AP1000 DWS系统供水设计问题分析及改进研究1）

林 圣

(三门核电有限公司,浙江 台州 317112)

AP1000除盐水输送和储存系统 (DWS系统)将除盐水厂的来水储存至除盐水储存箱(DWST),通过除盐水输送泵及催化除氧单元(CORS)输送到全厂各个除盐水用户以及凝结水储存箱 (CST),整个电厂一回路及二回路的水均来自DWS系统。

DWS系统调试期间发现,当DWS向CST水箱供水时,除盐水出口供水母管压力仅为0.25～0.3 MPa(压力受CST水箱液位波动),设备冷却水系统 (CCS系统)等用户无法获得所需的除盐水。为了向CCS波动箱供水,维持较高的系统压力,需提高除盐水母管的背压,因此需对CST供水管线进行限流,以解决除盐水母管供水压力不足的问题。

1 问题分析

根据DWS系统设计要求,DWS系统需满足向CST及CCS同时供水的需求,其中向CST供水流量为56.8 m3/h(250gp m),向CCS供水流量为22.7 m3/h(100 gp m)。

除盐水从DWST CORS流出后,途经附属厂房 (DWS-L241)、汽轮机厂房 (DWS-L514、DWS-L502、DWS-L506、CCS-L130、CCSL143),送至标高位于187′-3″的设备冷却水波动箱 (CCS-MT-01),该水箱是AP1000机组DWS系统标高最高的用户之一。

为了满足用户供水需求,除盐水供水母管出口A位置必须有足够的压头来克服整条供水管线阻力及管道内液体静压;为了满足CCS供水需求,示意图B位置必须要有足够的压力来克服管道B-D-E-F段阻力及标高静压。

1.1 供水压力需求计算

图1 DWS分配管网示意图Fig.1 Schematic of DWS distribution piping

图2 DWS向CCS及CST供水管线标高示意图Fig.2 Schematic of the elevation of DWS water supply pipelines to CCS and CST

式中:ΔPA——满足CCS供水需求所需DWST CORS出口A处最小压力;

ΔPB——CCS供水支管接口B处最小压力;

ΔPA-B、 ΔPB-D、 ΔPD-E、 ΔPE-F——AB、B-D、D-E、E-F段管道摩擦压力损失;

ΔPA-F——A、F标高静压差;

ΔPB-F——B、F标高静压差。

根据DWS核岛及常规岛管道安装图,从DWST CORS出口至DWS-L502接口三通 (A-B段),管径4″(0.1016 m),流量350 gp m,直管线总长703.8′(约214.5 m),管道附件数量及等效长度如表1所示。

表1 DWS-L241及DWS-L514管道附件等效表Table 1 DWS-L241 and DWS-L514 pipe fittings equivalent table

1.1.1 雷诺数的计算[2]

式中:Re——雷诺数;

d——管道的内径,in;

v——管道内流体流速,ft/s;

ρ——流体的密度,l b/ft3;

μ——流体的黏度,c P。

本文取水温为70℉ (21℃),此时μ=1.05,ρ=103kg/m3=62.381 b/ft3。

式中:Q——管道内流体流量,L/min;

d——管道的内径,in。

已知Q=350 gp m,d=4″,代入式 (4),计算得v=8.925 ft/s。

将已知数据及计算结果代入式 (3),计算得Re=262 782。

1.1.2 管道摩擦系数的计算

管道摩擦系数的计算按Colebrook for mula(柯尔布鲁克)公式进行计算[3]:

式中:f——摩擦系数;

ε——管壁的绝对粗糙度,in;

d——管道的内径,in。

管道的绝对粗糙度为0.0018 in,d=4 in,将式 (3)计算结果代入式 (5)计算得f=0.017。

1.1.3 管道摩擦压力损失计算[2]

式中:h1L00——100管道流体压头损失,ft;

f——摩擦系数;

v——管道内流体流速,ft/s;

d——管道的内径,in。

1.1.1及1.1.2计算数据代入式 (6),得出h1L00≈6.31 ft。

式中:ΔP100——100管道流体压力损失,psi。

式中:ΔPA-B——A-B段管道摩擦压力损失。

式中:Lf——管道配件等效总长度,ft;

Lp——直管道总长度,ft。

式中:L1——45度弯头等效总长度,ft;

L2——90度弯头等效总长度,ft;

L3——闸阀等效总长度,ft;

L4——直线三通等效总长度,ft;

L5——直角三通等效总长度,ft。

代入表1数据得:Lf=9×2.9+33×4.4+2.7+17×6.7+2×20.1=328.1 ft,

故:L=328.1+703.8=1031.9 ft。

1.1.4 B-D、D-E、E-F段压力损失计算:

同理,可得出管线 DWS-L502(B-D)、DWS-L506 及 CCS-L130(D-E)、CCS-L143(E-F)压力损失,见表2。

表2 管道摩擦压力损失计算表Table 2 Calculation for the friction pressure loss of pipeline

1.1.5 A～F,B～F标高静压差计算

式中:ρ——水的密度,取103kg/m3;

g——重力加速度,取9.8 m/s2;

H——DWST CORS出口与CCS波动箱H1液位高度差,m。

已知DWST CORS出口标高:113 ft,CCS波动箱H1液位约12 ft,CCS波动箱底部标高:187 ft,故:H=187+12-113=86 ft=26.2 m。代入式 (8)得:

ΔPA-F=256 760 Pa=0.257 MPa,同理ΔPB-F=0.343 MPa。

将1.1.3～1.1.5计算结果代入式 (1)、式(2)得:

1.2 原因分析

根据1.1计算结果可知,为了满足CCS波动箱供水需求,DWST CORS出口母管压力必须大于0.55 MPa,CCS供水支管B处的压力必须不小于0.44 MPa。

CST水箱正常液位约为13 m(水箱布置在汽机房0 m 层,EL:100′-0″),B 点标 高84′-6″(距离0 m层-4.7 m),故CST水箱正常液位至B点的高度差为:h=13+4.7=17.7 m。计算得出:静压差ΔP≈0.173 MPa。

当DWS-V009全开向CST供水时,由于DWST CORS出口管径为4″,CST供水管线最小管径为4″,CST供水路径沿程阻力很小,仅依靠CST中的水位提供背压,此时B点背压约为0.173 MPa,远小于计算所需0.44 MPa,故CCS供水分支管线无法获得所需的压力,因此,无法向CCS波动箱供水。

根据DWS系统设计,除盐水出口母管压力通过压力控制阀DWS-V025进行调节,维持在0.69 MPa左右,但是当DWS-V009全开时,由于除盐水母管背压不足,此时,无论如何调节DWS再循环压力控制阀DWS-V025,都无法将除盐水出口母管压力调至系统设计压力,设计方并未考虑DWS-V009全开时整个系统的压降,导致DWST CORS出口母管压力无法达到设计压力,因此目前DWS管线设计并不满足系统设计要求,需对DWS分配管线进行修改。

2 解决方案

为了从根本上解决DWS向用户的供水问题,需对CST供水管线进行节流,以满足其他用户的供水需求。有以下几种方案供选择:

方案一:调节阀门DWS-V009的行程,控制CST补水流量,以提高除盐水母管的背压。

限制阀门行程是常用的节流做法。根据阀门图纸及现场核实,DWS-V009具有限位调节螺母,阀门行程距离为25 mm,试验中手动操作阀门发现,当满足CCS供水需求时,阀门DWSV009的开度大约为40%,因此需限定阀门的行程为0～10 mm,经气动阀专业人员确认,阀门限位调节范围很小,无法将阀门限位调整至系统要求的开度。对于是否可以在现场通过增加阀门限位装置来控制阀门的行程,进而限制阀门的开度,经厂家确认,现场无法实施,若需增加限位,需返厂实施,但无法验证增加限位后可否满足要求,且可能导致现有阀门的报废。因此,对现有阀门DWS-V009限位调节的方法不可行。从现场实际情况及改造实施难度上,该方案对于三门一期工程都是不可取的,需考虑其他方案。

方案二:增加手动截止阀,对CST补水管线进行节流。

在CST补水管线 (DWS-L022)凝结水储存箱除盐水补给止回阀 (DWS-V008)的上游 (图2 C位置)增加一个手动截止阀 (DWS-V569),通过试验,调节阀门开度来限制DWS向CST的补水流量,进而获得CCS补水所需母管压力。在系统压力设定好了之后,移除阀门DWS-V569的手轮,防止人员误操作而改变阀门的开度。设计方采用该方案对三门一期工程CST供水管线进行改造。该方案具有一定的灵活性,可根据用户需求,调节流量。但是,该方案也存在一些缺点,一方面增加设备就会增加故障检修点;另一方面当对阀门进行检修或其他原因需对阀门进行操作时,阀门的开度可能会被改变,此时需对阀门开度进行重新调节。

方案三:增加节流孔板,对CST补水管线进行节流。

可以在CST供水管线上增加一块节流孔板,以限制CST的补水流量,获得CCS波动箱补水所需的背压,同时需满足孔板后的压力足以将CST注水至H1液位。根据现场管线实际布置,在DWS-V009/V008的上游 (图2 C位置)安装流量孔板,取代方案二阀门DWS-V569。采用流量孔板,一方面增加设备少,改造容易,节约人力物力;另一方面只需在设计时计算所需孔板的尺寸,不需要运行维护,且安全可靠,节约运行成本。

3 方案比较

根据以上3种方案分析,均需对CST供水管线进行节流,以提高除盐水母管背压,三种改造方案优缺点比较如表3。

表3 改造方案比较Table 3 Alter ation schemes comparison

根据以上对比,方案二和方案三均可以解决目前DWS系统向CST供水时,母管压力不足的问题,综合考虑改造成本及系统运行的可靠性等方面,方案三更简单方便,也更安全可靠,建议采用方案三增加流量孔板对CST供水管线进行改造。

4 孔板尺寸计算

根据第1节分析,DWS系统向CST供水时,需限定CST供水流量为56.8 m3/h(250 L/min),供水管径4″。

水管道节流孔板孔径可按下式计算[4]:

式中:dk——孔板的孔径,mm;

Q——通过孔板的流量,已知为56.8 m3/h;

ρ——水的密度,取103kg/m3。

ΔPK——孔板前后压差,ΔPK=P1-P2,P1、P2:孔板前、后压力。

式中:ΔPB-C——B、C标高静压差,根据图2标高图知B、C标高差约为4′,根据式 (8)计算得ΔPB-C=0.01 MPa。

将1.1计算结果代入式 (10)得:P1=0.45 MPa。

备注:根据施工图,由于B、C两点距离很近,故忽略管道摩擦压力损失。

孔板后压力P2,取CST水箱H1液位时的静压,CST水箱H1液位约为13 m(水箱布置在汽机房0 m层),孔板安装位置大约在汽机房地下-6 m,故h=13+6=19 m。代入式 (8)得出:P2=0.19 MPa。

故ΔPK=0.26 MPa;代入式 (9)得:dk≈38.5 mm,因此孔板孔径选取38.5 mm,法兰配合面管径为4″。

5 结束语

通过理论计算分析,DWS系统原设计计算书存在缺陷,目前管线设计不满足DWS系统用户供水压力需求,需对CST供水管线进行改造。通过对比分析,方案3增加节流孔板,满足系统设计供水需求,且造价低、改造简单、安全可靠。

三门一期工程因设计方采用方案2,对CST补水管线进行改造,生产阶段可以采用方案3进行设计变更,后期工程建议在CST供水管线上使用节流孔板,孔板孔径选取38.5 mm。