海南核电硼回收系统管道伴热改造分析

□胡永强 黄渝祝 韩揽月

一、概述

海南核电硼回收系统为1#&2#机组的公用系统(9TEP系统)，其主要功能为：第一，通过化学和容积控制系统(RCV)下泄流管线收集来自于反应堆冷却剂系统和核岛疏水排气系统(RPE系统)的含氢冷却剂；第二，处理含氢的冷却剂，以得到反应堆的补给水和重量百分比为4%的硼酸溶液。

在9TEP运行过程中发现KIC上经常触发9TEP705KA和9TEP706KA低温报警，经分析后认为浓硼传输管道上没有设计硼伴热造成，且当浓硼流经未伴热的管线时还存在结晶堵塞管道的可能，其结晶分析分析如下：除气后的冷却剂进入中间槽暂存，待满后通过自然循环蒸发器处理，分离成浓硼溶液和反应堆使用的补给水(即蒸馏液)；浓硼溶液经9TEP系统的蒸发器001/002EV排放管线的冷却器005/006RF后，经管道9TEP0030、9TEP0031、9TEP1125-1、9TEP1125-2排放至浓缩液槽007/016BA储存；目前此低温报警消除的方法只有一种：重新启动蒸发器进行硼水分离时，通过高温浓缩液排放让管道升温，使管道温度升至低报值以上；但蒸发器只在需要时启动，大部分时间处于停运状态，特别是海南核电双机组大修时两台硼伴热蒸发器都要停运，因此这两个报警频繁触发。

因此需要对原设计进行完善，在管道9TEP0030、9TEP0031、9TEP1125-1、9TEP1125-2敷设伴热丝及热电偶，以解决9TEP705KA和9TEP706KA低温报警及结晶风险问题。

二、计算分析遵循的准则及适应标准

伴热改造一是根据需要伴热的管道进行重新设计新的配电盘、伴热电路盘及热电偶接线箱，这一改造思路，技改工作内容较多，实施较复杂；二是分析现有配电盘、伴热电路盘的剩余能力(设计裕量)是否满足新增伴热丝的功率要求，若满足要求，则技改实施就相对容易且费用较少。本文即是针对利用现有配电盘、伴热电路盘的剩余能力进行的伴热管道的计算分析。

由于是在原有系统的基础上进行的改造，其计算分析须遵循以下准则：第一，经过分析后新增加的伴热丝的设计需要遵循原设计要求，即新增的伴热也需要具有正常和备用两个冗余的系统，正常回路连续运行，备用回路仅在正常回路出现故障时自动投入；第二，被伴热回路的控制的介质结晶温度至少需加上4℃的安全裕量来选定温度定值，且还需考虑浓缩液经过NX厂房时的环境温度；第三，按原设计要求，计算分析需要假定失去全部电源后15分钟内防止结晶的原则来确定保温层，但原设计已制作保温层，因此需要根据已制作的保温层的热损失来选取伴热电源等级；第四，伴热元件的伴热功率还需与被伴热管道、保温层、环境最低温度、浓缩液最高温度之差匹配。

三、9TEP管道伴热热损计算及电压功率的确定

(一)9TEP管道热损失计算。为明确加热电缆的功率及整个硼伴热系统的功率分配，要对硼酸溶液流过的管道和设备的热损失进行详细计算。根据硼伴热系统及EOMM手册中提供的计算简要说明，根据9TEP管道9TEP0030、9TEP0031、9TEP1125-1、9TEP1125-2的布置、保温等情况。

Ho为空气总传热系数，W/m2.℃;Hi为空间层传热系数，W/m2.℃；Kin为保温层热导率，W/m2.℃；Tp为管道外表面温度，℃；Tin为保温层外表面温度，℃；Tc为金属防护层壁温，℃；Tamb为环境温度；Dp为管道外径，m；Dc为保温层外金属外径，m。

根据热硼伴热系统手册及传热学原理，管道热损失标准计算公式[1]如下：

q=(Tp-Tamb)/(Rin+Ri+Ro)

其中Rin为保温层热阻，Ri为空间层热阻，Ro为金属防护层外的空气热阻；保温层热阻Rin=Ln(Dc/Dp)/2×π×Kin,Kin=0.031+0.000085(Tin+TP)；空间层热阻Ri=Ri=1/(π×Dc×hi),hi=hri+hci；金属防护层外的空气热阻Ro=1/(π×Dc×ho),ho=hro+hco。

保温层，空气层，金属防护层外空气的热流都等于q，进而可求出管道热损q。为确保核电厂运行安全，在伴热设计时，选取安全系数1.3，即可得管道热损Q=1.3q。

管道的附件(法兰阀，止回阀，支架)的计算采用等效长度法，即该等效管道长度的热损值相当于此管道附件整体的热损值。通过查管道附件等效长度表，折算成管道长度后计算热损值。

因现场已设计有保温层，根据现场测量参数，管道直径Dp=1.5inch，保温层厚度=40mm，按照硼伴热系统手册中TEP系统7,000～7,700PPM硼浓度的管道温度设计值Tp=42℃，环境温度Tamb=7℃。

(二)伴热丝电压等级及功率的计算分析。根据回路和设计的需求选用电加热元件进行校核计算。第一，计算相应的理论配电电压，按照理论电压等于或约等于最小配电电压U×85%的原则，确定正常配电电压U。第二，按照配电电压(85%～110%)U范围内波动的原则，分别计算相应最大功率、最小功率、单位热元件长度的最大功率。热元件单位长度的最大功率要小于100W/m。第三，根据硼伴热系统手册设定，TEP 7,000～7,700PPM浓硼溶液管道设定管道温度为42℃，参考硼回收系统其余管道设计值，从保守决策考虑，设定管道主伴热回路启停温度为45℃，50℃，备用伴热回路启停温度为40℃，45℃，低温报警温度选择为35℃，高温报警温度选定为65℃。

软件部分需在PLC软件中增加对应的测量点、报警信号点及控制逻辑。上位机上需要增加4条管道的热电偶温度信号显示，高低温报警信号。

四、结语

本文通过对硼回收系统硼浓缩液管道9TEP0030、9TEP0031、9TEP1125-1、9TEP1125-2的伴热计算，得出伴热丝电压等级及伴热功率需求，根据已有伴热电路盘的设计电源功率，得出了仅利用已有伴热电路盘的功率就可以满足本次技改要求，从而节省大量技改经费；另外，对伴热的测量部分，也可充分利用现有测量与控制部分即可解决新增热电偶的测量与控制，节省了测量及控制卡件，PLC软件中仅需增加温度测点及控制信号和对应的控制逻辑，不需对软件做大的改动，从而保证了目前软件的完整性与有效性。通过该技改可消除9TEP705KA和9TEP706KA低温报警现象，同时解决了这4段管道硼结晶的风险,。