI側的溫度結果和現場使用超聲波流量計測量得到的兩側流量值，以及換熱器計算書中提到的設計面積，計算得到三臺換熱器的換熱系數分別為 2918.8 W/(m2/℃)，2695.9 W/(m2/℃)以及2654.8 W/(m2/℃)，如表4所示，計算結果表明三臺換熱器的換熱性能均能達到設計值要求。

表4 三臺換熱器SRI側功率計算值Table 4 Calculated values of SRI side power of three heat exchangers

3 結 論

本文從秦二廠板式熱交換器換型變更的初步方案出發，利用流體力學分析軟件對變更方案進行建模分析計算，對變更方案可行性進行論證，為變更方案提供理論支持。秦二廠板式熱交換器換型替代變更已先后在D212、D114大修中完成，單臺機組年度節約成本約400萬元/年，經濟效益顯著，并大幅度降低設備冷卻系統的缺陷率，工程實例應用效果良好，可在其他電廠進行推廣應用。