提高冬季设冷水温度的可行性分析

2011-02-17苏英华成军

中国科技信息 2011年9期

关键词：旁通冷水海水

苏英华成军

中国核电工程有限公司河北分公司

提高冬季设冷水温度的可行性分析

苏英华成军

中国核电工程有限公司河北分公司

本文阐述了设备冷却水、重要厂用水系统以及冬季设冷水温度过低问题的提出原因，从热工计算、运行控制等方面分析提高设冷水温度的方案并论证方案的可行性。

设冷水;温度过低;旁通;调节

前言

田湾核电厂址濒临黄海，位于我国北方，冬季海水温度很低，如果不采取相应措施，设冷水温度过低，产生对主泵的热冲击，无法提供冷却水机组制冷剂和润滑油运行的动力，使冷水机组停机，影响系统的正常运行。为保证系统的正常运行，需要采取相应的措施，提高设冷水的温度。

1、设备冷却水系统和重要厂用水系统（SEC）简介

设备冷却水系统主要功能：冷却各种“核岛”热交换器；经过由重要厂用水系统（SEC）冷却的热交换器将热负荷传递至最终热阱——海水；在核岛热交换器和海水之间形成屏障，防止放射性流体不可控制地释放到海水中。

每个机组的设备冷却水系统包括两个独立的安全系列和一个公用环路，公用环路由两个系列中的任一系列供水。每个安全系列包括下列主要设备（两个核岛相同）：两台100%的离心泵；两台RRI/SEC热交换器，每台容量为总容量的50%，热交换器位于泵的出口，将热量传递给海水;一台RRI波动箱。

重要厂用水系统功能是把由设备冷却水系统收集的热负荷输送到最终热阱——海水。该项功能由两条与安全有关的冗余系列来完成，它们用海水来冷却RRI系统的RRI/SEC 板式热交换器。

2、工程设计参数

田湾核电厂设计最低海水温度为-0.5℃。正常工况下设冷水设计最高热负荷30.5MW，最低热负荷5MW。

3、冬季设备冷却水温度过低问题的提出

核电站主泵机组和DEG、DEL冷水机组都是RRI系统的用户，他们对设冷水的最低温度有要求，核电站这些用户要求设冷水最低供水温度不低于15℃。

经与主泵的供货商沟通，设冷水通过高压冷却器冷却主泵密封注入水，水温过低的设冷水将会导致密封注入水温度过低，产生对主泵的热冲击。

对于DEG、DEL系统：设冷水水温过低将不能满足DEG、DEL系统冷水机组高低压差的要求，无法提供冷却水机组制冷剂和润滑油运行的动力，使冷水机组停机，影响系统的正常运行。

根据以上因素，综合考虑已运行核电站的经验，本工程要求设冷水最低供水温度不低于15℃。

如果不采取提高设冷水温度的措施，在海水设计最低温度-0.5℃，正常工况下设冷水的设计最高热负荷为30.5MW下，计算得出的设冷水温度为4.8℃，如果考虑机组实际运行的热负荷比设计值小，那么设冷水温度将会更低，远不能满足设冷水温度下限的要求。

所以需要采取有关措施，提高冬季设冷水的供水温度。

4、解决问题的方案描述

为提高设冷水供水温度，主要考虑分析了以下四种解决方案。

方案一：旁通海水单板换方案

设备冷却水系统正常运行时，一个系列投运两台板换进行换热；冬季海水温度过低时，为提高设冷水的供水温度，旁通其中一台板换的海水侧，只用一台板换进行换热。海水旁通管路全部布置在核岛。

此方案为推荐方案，关于此方案的详细设计详见第5节。

方案二：改变板换内冷热流体相对流向

板式换热器两侧冷热流体的相对流向对换热效率有一定的影响，流向相同换热效率较低，流向相反换热效率较高。

通过板换进出口管道的设置及切换，可以实现板换内冷热流体相对流向的改变，在海水温度较低时，使板换内冷热流体同向流动，以降低换热效率，提高设冷水板换出口温度。

在本工程中，曾对海水设计最低温度为-0.5℃，RRI系统热负荷为19MW，板换内冷热流体流向相同的工况进行了热工计算，得出设冷水板换出口温度为4.8℃，如果考虑设计最低热负荷为5MW的苛刻工况，那么设冷水温度就会更低。可见，通过改变板换内冷热流体相对流向的方案，效果有限，不能解决设冷水温度过低的问题。

方案三：旁通设冷水方案

在RRI侧旁通设冷水，调整流经每台换热器的设冷水流量，使被冷却的设冷水与未被冷却的设冷水混合，希望混合后的水温不低于15℃。海水侧一台海水泵运行。

针对本工程海水设计最低温度-0.5℃，RRI系统设计最低热负荷为5MW进行了热工计算，得出，流经每台板换的设冷水流量需要从设计的1400m3/h减少为69m3/h，流经板换被冷却的设冷水出口温度为-0.4985℃。

此方案的主要顾虑是：设备冷却水系统的用户涉及19个系统，70多台换热器，管网复杂。旁通设冷水将会对系统的管道阻力特性及设冷泵的运行工况产生影响；在不同工况下运行模式的切换中，也不可避免的会产生流体的波动，冲击等瞬态扰动。上述因素都将对设冷水的用户产生直接的影响。能保证分配给70多台换热器设冷水流量不低于要求值，将很难定量分析。另外，温度低至-0.5℃的设冷水是否会出现结冰，也需要进入更深入的研究分析。综合以上考虑，不推荐采用旁通设冷水方案。

方案四：RRI/SEC 两侧均进行旁路调节

板换两侧，海水和设冷水都旁通，减少流经板换的海水和设冷水，希望使设冷水供水温度不低于15℃。

此方案的缺点：该方案对于换热器RRI，SEC两侧的流量都有大的调节范围要求，很难实现对流量准确地控制，而且控制非常繁琐，故不推荐该方案。

5、采取的方案：旁通海水单板换方案

提高设冷水温度的措施，可以有以下几种方式：减少冷媒即海水的流量，减少换热面积，旁通一部分热侧流体。从原理上分析，减少冷媒是最直接，最有效的方式。

旁通海水单板换方案综合了上述解决原理：旁通海水减少了流经板换的冷媒，隔离一台板换的海水侧，使热侧介质（RRI）部分不被冷却，通过混合以提高设冷水的温度，同时，隔离一台板换，也减少了有效换热面积。

系统管路配置如下：每台板式换热器的海水进出口处设置电动隔离阀。SEC系统在板换入口前的DN600的海水母管上（核岛中）设置一条DN350的海水旁通管，称之为海水主旁通管。在此主旁通管上设置两个手动蝶式隔离阀，一个电动蝶式调节阀和流量计。通过调节阀使海水主旁通管的阻力特性与流经一台板换的海水流道的阻力特性相同。在板换海水入口前DN400的电动蝶阀两侧设置一条DN250的海水旁通管，称之为海水辅助旁通管，在此管路上设置两个手动蝶式隔离阀，一个电动蝶式调节阀。

根据SEC系统的管路配置，提供以下几种调节板换内海水流量的运行模式:

（1）SEC双泵运行：板换内的海水设计流量为3300m3/h

（2）SEC单泵运行：板换内的海水设计流量为2500m3/h

（3）旁通海水双板换：系统单泵运行，打开DN350的海水主旁通管路，是海水同时流经旁通管路和两台板换。此模式下流经两台板换的海水流量为2×920m3/h。

（4）旁通海水单板换：系统单泵运行，打开DN350海水主旁通管，关闭某一台板换的海水侧隔离阀，使海水只流经一台板换及海水主旁通管。此模式下流经板换的海水设计流量为1250m3/h。

（5）旁通海水单板换+降低板换内的海水流量：在旁通海水单板换运行模式的基础上，打开在运行板换的DN250的海水辅旁通管，关闭此板换DN400的隔离阀，流经板换的海水设计流量从1250m3/h减少到950m3/h。DN250的海水辅旁通管上设置有调节阀，可以实现调节流经板换的海水设计流量在950～246m3/h之间。

电站正常运行工况下，设冷水系统的设计热负荷为30.5MW。但是，根据国内电站运行经验反馈，系统最低热负荷可至5MW。由于机组长期运行在正常工况，而且此工况下冬季设冷水实际运行热负荷很低，能够合理的解决此工况下的设冷水温度过低问题是方案的关键。对于正常工况的热工计算，需要考虑的热负荷范围为设计最低热负荷到设计最高热负荷：5MW～30.5MW，取8MW作为中间值的代表。分别对5MW、8MW、30.5MW进行热工计算。

正常工况下系统的运行简述：热负荷为30.5MW时，开启SEC单泵运行模式，随着海水温度的降低，设冷水温度由35℃降到15℃时，机组运行模式切换到旁通海水单板换运行模式，流量由2500m3/h减少为1250m3/h，设冷水温度升高到29.3℃，当海水设计温度降为-0.5℃时，设冷水温度为19.5℃。热负荷为8MW时，开启SEC单泵运行模式，随着海水温度的降低，设冷水温度由35℃降到15℃时，机组运行模式切换到旁通海水单板换运行模式，流量由2500m3/h减少为1250m3/h，设冷水温度升高到19.8℃，当设冷水温度降为15℃时，运行模式切换为旁通海水单板换+降低板换内的海水流量，自动调节海水流量保证设冷水温度不低于15℃。在海水设计温度为-0.5℃时海水流量为369m3/h。热负荷为5MW时机组运行模式和8MW是一样，在海水设计温度为-0.5℃时海水流量为246m3/h。海水温度升高时，按上述相反的运行模式运行，即可满足设冷水温度不超过15℃。

对于其他运行工况可以通过监测设冷水温度，当温度降低到15℃时，根据本方案提供的5种运行模式，依次切换到下一个运行模式。如果设冷水温度高于34℃时，依次切换到上一个运行模式。在此切换过程中，及在海水设计最低温度的情况下，设冷水温度均保持在15～35℃的范围内。