臨時冷源下壓水堆核電廠冷試分析

顏令博

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

海工相關施工受制于核電廠海域使用權證影響，海工取排水口施工延后。冷試期間存在取水明渠不具備取水條件，排水明渠也無法正常向外海排水風險，影響核島冷源及相關系統的正常運行。

為完成核電廠冷試，擬采用臨時冷源措施實現冷源系統可用。

1 背景介紹

1.1 冷試簡介

冷試的主要目的是在水實體的工況下，以高于主系統設計壓力的試驗壓力對主系統和相關輔助系統的高壓部分進行強度性水壓試驗，以檢查主系統的設備、管道的密封和焊接質量，驗證其承壓運行時的密封性和安全性，確保從試驗結束到下次試驗實施之前的時間里，反應堆一回路系統在正常運行和設計基準事故工況下是安全的，是滿足核安全法規的。同時水壓試驗中也會對主泵的部分性能進行初始驗證。

冷試期間需要正式設備和臨時設備運行，正式設備的運行需要冷源系統的支持，設備運行期間將熱量通過冷源系統輸送至海水。

1.2 核島冷源系統簡介

設備冷卻水系統是閉式冷卻回路，該系統將各種電站設備的熱量傳遞給廠用水系統，最終熱阱為海水。設備冷卻水系統在功率運行、正常冷卻、換料工況下都要運行。系統包括設備冷卻水泵、熱交換器、波動水箱及相關的閥門、管道和儀器儀表。

廠用水系統有2臺100%容量的廠用水泵、自動反沖洗濾網和相關的管道、閥門、控制系統和儀表。廠用水泵位于循環水泵房。廠用水系統泵的設計必須考慮循環水泵房的布局和在每個廠址預期的最大和最小海水水位。

海水入口涵洞設置有凈化柵欄和旋轉濾網用來除去懸浮物及其他雜質（比如：海草），這些雜質會影響廠用水系統泵和其他系統的運行。然后海水經廠用水系統泵和過濾器進入設備冷卻水系統熱交換器，帶走核島設備組件的熱量。被設備冷卻水熱交換器加熱過的廠用水排入循環水系統排放管道，然后直接排向大海。

1.3 海域使用權簡介

海域使用權自2002年1月正式施行《中華人民共和國海域使用管理法》（以下簡稱“《海域法》”）時被正式確立，無論在實務界還是理論界，都屬于比較新的領域。對于海域使用權的具體用途，也就是獲得使用權的海域可以派上哪些用場就不甚明了了。換句話說，出于什么樣的用海目的可以申請海域使用，了解的人不多，甚至無從知曉。這與現行法律沒有系統的規定不無關系。通觀《海域法》，只有少許條款零星地涉及這方面的規定，而且都不是正面直接的規定。比如，第二十五條“海域使用權最高期限，按照下列用途確定：（一）養殖用海十五年；（二）拆船用海二十年；（三）旅游、娛樂用海二十五年；（四）鹽業、礦業用海三十年；（五）公益事業用海四十年；（六）港口、修建船廠等建設工程用海五十年。”再比如，第三十五條“下列用海，免繳海域使用金：（一）軍事用海；（二）公務船舶專用碼頭用海；（三）非經營性的航道、錨地等交通基礎設施用海；（四）教學、科研、防災減災、海難搜救打撈等非經營性公益事業用海。”這些規定都不是從說明海域使用權用途的角度直接做出，而且分類的標準也并不統一。

為了貫徹落實《海域法》，適應海洋經濟發展的要求，提高海域資源配置效率，加強海域使用金征收管理，國家海洋局和財政部聯合下發了《關于加強海域使用金征收管理的通知》，將用海類型劃分為5個大類19個小類，可以看作是國家對于海域使用權具體用途的規定。依法獲得海域使用權以后，使用權人可以根據設定的用海類型進行填海造地用海、構筑物用海、圍海用海、開放式用海及其他方式5大類型的用海，分別包括：①填海造地用海。建設填海造地用海，農業填海造地用海，廢棄物處置填海造地用海；②構筑物用海。非透水構筑物用海，跨海大橋、海底隧道等用海，透水構筑物用海；③圍海用海。港地、蓄水等用海，鹽業用海，圍海養殖用海；④開放式用海。開放式養殖用海，浴場用海，游樂場用海，專用航道、錨地用海；⑤其他用海。人工島式油氣開采用海，平臺式油氣開采用海，海底電纜管道用海，海砂等礦產開采用海，取、排水口用海，污水達到準排放用海。

單位或個人如果有上述的用海需求，可以在符合海洋功能區劃的前提下，在《海域法》規定的海域范圍內，依法獲取海域使用權。

2 冷試期間臨時冷源方案

不同壓水堆的設備存在差別，熱負荷也存在差異，從而導致所需的臨時方案存在差異，本文中的臨時冷源方案以國內某二代加壓水堆核電站為例。

2.1 冷試期間熱負荷簡介

根據核電廠冷試需求，熱負荷階段主要需求階段有反應堆冷卻劑泵啟動、反應堆冷卻劑泵加熱一回路和重要設備運行等，特別說明電氣儀控房間空調采用風冷機組和空調，不作為熱負荷輸入，主要的產熱設備及對應的工作時長，詳見表1冷試期間主要負荷。由于反應堆冷卻劑泵功率高，雖然反應堆冷卻劑泵僅運行不到50 h，不足冷試1/4時長，但是主泵熱負荷占到整個冷試的44.2%。

表1 冷試期間主要負荷

根據之前調試經驗，從第一臺反應堆冷卻劑泵啟動到最后一臺反應堆冷卻劑泵隔離，一般為58 h，故而主要的熱負荷集中于58 h內。

冷試期間熱負荷在時間上具有明顯的不均勻性，熱負荷主要集中在主泵開啟相關的試驗，故而只要滿足主泵冷試要求，其他試驗均能滿足。

2.2 臨措方案簡介

2.2.1 臨措輸入基準簡介

（1）基準水位。根據廠址設計數據，廠用水系統的設計基準水位如下。為滿足調試要求，泵房前池的水位應不低于-5.16 m。設計最高水位（10%超越概率高潮位+可能最大風暴潮增水）等于5.17 m。設計最低水位（10%超越概率低潮位+可能最大風暴潮減水）等于-5.16 m。

（2）基準水溫。廠用水系統設計基準水溫為27.2℃；廠用水系統設計最高水溫為31.5℃；廠用水系統設計最低水溫為-2.5℃。

2.2.2 臨措布置簡介

根據熱負荷擬采用廠用水系統自循環方案的總體思路，通過循環水廊道、排水廊道、虹吸井、熱水回流溝和循泵泵房前池，形成一個自循環方案，同時由于一定的滲漏考慮必要的少量補水。

利用在循環水泵房前池設置的臨時取水池作為廠用水系統的水源，廠用水系統投用一個系列，作為設備冷卻水系統的冷源支持核島的調試需求。與原設計廠用水系統為直流冷卻系統不同，通過廠用水在設備冷卻水熱交換器之后，沿廠用水排水廊道排水至虹吸井。隨著虹吸井水位的上升，依靠重力水體漫溢流過排水構筑物溢流堰，沿著循環水排水廊道、熱水回流溝回流至泵房前池。自此形成一個閉合的自循環回路，廠用水系統一定程度上改為半直流半循環冷卻系統，泵房前池作為系統的熱阱，同時由于一定的滲漏或溫升考慮必要的補水，流程簡圖如圖1所示。

圖1 自循環方案方框簡圖

2.2.3 臨措水容積簡介

綜合考慮現有建筑和新增建筑，按照蓄水池充水至4.7 m液位計算，總蓄水容積約為4.2萬m3，即首次灌滿系統需要從外海引水4.2萬m3，總蓄水容積中進水廊道的蓄水容積不參與循環、虹吸井部分容積不參與循環，故而應剔除此部分容積。有效容積（是指參與自循環系統的容積）為3.2萬m3，主要蓄水量如下。

（1）虹吸井，蓄水容積2 714 m3。

（2）循環水排水廊道，蓄水容積15 176 m3。

（3）熱水回流溝，蓄水容積1 617 m3。

（4）泵房前池，蓄水容積10 288 m3。

（5）廠用水排水廊道，蓄水容積2 002 m3。

（6）廠用水系統管道，蓄水容積153 m3。

2.2.4 外海水溫

根據廠址參數，外海表層各月的平均水溫見表2。

2.2.5 溫升計算

由于冷試期間，設備運行將帶入一定的熱負荷進入水體。一方面，為了保證設備安全，應限制廠用水系統水體水溫。另一方面，熱負荷的帶入將引起水體升溫，可能影響系統安全。本章節主要是通過不同干預手段下的溫升計算，以保證自循環系統的可行性，滿足冷試的相關要求。

溫升計算依據設備冷卻水系統水溫上限為35℃，對應的廠用水系統設計最高水溫31.5℃作為基礎數據進行計算。

按整個冷試周期帶入的熱負荷進行計算，結合表1，整個冷試周期產熱3.82×106MJ，不考慮廠用水系統自循環水體與外界的熱交換，可以使3.2萬m3海水升溫ΔT=28.3℃。故而廠用水系統自循環初始水溫應不大于3.2℃，即外海水溫應不大于3.2℃才能滿足冷試排熱要求。綜合表2各月海水平均溫度僅有1—3月滿足冷試要求，其余月份水溫難以滿足冷試要求。

表2 各月海水平均溫度

當外海基礎水溫較高，熱負荷帶入后，導致自循環水體的溫度可能高于31.5℃。為提高對外界水體溫度的適應能力，考慮利用外海補水450 m3/h持續往廠用水系統冷試自循環中進行補水換熱。按如下基本條件進行計算。

（1）冷試自循環水體控制水溫T1按31.5℃控制。

（2）冷試有效時間按58 h計。

（3）在冷試有效時間內設備冷卻水系統熱負荷基本均勻。

（4）補水水溫不變，按初始水溫計。

（5）換水量供水的流量按450 m3/h計。

按如下公式開展溫升計算，最大允許初始水溫為19.5℃時，當初始水溫低于此溫度，采取廠用水系統換水措施時，廠用水系統自然循環滿足冷試期間需求。

式中：TS0為初始水溫（環境水體溫度、補水水溫）；TS1為控制水溫，按31.5℃計；ΔTS為初始水溫與控制水溫溫差；ΔT為廠用水系統補水水溫與水體水溫溫差；V為自循環水體總量，按3.2×104m3計；QS為廠用水系統側換水流量，按450m3/h計；Cv為定容比熱容，4.18MJ/m3℃；t為冷試有效時間，按58 h計；E為冷試期間設備散熱，2.82×106MJ。

為進一步提高適應環境水溫，考慮在設備冷卻水側進行換水工作，降低排入廠用水系統熱負荷，進一步降低對SEC自循環水體初始水溫的要求。

其他條件按照上述條件，增加設備冷卻水系統側的換水，換水量按20 m3/h（現場換水量受限）計算。

按如上輸入條件進行計算，最大允許初始水溫為19.7℃時，僅提高了0.2℃的初始水溫要求。主要是設備冷卻水側換水流量有限，僅為20 m3/h，換熱能力有限，故而對自循環水體降低水溫要求的貢獻不大，建議忽略不計。

綜上所述，冷試實時監測廠用水系統自循環系統水溫變化，主要結論如下。

（1）初始水溫不大于3.2℃，直接冷試，無須補水措施。

（2）初始水溫不大于19.5℃，需要采取450 m3/h換水臨措，支持除7—9月份之外的時間進行冷試。

（3）初始溫度大于19.5℃，特別是7—9月存在高溫情況，需要進一步分析計算，主要建議項為增加補水量，重點核實熱負荷，分段進行重點熱負荷改造等。

此方案需要利用臨時用海使用臨措供水泵進行補水，這是實現廠用水系統自循環方案落地的重要條件之一。當自然水體水溫過高，需要采用換水措施時，臨措供水泵需要持續供水。根據水溫不同，持續時間不同。

3 結論

通過本文的研究表明，在海工不可用的情況下，在初始溫度小于19.5℃時采取上述臨措能夠保證冷試的實施。根據經驗，其余壓水堆核電機組冷試符合比較相近，根據機組布置的不同進行具體分析。本文中的冷源自然循環下壓水堆核電廠冷試，對壓水堆核電調試起到啟示作用。

本文中的計算存在一定的不嚴謹，熱負荷假設偏大，對臨措有一定的影響，建議根據具體廠址布置和設備熱負荷進行實際計算，用以更大程度地支持核電調試進行，減少外界因素對調試主關鍵路徑的影響。