百萬千瓦核電機組常規島閉式冷卻水系統大修期間停運窗口分析

楊少東

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350300)

常規島閉式冷卻水系統(SRI)是常規島最大的冷源，它將常規島系統設備和部分BOP系統設備產生的熱量導出，保證這些系統的安全運行。并且為保證SRI的正常運行，需要大量的輔助系統運行給予支撐。主要包括：

1)循環水系統(CRF)：為其提供冷卻水；

2)輔助冷卻水系統(SEN)：過濾海水和熱交換；

3)大量的SRI負荷熱交換器：為SRI提供足夠的流量，保證SRI泵正常運行。

若需要對以上系統或設備進行檢修，就需要停運SRI。按照以往大修經驗，這在汽輪機打閘3～4天后才具備條件，嚴重影響大修節奏。本文對SRI系統進行了深入研究，對其停運窗口進行了分析并給出了優化意見。

1 SRI負荷及停運條件

SRI所有用戶及大修常規島停運期間各負荷的停運條件如表1所示。

從表1可以看出，停運時間最晚的是GGR油冷卻器，較前一個負荷晚2天多。目前短大修二十幾天，而SRI又是常規島最后停運，最先啟動的系統，因此SRI停運檢修時間就10天左右，提前這2～3天對于大修常規島檢修來說至關重要。并且它還是CRF/SEN等系統的停運的先決條件。

表1 SRI用戶及其停運條件Table 1 SRI users and their outage conditions

SRI停運的主要制約因素是需要等盤車停運，盤車運行需供應潤滑油，而潤滑油又需要冷卻。為保障汽機安全，避免停機后汽機受熱不均產生不可逆變形，要求汽機高壓缸溫度降至120 ℃以下才可以停運汽輪機,但高壓缸溫越接近120 ℃下降越慢，且其降溫方式已無優化空間。根據歷次大修經驗，達到汽機停運條件，基本需要70～90 h，這也是目前SRI可以停運時間。

由于維持SRI運行涉及的系統較多，從大修下行做完GRE調閥試驗后SRI的熱負荷僅剩GGR油冷卻器。而此時GGR的熱源有：

1)潤滑油和頂軸油泵運行產生的熱量；

2)汽輪機發電機軸承傳遞給潤滑油的熱量。

潤滑油泵和頂軸油泵上游電源均為380 V運行產生的熱量較小，同時汽輪機打閘后盤車狀態下汽機軸承產生的熱量也較少，而GGR系統管線和油箱的傳熱面積很大。因此可考慮在GGR停運前，將SRI停運，僅靠空氣來冷卻汽機潤滑油。

該方法的關鍵就是保證潤滑油溫度可控，根據汽機運行手冊，GGR潤滑油溫度在30～60 ℃內可保證汽機運行安全。下面來討論該方法的可行性。

2 SRI停運后潤滑油溫度變化

2.1 潤滑油溫度變化的解析算法

首先根據能量守恒，有個總的關系式：

傳遞給潤滑油的熱量=潤滑油散出的熱量+潤滑油溫度升高吸收的熱量

另外，傳遞給潤滑油的熱量=潤滑油和頂軸油泵運行產生的熱量+汽輪機發電機軸承傳遞給潤滑油的熱量

對于潤滑油和頂軸油泵傳遞給潤滑油的熱量，由于兩臺泵在盤車狀態下運行電流、電壓穩定，因此可視為恒定值；另外在整個盤車狀態下汽輪機軸承和潤滑油供油溫差恒定，且油流量和油物性參數恒定，根據牛頓冷卻公式可知汽機軸承傳遞給潤滑油的熱量也為一定值。

綜上，傳遞給潤滑油的熱量始終為一定值，我們設定其為Φ。

潤滑油散出的熱量，包括對流和導熱，可表達為:

q=Ak(t-tf)

式中:q——表示潤滑油散出的熱量，W；

A——潤滑油系統的總散熱面積；

k——總傳熱系統，保護導熱和對流兩部分，W/( m2·k)；

t——汽輪機潤滑油溫度，由于潤滑油一直在大循環，假設其各處均勻一致；

tf——環境溫度，假設保持恒定；

潤滑油溫度升高吸收的熱量，根據能量守恒，可表示為：

式中:E——潤滑油溫度吸收的熱量，J/min；

c——潤滑油的比熱容，J/(kg·K);

因此根據總關系式Φ=q+E可得出：

(1)

這是一個微分方程，假設任意時刻潤滑油與環境溫差(t-tf)=θ，初始時刻潤滑油和環境溫差為θ0=(t0-tf)，則上式整理可得：

即：

進行積分：

(2)

可得：

化簡，即

(3)

上式中只有時間τ和潤滑油溫度t是變量，其他均為固定值。對于實際的汽機和潤滑油系統，管線和傳熱情況復雜，其參數雖為固定值，但其具體數值難以知曉。因此上述潤滑油溫度變化可以寫成如式(4)：

t=-ae(-bτ+c)+d

(4)

其中，a、b、c、d均為固定參數，根據物理意義都是正數。

該曲線表達式是否正確，可以從福清204及403大修停運SRI時GGR溫度上升曲線來判斷，如圖1和圖4。這兩次大修時為了使相關檢修工作及時開展，做了提前停運SRI嘗試，但只是根據經驗來控制GGR油溫，沒有理論依據。整個過程僅根據汽機高壓缸溫度來判斷SRI停運窗口。

圖1 FQ-204時盤車條件下潤滑油供油和汽輪機軸承溫度趨勢Fig.1 The trend of lubricating oil supply and turbine bearing temperature under turning condition during FQ-204

2.2 FQ-204大修時SRI停運后的潤滑油溫度變化

204大修時SRI在汽機高壓缸溫度132 ℃時停運，GGR運行20 h后停運，期間GGR供油溫度2GGR102MT變化曲線如圖2所示。

圖2 FQ-204時SRI停運后潤滑油溫度變化趨勢Fig.2 The change trend of lubricating oil temperature after SRI shutdown during FQ-204

將該曲線中2SRI停運到GGR停運之間潤滑油溫度隨時間變化的數據點導出，按照式(4)進行函數擬合，如圖3所示。

圖3 FQ-204時擬合后的潤滑油溫度趨勢Fig.3 The temperature trend of lubricating oil after fitting during FQ-204

計算結果a=0.350 93，b=0.001 143 2，c=3.722 2，d=54.904；所有真實溫度和擬合曲線點的溫度最大偏差不超過0.3%。

2.3 FQ-403大修時SRI停運后的潤滑油溫度變化

403大修時SRI在汽機高壓缸溫度135 ℃時停運，GGR運行29 h后停運，期間GGR供油溫度4GGR102MT變化曲線如圖4所示。

圖4 FQ-403時SRI停運后潤滑油溫度變化趨勢Fig.4 The change trend of lubricating oil temperature after SRI shutdown during FQ-403

將該曲線中4SRI停運到GGR停運之間潤滑油溫度隨時間變化的數據點導出，按照式(4)進行函數擬合，如圖5所示。

圖5 FQ-403時擬合后的潤滑油溫度趨勢Fig.5 The temperature trend of lubricating oil after fitting during FQ-403

計算結果a=0.390 87，b=0.001 077 4，c=3.784 79，d=54.012。且所有真實溫度和擬合曲線點的溫度最大偏差也不超過0.5%。

3 潤滑油溫升關系式的應用

3.1 預測潤滑油溫會達到的最高溫度t∞

圖6 FQ-403時SRI停運后環境溫度變化Fig.6 The ambient temperature change after SRI shutdown during FQ-403

因此,可以在SRI停運后，結合環境溫度，選幾個小時潤滑油溫度點進行函數擬合，能夠較準確的計算出GGR油溫能夠達到的最高溫度。

福清核電204和403大修分別是在5月和9月進行的，平均環境溫度在24 ℃，潤滑油溫度最大值不會超過55 ℃。因此在每年11月到次年4月之間大修時平均環境溫度在20 ℃以下，停運SRI時可以不用顧忌GGR潤滑油溫度上漲不可控，可以在GFR停運直接停運SRI。對于在夏天6到8月大修時，環境平均溫度可能達到30 ℃，此時GGR潤滑油溫度可能會上漲到60 ℃，但提前24 h停運SRI也問題不大，并在SRI停運后的初始幾小時根據環境溫度預測會達到的最高溫度。

3.2 制定減緩油溫上漲速率和降低最大溫度的措施

從油溫上漲關系式中，傳熱面積A、潤滑油比熱容c、潤滑油質量m均很難改變，可以改變的僅有環境溫度tf，熱源熱量Φ、和潤滑油系統和環境之間的導熱率k。

3.2.1 環境溫度tf

環境溫度影響潤滑油供油和回油管道，及潤滑油箱的傳熱，由于潤滑油箱和潤滑油管道總面積相似，因此增加兩者之一散熱都可以顯著降低GGR系統溫度。

潤滑油管道在MX廠房，空間開闊，大修停機常規島熱源減少。且停機前已打開MX大門、窗戶、啟動MX廠房內風機，MX溫度與室外溫度基本一致，不需要采取其他降溫措施。

但潤滑油箱房間(MX401)內封閉，其溫度遠高于MX大廳溫度。當前潤滑油房間(MX401)有一個新風口，2個排風機，2個循環風機。房間內溫度在滿功率運行情況下與室外溫差在10～15 ℃，停機時溫差在5 ℃左右。而潤滑油箱溫度與潤滑油一致，要增加換熱就要增加油箱和房間的溫差。可行的方法之一就是增加新風量，性價比最高的是打開MX401房間前后兩個防火門；再者是吊開主油箱上部的水泥蓋板，該蓋板大修做潤滑油泵和風機預防性維修時都要打開。由于潤滑油箱房間是重點防火區，打開防火邊界的措施需要評估。

還有一種方法是在房間內安裝大功率空調，但房間面積200 m2，且地面為鋼格柵蓋板，不穩固，無法滿足抗震要求。同時附近無排空調冷凝水路徑。諸多條件限制無法安裝空調。

3.2.2 導熱率k

導熱率根據傳熱機理可以分為“熱傳導”和“對流換熱”，對于熱傳導主要是系統本身，主要是減少管道和設備內的油污。在油質合格的情況下不會有大變化。

對流換熱方式中，由于潤滑油管道在MX大廳，空間開闊，人為干預難度大。我們主要考慮潤滑油箱房間改變“表面換熱系數”的方法。傳熱理論[1]中自然對流換熱基本由材料的尺寸、位置和傳熱介質決定，無法改變。可改變的可將自然對流轉換為強迫對流，主要還是增加傳熱表面的風速。這可通過在房間內增加風機來實現。風機的安裝位置有以下選擇：

1)安裝在熱交換器處。且由于GGR系統為板式熱交換器，根據其工作原理(如圖7)，在SRI停運時，該熱交換器基本失去冷卻作用。由于在每層隔板之間安裝有橡膠墊片，SRI停運時其冷卻效果近似半橡膠管道，增加其表面空氣流速，對GGR整體的換熱效果影響不大。

圖7 板式熱交換器結構原理圖Fig.7 The structure of the plate heat exchanger

2)安裝在主油箱頂部。由于熱空氣上升，該區域溫度最高，但是房間內已有2臺循環風機，每臺額定風量2 685 m3/h，足夠大。因此沒有必要。

3)安裝在GGR油箱最靠墻位置。該位置強和油箱之間的距離不足1 m，傳熱效果很差，安裝風機能夠明顯增加該傳熱面的傳熱效果。但是該區域位置狹小，沒有穩定的地面，且周圍均為易燃油，換熱效果和房間溫度密切相關。因此安裝的可行性和必要性需要評估。

3.2.3 熱源Φ

從上述分析可知，沒有停GGR系統的主要原因是需要盤車運行保持汽機冷卻均勻。但是盤車有主盤車(8 r/min)和輔助盤車(5 r/h)兩部分組成，主盤車需要潤滑油、頂軸油泵運行，而輔助盤車僅需要頂軸油泵運行即可。交流潤滑油泵運行電流約140 A，頂軸油泵運行電流約100 A。可在滿足條件后停運主盤車，啟動輔助盤車，停運交流潤滑油泵，可減少熱源約50 kW。

但輔助盤車運行時主控不便于監視盤車運行狀態，需要就地確認。且輔助盤車運行不可靠，故障率較高。因此是否采用該方法，及采用該方法的時機需要綜合評估。

4 結論

冬天在環境溫度始終維持在20 ℃以下時，可在GRE調閥試驗完成后直接停運SRI(約汽機打閘后24 h)，不用采取任何措施，GGR油溫不會超過55 ℃。

春、秋兩季環境平均溫度在20～27 ℃，高壓缸溫度140 ℃時停運SRI無需采取措施，GGR潤滑油溫也會保持在55 ℃以下。也可在GRE調閥試驗結束后直接停運SRI，但可能會使潤滑油溫超過55 ℃接近60 ℃。因此建議采取以下措施：

1)SRI停運前提前2～3 h手動降低GGR油溫至30 ℃，以降低潤滑油箱溫度，可減緩油溫升至高溫時間約7～8 h;

2)打開潤滑油箱房間前后防火門，降低房間溫度。

(3)夏季環境溫度在27 ℃以上時，若在高壓缸溫度140 ℃以上停運SRI，潤滑油溫度可能會略微超過60 ℃，停運SRI時需要采取以下措施。優先順序如下：

1)SRI停運前降低GGR油溫至30 ℃，以降低潤滑油箱油溫；

2)打開潤滑油箱房間前后防火門，降低房間溫度；

3)SRI停運6 h后按照式(4)擬合計算最高溫度，確定是否需要采取以下措施：①高壓缸溫在130 ℃以下時，若確定溫度無法控制，可停運主盤車、停運潤滑油泵、啟動輔助盤車；②聯系維支吊出主油箱上方水泥蓋板。