气温变化对核电厂的影响及应对措施

王 军

（海南核电有限公司运行处，海南海口 570300）

1 研究背景和目的

海南核电两台650 MW 压水堆于2014 和2015年相继投产，目前，多用途模块式小型堆已开工建设。3、4 号机组前期工作也稳步推进，为实现海南生态与发展战略做出重要贡献。然而由于厂址地处北热带，大气平均高温达28.8。为研究海水温度对核电厂关键设备的影响，本文通过数据采集和分析，总结出海水温度短期内的变化规律，海水温度变化对由海水冷却的关键设备相关参数的影响，以及控制设备参数的应对措施，为核电厂控制关键设备相关参数在额定范围内提供了参考。

2 研究原理

2.1 海水温度影响核电厂的原理

海水用户主要包括循环水泵、重要厂用水泵、海水升压泵，海水温度变化直接影响三者所冷却的热用户。根据海水温度、闭式冷却水和设备冷却水瞬时变化曲线可知，海水温度、闭式冷却水和设备冷却水温度瞬时变化趋势大体一致。此外，通过对三者温度在2～8月近半年内的趋势进行收集，统计出海水温度变化范围为23.333.4，日波动幅度为02.9，闭式冷却水变化范围为26.336.4，日波动幅度为02.5，设备冷却水温度变化范围为25.134.6，日波动幅度为02.7。可见三者的温度变化范围和每日波动幅度基本相似，因此，研究海水温度对核电厂的影响，只要研究对闭式冷却水和设备冷却水下游热负荷参数的影响即可。

2.2 研究数据的选取

2.2.1 研究时段的选取

考虑海南昌江低气温出现在12月至次年2月，高温出现在6～8月，故本文数据采集时间段为2～8月，以体现大气温度的高低温极限。半年内海水温度变化范围为23.333.4，在此区间均匀选取11 个海水温度点，为减小极端天气对设备参数的叠加影响，根据11 个海水温度寻找出对应的气候平稳的11 个时间点。再通过11 个时间点分别采集所研究设备的参数，这样就可以得出半年内海水温度变化和设备参数的关系。

2.2.2 研究对象的选取

根据电厂的核安全、稳定发电、放射性控制等影响，设备分为关键设备（包括CC1 级和CC2 级）、重要设备（NC）和一般设备（RTM）等3 个等级，非关键设备故障在时间紧迫性和对核电厂安全的威胁性相对较小，本文不予考虑。正常功率运行时，设备冷却水所冷却关键设备为主泵和乏池冷却水系统。闭式冷却水的用户中关键设备及系统包括循环水泵、循环水泵润滑油系统、电动给水泵、电动给水泵辅助系统、凝结水泵、真空泵、汽机调节油系统、汽机润滑油系统、发电机氢气供应系统和发电机密封油系统。

海水温度变化对以上设备及系统的影响可以归纳为：淤对轴承和电机绕组的影响；于对电厂油品（润滑油/调节油/密封油）的影响；盂对凝汽器的影响；榆对发电机的影响；虞对乏池的影响。

3 研究内容与结果

3.1 潮位和大气温度对海水温度的影响

大气温度主要通过对流换热和太阳辐射，影响海水温度。潮位影响海水温度是因为海水温度在垂直方向上分布是随着深度的增加而逐渐递减的，潮位随时间周期性变化，故取水口吸入前池的海水温度也会变化。

海南核电取水口为混合潮型，每个月上弦月（农历初八）和下弦月（农历二十三）出现两次半潮日，周期短、潮位涨落幅度小，其余时间为全日潮，周期为24 h50 min。由于半日潮周期短，所以一般会出现白天最高温度时潮位处于低潮的情形，大气温度和潮位波形呈镜面对称，如假设半个月内平均气温和潮位不变，将出现海水温度该周期内的最高值；B 阶段后，由于全潮日周期比大气温度周期多50 min，所以总会出现大气温度和潮位波形呈近似的时候，当波形一致时，海水温度变化不明显；如大气温度和潮位曲线既不一致也不成镜面对称时，海水温度的最大/小值出现在大气温度最大/小点与潮位最低/高点之间。综上，海水温度曲线也是大气温度曲线和潮位曲线所对应的镜面曲线叠加的结果。据此，可以根据气象预报信息可以预估近期海水温度的大体趋势，如气象预报显示明日最低潮位在17:00，而大气温度最高值在14:00，可以预估明日海水最高温度在15:30左右，且由于最低潮与大气最高温时间点较接近，明日海水温度会较高。往后每天低潮位将推迟50 min，最低潮与大气最高温时间点时间间隔增大，如天气平稳，海水温度每天的最高值会越来越低。

3.2 对轴承和电机绕组的影响及应对措施

3.2.1 对轴承和电机绕组的影响及其原因分析

当轴承/电机绕组产生的热量和冷却水带走热量以及向空气释热量平衡时，此时的温度为轴承/电机绕组运行温度。轴承温度高会加快轴承的热疲劳损坏或导致轴承抱死，致使润滑油加快变质，润滑效果变差，从而导致轴承内部干摩擦，因此轴承温度过高是轴承损坏的重要原因之一。电机绕组温度大，会导致绕组绝缘损坏，寿命缩短。根据受海水间接冷却的轴承或电机温度与海水关系趋势曲线可知，汽轮机轴承温度变化最小，其余泵体轴承/电机绕组温度随海水温度的增大而增大。主要因为汽轮机润滑油由自身温度自动控制，其余泵体当冷却水温度上涨时，冷却水冷却能力下降，冷却水带走热量减少，导致轴承/电机绕组运行温度上涨。此外，因为汽机润滑油和发电机定子水/密封油/氢气冷却水温度均自动控制，当海水温度升高后通往以上热负荷的闭式冷却水流量增大，导致通往其余热负荷的流量减小，故泵体轴承/电机绕组温度随海水温度的增大而增大。

其中，温度变化最大的泵是主给水泵绕组和密封液、循泵绕组，海水温度变化1时，将导致其温度变化约1。其次是凝泵轴承、主给水泵轴承和循泵轴承，海水温度变化1时，将导致其温度变化约0.6。在极限高温时，上述对象距离报警或跳泵定值的裕度范围为[19，78]，其中，凝泵轴承和主泵电机下径向轴承在夏季最高温度时，它们距离H1 报警定值的裕度只有19，但是主泵电机下径向轴承温度随海水温度变化相对较小，海水温度每升高1，其温度增加0.4。

3.2.2 防止轴承/电机绕组温度高的应对措施

放开闭式冷却水SEN 侧流量。目前闭式冷却水SEN 侧存在50%左右截流，增加SEN 侧流量可以降低闭式冷却水温度。但是放开SEN 侧流量时，务必关注潮位变化，防止落潮时SEN泵出口母管压力降低导致备用SEN 泵启动，低潮位3 台SEN泵长期并联运行有SEN 泵气蚀的风险。

加强冷却机组通风换热能力，以降低厂房温度。主泵所在房间由安全壳连续通风系统EVR 冷却，可以手动增大冷冻水机组DEG 导叶开度来降低冷冻水温度，通过EVR 系统以降低主泵房间温度，保证主泵良好的散热环境，防止主泵轴承温度过高。常规岛设置汽机厂房通风和空调（DVM）系统，夏季可以通过加大SEP 流量，以加强蒸发冷却机组的通风换热能力，降低常规岛厂房房间温度。

巡检监视和预防性维修。主控对于以上轴承/电机绕组均有温度趋势，可以持续监视，对于除主泵外其余泵体，运行现场每班会通过点温、听音判断轴承温度是否正常。此外，根据管理规定，CC1、CC2 级设备必须采取积极的维修策略及时探测和缓解设备的老化现象，保证泵体的可用性。

3.3 对电厂油品（润滑油/调节油/密封油）的影响及其措施

3.3.1 对电厂油品的影响及其原因分析

润滑油包括汽轮机轴承润滑油（GGR），主给水泵辅助系统润滑油（AGM），循环水泵齿轮箱轴承润滑油（CGR），主泵电机轴承润滑油（RCP），密封油包括发电机氢侧和空侧密封油（GHE），调节油主要指三芳基磷酸酯抗燃油（GFR），3 种油温度升高将加快氧化速率，氧化后呈酸性也会加快油系统内壁的腐蚀速率，直接影响到用油设备寿命。此外，油质变质将使油品黏度增大，流动性减小，油流不畅使油温升高进一步加快油质恶化。

根据油品温度随海水温度变化曲线可知，海水温度的变化对汽轮机轴承润滑油（GGR）和发电机密封油（GHE）的影响极小，其余油品随海水温度升高而升高的趋势明显，海水温度每升高1，其温度升高0.60.9。查阅上述各研究对象的报警定值，在极限高温时，上述对象距离报警定值的裕度范围为[13，27]，其中，对AGM 润滑油的威胁最大，极限高温时距离H1 报警值裕度为13，海水温度每升高1，其温度增加0.8。

3.3.2 对电厂油品的管理措施

为了防止温度过高导致油质恶化，主要通过对电厂的油品进行监督和控制的措施。按照化学管理大纲要求，对于上述油品的油质都会制定标准，对其油质（包括含水量、酸性、氯离子和颗粒度等）进行定期取样分析和评价，对超标或者品质恶化的油品及时处理，确保系统设备用油满足规范要求。此外，各油系统设置过滤器，起到净化油品作用，过滤器压差一旦超限，需立即更换。

3.4 对凝汽器的影响及应对措施

3.4.1 对凝汽器的影响及其原因分析

真空度即为凝汽器内部绝对压力，根据卡诺循环原理，真空度过高将直接影响理论热力循环效率，进而导致发电厂的总效率减小。因此当电功率不变时，真空度增大将导致热功率将上涨，电功率为满功率时有可能导致热功率超过技术规范要求的极限值1930 MW。

根据凝汽器真空度随海水温度的变化曲线可知，海水温度升高将导致真空度增大，海水温度每升高1将导致真空度上涨0.6 kPa。海水温度上涨导致真空度增大有2 方面原因。

（1）海水温度上涨导致循环水泵吸入海水温度增大，海水带走低压缸排汽液化潜热的能力减小，从而使凝汽器真空度增大；

（2）甩出真空泵的压缩液经过汽水分离后的密封水经热交换器重新回到真空泵建立液环，液环必须保证一定过冷度，真空泵极限抽真空能力就是密封水的饱和压力。海水温度上涨将导致闭式冷却水温度上涨，导致回到真空泵的密封水温度上涨，从而导致真空泵内液环中部分密封水汽化，真空泵的吸入能力降低，真空度增大。

3.4.2 防止真空度过高的应对措施

增大循环水泵流量，从而增大海水带走低压缸排汽液化潜热的能力。目前凝汽器海水侧均有50%左右的截流，放开循泵流量可能吸入大批海藻、贝壳等海洋垃圾，也会导致前池液位降低，两者均威胁SEC 泵的运行。放开循泵流量期间必须时刻关注PX 泵房海工状况和前池液位，防止落潮后前池潮位低于0.2 m（水注）。

降低电功率，减小低压缸排汽量。当循环水泵流量没有放开余力后，为了防止热功率或核功率超限，真空度大于11.8 kPa，需要降部分电功率。

3.5 对发电机的影响及应对措施

对于发电机，闭式冷却水冷却的负荷包括发电机铁芯、定子线圈和氢气干燥器冷却水，其中铁芯由氢气冷却，发电机内氢气和定子线圈都由自动调节阀根据自身温度调节为恒定值，所以海水温度对发电机铁芯和定子线圈影响极小，对发电机影响主要是对发电机露点的影响。

3.5.1 海水温度对露点的影响及其原因分析

发电机氢气的露点为氢气饱和情况下，气温下降出现液珠的温度值。露点过高，发电机内结露，影响发电机内部绕组的绝缘性能，可能导致绕组短路或接地，露点过低，绝缘材料容易开裂，影响其寿命。

由海水温度与露点的关系可知，露点温度随海水温度升高而增大，海水温度每上涨1，导致露点温度上涨1.1。

氢气干燥器是利用活性氧化铝作为干燥器清除氢气中的水蒸气，活性氧化铝水分饱和后，需要进行再生。再生分为加热和冷却两个阶段，加热阶段，再生风机将氢气吹入加热状态干燥剂，带出干燥器吸附的水蒸气，水蒸气在冷凝器中进行冷凝后进入汽水分离器分离出液珠排出系统。当海水温度上涨，将导致闭式冷却水温度增加，在加热阶段，冷凝器冷却氢气的效率下降，水蒸气的液珠更不容易析出并进行汽水分离，从而影响干燥器再生效果，所以氢气露点随海水温度上涨而增大。

3.5.2 防止发电机露点过高的应对措施

（1）调整再生气流控制阀开度，从而优化再生效果。控制原则是2 h 内让再生塔内部温度和再生塔出口温度分别到达16328和8211，如果海水温度变化使再生塔内部温度和再生塔出口温度2 h 内无法达到目标值，需要调整再生气流控制阀开度。

（2）充排氢气。充排氢可以提高氢气纯度，即提高氢气分压，减小水蒸气分压，从而起到降低露点的作用。但是受制氢站制氢速率的影响，充排氢作用有限，特别是2 台机组同时因海水温度影响需要充排氢时。

3.6 对乏池的影响

4 研究结论

本文研究的海水温度为取水口吸入前池的海水温度，其影响因素众多，如大气温度、潮位、洋流和天气情况等，通过采集短期内平稳天气的海水变化数据，以减小洋流变化和极端天气的干扰。结果表明海水瞬时温度曲线是大气温度曲线和潮位曲线所对应的镜面曲线叠加的结果，据此，可以根据气象预报信息对短期内的海水温度变化进行预测。

汽轮机轴承/润滑油和发电机铁芯/定子线圈/密封油的冷却水流量均由自身冷却水温度自动调节，海水温度变化对其影响较小，其余研究对象温度均随着海水温度升高而增大。海水温度每升高1，主泵各轴承温度增大范围0.20.4，二回路泵体轴承增大范围为0.61，油品温度增大范围0.60.9，凝汽器真空度增大0.6 kPa，发电机露点温度增大1.1，乏池温度增大0.8。其中，凝结水泵/主泵电机下径向轴承、AGM 润滑油、凝汽器真空度和发电机露点温度在极限高温时距离报警值裕度小且随海水温度变化显著。所以海水温度升高对其威胁相对较大，其余有的研究对象虽然随海水温度变化更快，但是其距离报警值裕度较大，因此海水温度升高对其威胁较小。海南核电针对海水温度上升影响的设备，一方面在选型和设计上预留充分裕度，另一方面制定一系列应对措施以最大程度减小相关参数随海水温度的变化速率，确保机组安全运行。