净化系统热交换器组协同运行特性研究

乐方愿，彭明民，刘建阁

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引 言

核动力装置中净化系统的主要功能是连续除去反应堆冷却剂中的可溶性和悬浮杂质，保证冷却剂中的杂质浓度在允许值以下，降低冷却剂的放射性水平[1]。实现该功能的关键设备是对温度有严格要求的净化离子交换器，净化离子交换器中树脂的安全可靠运行需要合适的工作温度，为此设置了再生式、非再生式热交换器两级降温设备以满足其运行温度要求，其中再生式热交换器用于加热净化后的回水以减小回水温度与主冷却剂回路温度之间的偏差，从而降低对主冷却剂管道的热应力和疲劳；若冷却剂温度达不到离子交换树脂的使用条件，则必须通过调节旁通管路隔离其运行。因此，热交换器组的协同运行特性影响到净化功能的实现与否，净化系统作为核动力装置最重要的辅助系统之一，关系到核动力装置的运行安全能否得到保障[2]。

1 概 述

图1 净化系统原理流程简图Fig.1 Flow diagram of purification system

净化系统流程简图如图1所示，从主泵出口管段来的冷却剂（温度为t0）首先经过再生式热交换器管侧，与壳侧流动的净化后的冷流体换热，使冷却剂温度降低到t1，接着流经非再生式热交换器管侧与设备冷却水换热，将冷却剂温度降低至t2，而后进入离子交换器净化除去杂质；净化后的冷却剂回流至再生式热交换器壳侧，回收热量后冷却剂温度由t2上升到t3，最后回流至主泵吸入口管段[1]。考虑到离子交换树脂运行温度超过60 ℃易受热分解而影响其性能[4]，为此设定净化系统离子交换器运行的最高报警温度为56 ℃，当其入口温度达到或超过该限值时，通过旁统管道隔离净化离子交换器，因此需对t2严格控制，考虑到主冷却剂管道可能产生的热应力，回水温度t3也值得关注，热应力大小一般通过回水与主管道的温差Δt反映。可适当匹配调节设备冷却水入口温度tj和流量Qm以优化系统运行，满足核安全及效益最大化的原则。

从系统流程简图以及净化系统的运行原理可知，净化系统再生式热交换器管侧入口温度t0、设备冷却水流量Qm及入口温度tj变化都会影响再生式和非再生式热交换器的协同运行特性。本文重点研究t0，Qm和tj变化对系统的影响。

2 分析程序介绍

本文采用轻水堆热工水力瞬态分析最佳估算程序RELAP5对2个热交换器组的协同运行特性进行计算分析。RELAP5程序是美国核管会进行轻水堆冷却剂系统事故瞬态分析评审用最佳估算程序，它采用一维、瞬态、两流体六方程模型来模拟轻水堆的热工水力系统瞬态过程。RELAP5程序建模具有高度的灵活、自由特性，它充分利用集总参数法并通过抓住主要热工水力现象来模拟复杂而又庞大的压水堆一、二回路系统[3]。

RELAP5程序建模节点图如图2所示，其中TDV表示时间相关控制体，TDJ表示时间相关接管，J表示普通接管，P表示管型部件，A表示环形部件，B表示分支部件，HTR表示热构件。

通过该程序将再生和非再生热交换器组几何尺寸结构、传热面积等参数封装作为设计输入，通过优化搜索算法，得出基准工况的计算结果，并模拟各种参数变化对热交换器组运行特性的敏感性分析。

3 协同工作特性分析

在基准计算工况下，假设再生式热交换器入口温度为260 ℃，设备冷却水入口温度为40 ℃，流量为7 t/h。

基准工况下，模拟计算结果如下：

1）再生式热交换器管侧出口温度t1为110.4 ℃，壳侧出口温度t3为203.5 ℃；

2）非再生式热交换器管侧出口温度t2为50.2 ℃，壳侧出口水温tc为70.0 ℃；

3）净化回流水与主管道的温差Δt为43.6 ℃；

4）离子交换器入口温度t2在56 ℃以下，树脂可正常投运。

基准工况下，热交换器组出口温度以及与主冷却剂管道温差均在合理范围内，离子交换器入口冷却剂温度处于树脂正常运行温度范围之内。

3.1 再生式热交换器管侧入口温度波动

以设计基准工况为基础，调整净化系统再生式热交换器管侧入口温度t0，得其温度变化对再生式热交换器管侧出口温度t1、非再生式热交换器管侧出口温度t2、再生式热交换器壳侧出口温度t3、非再生式热交换器壳侧出口温度tc和回流水与主管道温差Δt的影响结果如图3所示。

从计算结果可以看出，随着再生式热交换器管侧入口冷却剂温度的提高，再生式热交换器壳侧出口冷却剂回流水温度有一定程度的提高，其他各个温度参数略有升高但升幅不如回流水温度升幅大，关键参数指标（非再生式热交换器管侧出口温度t2）处于树脂正常运行范围之内。

由此可见，所设计的再生、非再生式热交换器具有一定的设计裕量，再生式热交换器管侧入口温度的波动（260 ℃～305 ℃）对再生式、非再生式热交换器的联合运行影响不明显。即不影响净化离子交换器的正常投入使用，温差也在合理范围内。

3.2 设备冷却水流量波动

以设计基准工况为基础，调整设备冷却水流量Qm，得到设备冷却水流量变化对热交换器组出口温度变化的影响结果如图4所示。

从图中可以得知，随着设备冷却水流量的减少，非再生式热交换器管侧出口温度增加，再生式热交换器壳侧出口温度也升高，净化回流与主管道的温差减小。当设备冷却水流量由15 t/h减小到4 t/h时，再生式热交换器管侧出口温度增大13.3 ℃，壳侧出口温度增大6.8 ℃，与主管道的温差减小5.4 ℃；非再生式热交换器管侧出口温度升高20.7 ℃，壳侧出口水温升高38.3 ℃。

图2 模型节点图Fig.2 Model node graph

图3 热交换器组出口温度随再生热交换器管侧入口温度的变化曲线Fig.3 Curve of heat exchanger group outlet temperature along with the change of regenerative heat exchanger inlet temperature

图4 热交换器组出口温度随设备冷却水流量变化曲线Fig.4 Curve of heat exchanger group outlet temperature along with the change of equipment cooling water flow rate

计算结果表明，减少设备冷却水的流量导致离子交换器入口水温增加，不利于离子交换器的正常运行。因此需设定离子交换器的设备冷却水的流量下限值，从图中取离子交换器的最高报警温度工作点56 ℃得知设备冷却水流量至少要大于6 t/h，设计时要考虑一定的裕量，可对设备冷却水流量提出不小于7 t/h的要求。

综上，通过对热交换器组各出口参数对设备冷却水流量变化的敏感性分析可以看出，设备冷却水的流量增大对再生和非再生式热交换器联合运行有些影响，流量较低时热交换器组协同运行受其影响较大，流量较高时热交换器组受其影响较小，这可能是因为设备冷却水流量整体水平较小而增量相对较大的缘由。设备冷却水流量的增大有利于降低离子交换器入口温度更利于其运行，同时也降低了净化回流温度，但此时该温度值并不会对主管道产生过大的热应力，也不影响离子交换器的正常投运。因此限定设备冷却水流量≥7 t/h，选取较佳的设备冷却水流量为12 t/h。虑到设备冷却水的调节可为非再生式热交换器的优化运行提供参考。

3.3 设备冷却水入口温度波动

以设计基准工况为基础，调整设备冷却水入口温度，得到设备冷却水入口温度的变化对其他温度变量的影响结果如图5所示。

图5 热交换器组出口温度随设备冷却水入口温度变化曲线Fig.5 Curve of heat exchanger group outlet temperature along with the change of equipment cooling water inlet temperature

随着设备冷却水入口温度的增加，非再生式热交换器管侧出口温度增加，再生式热交换器壳侧出口温度也增加，与主管道的温差减小，但基本控制在50 ℃以内。设备冷却水温度由30 ℃增大到50 ℃时，再生式热交换器管侧出口温度升高10.9 ℃，壳侧出口温度升高5.8 ℃，与主管道的温差降低4.6 ℃。非再生管侧出口温度增大17.1 ℃，壳侧出口温度增大16.9 ℃。

综上，通过热交换器组各参数对设备冷却水入口温度变化的敏感性分析可以看出，设备冷却水入口温度的增加对再生和非再生式热交换器的联合运行有较大影响，尤其是对非再生式热交换器管侧出口即离子交换器入口温度有显著影响，因此需要设定设备冷却水入口温度报警值和上限值[2]。根据计算结果显示，离子交换器报警温度56 ℃条件下对应的设备冷却水入口温度为46 ℃，为留一定裕量，可以限定设备冷却水入口温度≤42 ℃，以免设备冷却水系统参数控制不佳导致净化系统无法运行。

4 结 语

本文通过RELAP5模拟分析了多个参数的波动对净化系统设备运行产生的影响，明确了系统运行中的敏感性参数，通过协同计算分析得出以下结论：

1）再生式热交换器管侧入口温度的波动对热交换器组的联合运行略有影响，但不影响净化系统的整体性能；

2）设备冷却水流量的过高和过低都不利于再生和非再生式热交换器的联合运行，限定设备冷却水最小流量为7 t/h，其较佳运行流量为12 t/h；

3）设备冷却水入口温度的提高不利于热交换器组的联合运行，限制该温度不大于42 ℃。

以上研究结果对净化系统的初步设计和优化运行具有重要的指导意义。

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