貝類捕集器濾網(wǎng)設計改進對重要廠用水系統(tǒng)影響分析

曹雙華

(核電運行研究(上海)有限公司，上海 200120)

關鍵字：貝類捕集器；改進；影響；重要廠用水系統(tǒng)

1 前言

某核電廠2號機組重要廠用水系統(tǒng)(SEC)B列貝類捕集器自投產(chǎn)運行以來頻繁堵塞，嚴重影響電廠冷源安全。為解決此缺陷電廠進行了一系列的摸索和研究，最終確定對貝類捕集器濾網(wǎng)進行設計改進，本論文主要分析貝類捕集器濾網(wǎng)設計改進的影響分析和實際驗證。

1.1 重要廠用水系統(tǒng)簡介

重要廠用水(SEC)系統(tǒng)的功能是把由設備冷卻水系統(tǒng)(RRI)收集的熱負荷輸送到最終熱阱——海水。在SEC泵的出口管線進入RRI板式熱交換器之前設置有貝類補集器，以防止貝類、水母等海生物滋生對板式熱交換器的危害。SEC系統(tǒng)流程簡圖如圖1所示。

1.2 流量設計要求

SEC系統(tǒng)流量設計需滿足以下三方面要求：

(1)安全準則要求

在SEC系統(tǒng)最低水位下，單泵運行提供的海水流量不低于2780 m3/h(設計院論證計算結果)。

(2)機組運行經(jīng)濟性要求

為保證機組正常功率運行和啟停堆期間的排熱速率，要求在SEC系統(tǒng)設計的最低水位下，SEC系統(tǒng)單個序列雙泵運行時流量不低于3940 m3/h。

(3)設備可承受能力要求

單臺RRI板式換熱器SEC側流量承受上限為2000 m3/h，單臺貝類捕集器承受的流量上限為2200 m3/h，每列則為4400 m3/h，SEC泵單臺最大流量為4000 m3/h，雙泵運行時SEC系統(tǒng)流量不超過4400 m3/h。

綜上，SEC系統(tǒng)單泵運行流量限值為2780～4000 m3/h，雙泵為3940～4400 m3/h。

圖1 SEC系統(tǒng)流程簡圖Fig.1 The flow chart of the SEC system

1.3 貝類捕集器問題簡介

由于電廠取水口附近海生物較多，大風天氣時海生物、雜物等隨海浪直接沖入取水系統(tǒng)，進而導致SEC系統(tǒng)貝類補集器經(jīng)常被碎貝殼、海草、藻類堵塞，如圖2所示,貝類捕集器壓差持續(xù)升高，通過前池清淤及清洗貝類捕集器濾網(wǎng)等措施，未能從根本上解決貝類捕集器壓差高問題。

圖2 貝類捕集器堵塞物Fig.2 Plugs of the shellfish trap

電廠1、2號機組貝類捕集器濾網(wǎng)過濾孔徑為2 mm，上游鼓形濾網(wǎng)過濾孔徑為3 mm，下游是板式換熱器，板片間隙為4 mm，整個SEC系統(tǒng)中，貝類捕集器濾網(wǎng)的過濾網(wǎng)孔最小，其堵塞的幾率最大，這也是造成貝類捕集器頻繁堵塞的主要原因。

針對此情況進行了同行電廠調(diào)研，調(diào)研結果如下：

經(jīng)調(diào)研分析并結合電廠實際情況，建議對貝類捕集器濾網(wǎng)進行設計改進—濾網(wǎng)孔徑由2 mm擴孔至3 mm，以徹底解決該核電廠2號機組貝類捕集器。

2 貝類捕集器濾網(wǎng)擴孔影響分析

2.1 SEC系統(tǒng)流量分析、計算

2.1.1 分析方法

當SEC貝類捕集器擴孔后,其局部阻力系數(shù)下降，將提升SEC系統(tǒng)的流通能力，SEC泵出口管路阻力特性將發(fā)生變化，如圖3所示，SEC泵的工作點將由點C移動至點E，泵流量增大、揚程減小，因此需要評估貝類捕集器擴孔后系統(tǒng)流量值是否能滿足1.2節(jié)中流量設計準則。

SEC系統(tǒng)的設計水位中包括最低、最高、平均、百年一遇低潮和百年一遇高潮5個狀態(tài)，其中設計最低水位是與安全相關的狀態(tài)，所以選取設計最低水位hmin(-3.24 m)作為計算工況。

對SEC系統(tǒng)簡化建模，建立SEC系統(tǒng)單列一維水力模型，主要流道件包括鼓形濾網(wǎng)至SEC泵進口段元件、SEC泵、SEC泵出口段元件、貝類捕集器、RRI換熱器和其余阻力元件(管道、閥門、孔板、變徑、彎頭、膨脹節(jié)等)，通過梳理SEC系統(tǒng)管路阻力元件，并根據(jù)貝類捕集器、換熱器廠家提供的參數(shù)，參考《實用流體阻力手冊》[1]中的阻力系數(shù)計算方法來獲得各節(jié)點的管路損失，利用管道阻力特性曲線和SEC泵的流量揚程特性曲線求出SEC泵的工作點流量值。

圖3 泵流量特性線與管路阻力特性線關系圖示Fig.3 Relationship between the pump flow characteristic line and pipeline resistance characteristic line

計算步驟如下：

1) 根據(jù)SEC系統(tǒng)管路布置圖，分別計算出SEC泵上下游系統(tǒng)水頭損失；

2) 根據(jù)貝類捕集器和換熱器廠家所提供的流量壓降關系，計算得到貝類捕集器和換熱器的實際壓降；

3) 根據(jù)SEC泵出廠試驗報告，獲取SEC泵的流量揚程特性曲線；

4) 根據(jù)流阻系數(shù)列出各節(jié)點的管道阻力特性方程，并離散化，畫出管道阻力特性曲線；

5) 通過作出SEC泵流量揚程特性線與管路特性線的交點，對應的泵流量值即為所求目標值。

2.1.2 SEC系統(tǒng)水頭損失計算

SEC泵進口段的水頭損失統(tǒng)計如下：

表1 SEC泵上游水頭損失計算Table 1 Upstream head loss calculation of the SEC pump

SEC泵下游水頭損失計算方式如下：

(1)局部阻力

根據(jù)《給排水設計手冊》第1冊[2]，引用公式：

局部阻力系數(shù)ξ通過《實用流體阻力手冊》查圖表獲得。

根據(jù)公式計算，得到：

在單泵運行時，局部水頭損失為：14.29 m；

在雙泵運行時，局部水頭損失為：22.01 m。

(2)沿程阻力

對于流速大于1.2 m/s的鋼管和鑄鐵管的沿程阻力計算采用公式：

i=0.001 07v2/d1.3

查詢設計管道圖，并根據(jù)公式計算得到：

在單泵運行時，沿程水頭損失為：5.11 m；

在雙泵運行時，沿程水頭損失為：8.65 m。

(3)壓力管道水頭損失

綜上可知，單泵運行水頭損失為14.29+5.11=19.40 m；

雙泵運行水頭損失為22.01+8.65=30.66 m。

2.1.3 貝類捕集器的壓降

根據(jù)SEC系統(tǒng)手冊φ2 mm濾網(wǎng)貝類捕集器設備參數(shù)表，獲得流量與對應的壓降及計算得到不同狀態(tài)流阻系數(shù)如表2所示。

表2 貝類捕集器設計參數(shù)Table 2 Design parameters of the shellfish trap

貝類捕集器供貨商提供的φ2 mm濾網(wǎng)和φ3 mm濾網(wǎng)的流量壓降曲線如圖4、圖5所示。計算得到φ3 mm 濾網(wǎng)貝類捕集器清潔和臟污狀態(tài)下的壓降約為0.86 m和1.56 m。

圖4 φ2 mm濾網(wǎng)貝類捕集器流量壓降曲線Fig.4 The flow pressure drop curve of a 2 mm filter mollusk trap

圖5 φ3 mm 濾網(wǎng)貝類捕集器流量壓降曲線Fig.5 The flow pressure drop curve of a φ3 mm filter mollusk trap

2.1.4 RRI換熱器壓降

RRI換熱器流阻系數(shù)的設計值參考RRI系統(tǒng)手冊：清潔狀態(tài)下，單臺換熱器SEC側在最大流量2200 m3/h(系統(tǒng)流量為4400 m3/h)時的壓降最大約150 kPa，結合RRI換熱器提供的流量壓降曲線，見圖6。綜合以上可以計算出，換熱器單泵運行和雙泵運行時的壓降分別為9 m和15 m。海水(SEC)側壓降曲線圖如圖6所示。

2.1.5 SEC泵流量揚程特性線

SEC泵流量揚程特性曲線如圖7所示，泵設計額定轉(zhuǎn)速為993 r/min，設計流量3332 m3/h，設計揚程35 m。

2.1.6 擴孔后SEC系統(tǒng)流量分析

從管路特性曲線看，貝類捕集器網(wǎng)孔由2 mm擴大到3 mm，管路特性曲線基本重合，通過與水泵特性曲線交點分析，貝類捕集器濾網(wǎng)擴孔后，SEC系統(tǒng)流量增加幅度小于1%，仍然滿足SEC系統(tǒng)流量限值要求(見1.2節(jié))，即SEC系統(tǒng)單泵運行流量限值為2780～4000 m3/h，雙泵為3940～4400 m3/h。

圖6 RRI換熱器流量壓降曲線Fig.6 The flow pressure drop curve of the RRI heat exchanger

圖7 SEC泵調(diào)試特性曲線Fig.7 The characteristic curve of the SEC pump decommissioning

圖8 SEC泵的流量曲線Fig.8 The flow curve of the SEC pump

2.1.7 測量和控制影響分析

貝類捕集器濾網(wǎng)擴孔對測量和控制的影響主要體現(xiàn)在：

(1)影響系統(tǒng)流量變化范圍；

(2)影響系統(tǒng)各壓力/壓差測點參數(shù)。

貝類捕集器濾網(wǎng)擴孔對主管道流體溫度、換熱器出口溫度、泵軸承/電機轉(zhuǎn)子溫度、SEC泵進/出口壓力和軸封水壓力、主管道泵出口壓力貝類捕集器進口壓力測點沒有影響。

綜上可以得出，貝類捕集器濾網(wǎng)擴孔可能影響的測量內(nèi)容為:SEC系統(tǒng)流量測量、貝類捕集器壓差測量和換熱器壓差測量。

根據(jù)2.1.6節(jié)計算結果可知，貝類捕集器濾網(wǎng)擴孔后SEC系統(tǒng)流量增加不足1%，SEC系統(tǒng)流量、貝類捕集器壓差、換熱器壓差變化幅度對原設定值、儀表量程的影響可忽略不計。

2.2 對熱交換器影響分析

2.2.1 熱交換器綜合影響分析

貝類捕集器擴孔對熱交換器的影響主要集中在擴孔后進入熱交換器的沙礫、海生物碎屑等增多，可能產(chǎn)生的影響有以下兩種：

(1)增加熱交換器內(nèi)部結垢速度，從而增加熱交換器清洗維護頻率；

(2)雜物增加堵塞熱交換器流道時，會產(chǎn)生湍流，局部流速增大，增加了熱交換器板片磨損增快的風險;

RRI板式熱交換器為蘭石換熱器設備有限公司生產(chǎn)，換熱板片的波紋深度為4.0 mm，板式熱交換器SEC側的流道變化范圍為0～8 mm。熱交換器板片結構如圖9所示。

圖9 熱交換器板片示意圖Fig.9 The schematic diagram of the heat exchanger plate

2.2.2 熱交換器壓差影響分析

貝類捕集器擴孔后有可能增加熱交換器板片結垢，進而使熱交換器壓差升高，影響一回路設備的熱量順利帶出。

由流動阻力系數(shù)的定義式：

可以推導出：

表3 換熱器壓降統(tǒng)計表Table 3 The statistics of the heat exchanger pressure drop

通過計算可以發(fā)現(xiàn)擴孔后換熱器壓降在可控范圍內(nèi)，不超過板換壓降的報警值250 kPa。

3 貝類捕集器擴孔后影響驗證

2018年年底，2號機組大修期間對2號機組SEC B列兩臺貝類捕集器實施了濾網(wǎng)擴孔的臨時變更，變更實施后的影響分析如下。

3.1 對SEC流量的影響

SEC貝捕濾網(wǎng)擴孔后SEC實際的流量變化如圖10所示。

圖10 2SEC流量變化圖Fig.10 The 2SEC flow variation diagram

由此示意圖可知2SEC B列流量在貝捕更換為3 mm濾網(wǎng)后變動不大，通過收集2SEC B列有效流量，計算得出更換濾網(wǎng)前一年和更換濾網(wǎng)后一年的2SEC B列平均流量值：

表4 2SEC B列流量變化Table 4 The flow change in 2SEC column B

從表4可看出，貝類捕集器濾網(wǎng)擴孔對SEC的流量影響符合理論計算的變化小于1%，所以因貝類捕集器濾網(wǎng)擴孔引起的SEC系統(tǒng)流量增加，不會對SEC系統(tǒng)、設備、RRI板換造成影響。

3.2 對RRI板換影響

3.2.1 對板換壓差的影響

板換在濾網(wǎng)更換前后壓差趨勢見圖12。

圖11 板換壓差變化趨勢圖Fig.11 The change trend of the pressure difference on board

圖12 板換解體圖Fig.12 Disassembly of the board replacement

從更換貝捕濾網(wǎng)后板換壓差趨勢符合理論計算預期，均不超過板換壓差報警值250 kPa，203大修通過對板換解體檢查，板片上附著有少量雜質(zhì)，板換未發(fā)生堵塞。

3.2.2 對板換溫度的影響

板換換熱后流體溫度變化如圖13所示。

圖13 板換溫度變化趨勢圖Fig.13 The changing trend of the plate exchange temperature

從圖13可以看出與擴孔前無明顯的變化，此溫度滿足系統(tǒng)手冊要求的板換流出除鹽水溫度35 ℃以下的要求。

3.2.3 對板式熱交換器換熱因子的影響

板式熱交換器換熱因子在貝捕濾網(wǎng)擴孔前后趨勢如圖14所示。

圖14 板換換熱因子變化趨勢圖Fig.14 The change trend diagram of the heat transfer factor of board

板換的換熱因子設計要求大于3940 kW/℃，擴孔前后換熱因子變化不大，2018年(擴孔前)換熱因子均值為4478.6 kW/℃，2019年(擴孔后)換熱因子均值為4869.9 kW/℃，說明貝捕濾網(wǎng)擴孔后板換換熱因子增大，換熱效率提升，但增加幅度小于1%，影響較小。

3.3 貝類捕集器壓差、堵塞影響

202大修后2SEC B列貝捕從未進行過清洗(由最開始統(tǒng)計的48次降至0次)，而2SEC A列則進行了28次清洗，從貝捕清洗次數(shù)及貝捕壓差報警次數(shù)則可以證明3 mm濾網(wǎng)對緩解貝類捕集器堵塞的效果顯著。

表5 貝捕拆洗次數(shù)對比統(tǒng)計表Table 5 Comparative statistics of shellfish disas-sembly and washing times

203大修期間解體2SEC B列貝類捕集器發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一個周期的運轉(zhuǎn)，雖在運行期間未對貝捕進行拆洗，但濾網(wǎng)網(wǎng)面依然很干凈。

圖15 2SEC B列貝捕濾網(wǎng)203大修解體圖Fig.15 The overhaul disassembly of 2SEC colume B filter net 203

4 結論

貝類捕集器濾網(wǎng)設計改進后效果良好，對重要廠用水系統(tǒng)相關參數(shù)的影響符合計算結果并滿足安全設計要求，設計改進后有效改善了2號機組B列貝類捕集器壓差頻繁報警、頻繁堵塞的問題，在運行了一個循環(huán)周期后，改進后的貝類捕集器未出現(xiàn)堵塞情況，也未進行拆洗。2019年2號機組大修期間重要廠用水系統(tǒng)A列也實施了貝類捕集器濾網(wǎng)擴孔臨時變更，變更后A列貝類捕集器壓差高報警也得到有效緩解。

貝類捕集器濾網(wǎng)設計改進有效解決了貝類捕集器頻繁堵塞問題，為后續(xù)核電廠貝類捕集器堵塞問題提供了一套有效的解決方案及驗證理論。