寒冷地区核电厂重要厂用水系统设计研究

2020-05-04李广胜曾建丽

中国核电 2020年1期

李广胜，曾建丽，杨廷，胡剑，彭跃

(中广核工程设计有限公司，广东深圳 518000)

重要厂用水系统(ESWS)的主要功能是冷却设备冷却水系统(CCWS)换热器，将CCWS收集的堆芯和乏燃料水池余热排出到最终热阱中。为了保障核电厂安全、可靠运行，国内外多种堆型的核电机组均对CCWS供水温度提出了限制要求。以国内常见的核电厂机型M310为例，依据RCC-P 2.3.6.3.9(1991年和1995年修订版)要求，失水事故工况下应保证CCWS供水温度不超过45 ℃，其他情况下不超过35℃；部分核电厂主泵要求轴封冷却水的供水瞬态温度不低于10 ℃，核岛冷冻水系统要求设备冷却水供水温度不低于15 ℃。

我国南方厂址核电厂ESWS常采用直流式。但在北方寒冷地区，公开水域水温明显偏低，采取直流式冷却可能导致CCWS供水温度远低于限值，甚至出现结冰。

以我国北方寒冷地区某滨海核电站A为例，比较多种寒冷地区核电厂ESWS设计方案，分析其优缺点，以期为待建核电厂提供设计参考。

1 设计条件

滨海核电站A的CCWS有6个典型工况，对应的最大热负荷和CCWS供水温度要求如表1所示：

表1 核电站A的CCWS典型工况参数

我国北方寒冷地区滨海核电站A以海水作为ESWS的工质，每年海水温度低于0 ℃的时间持续大约2～3个月，与ESWS相关的主要厂址参数如表2所示：

表2 核电站A的ESWS主要厂址参数

2 参考设计方案

2.1 国外类似机组方案

研究人员调研了与核电站A相似的三座国外核电站，分别是俄罗斯KOLA核电站、加拿大Gentilly核电站和芬兰Olkiluoto核电站。

(1)KOLA核电站方案

KOLA核电站位于俄罗斯摩尔库斯科州，技术方案为VVER，海域的最低取水温度为0.2℃，设计CCWS最低温度为5℃。冬季运行时，采用ESWS系统出口热水回流的方式提高泵站取水温度。每个机组各有一条热水回流管线，管线上设手动调节阀，如图1所示。

图1 KOLA核电站ESWS示意图

(2)Gentilly核电站

Gentilly核电站位于加拿大Trois-Rivières市，坐落在St. Lawrence River北岸，技术方案为CANDU。ESWS从St. Lawrence River取水，河水水温在1～26 ℃，每个机组配有4台泵，冬季运行2台，夏季运行4台(见图2)，从而实现将CCWS水温控制在7～29 ℃运行。

图2 Gentilly核电站ESWS示意图

(3)Olkiluoto核电站

Olkiluoto核电站位于芬兰境内，1、2号机组技术方案为西屋公司的沸水堆，3号机组技术方案为EPR(在建)。该厂址海水温度在-0.37～23 ℃，最高达到过25 ℃。Olkiluoto 1、2号机组配置热水回流泵，冬季通过投运回流泵将热水从排出井回流到取水口，如图3所示。当冬季海水温度低于2 ℃时，必须长期运行热水回流泵。

图3 Olkiluoto核电站ESWS示意图

根据以上的调研情况分析，国外解决寒冷地区CCWS供水温度的主要方法是ESWS采用热水回流和降低CCWS温度下限。

核电站A在设计进度上不允许再调整CCWS水温，也没有条件实施开放式热水回流，因此设计人员研究了其他设计方案。

2.2 管路旁流方案

管路旁流方案流程如图4所示，其主要内容是为ESWS增加冬季管线“串联支路”和“并联支路”(见图4虚线部分)，冬季关闭主管路，部分流体经“串联支路”进入换热器ESWS侧进行冷却，另一部分流体经“并联支路”不通过换热器即直接排出系统。

图4 管路旁流方案流程简图

“串联支路”“并联支路”和主管路上安装电动截止阀，用于控制管路投运和隔离；“串联支路”“并联支路”和主管路上安装电动调节阀组，用于调节冬季各管路之间流量分配。电动阀门按档位置于不同状态。换热器CCWS侧温度用于控制档位变化。电动调节阀组的组态由CCWS水温来控制，当水温高于30 ℃时增加通过换热器的冷水流量；当水温低于20 ℃时降低通过换热器的冷水流量。

管路旁流方案已经在滨海核电站A的1、2号机组投入工程实施。设计分析和运行经验反馈得出，管路旁流方案的主要优点是工程实体影响范围小，只需要在换热器附近增加管路和阀门以及配备相应的控制系统。

设计分析和运行经验反馈得出，管路旁流方案的主要缺点是：

(1)占用控制资源过多

ESWS系统通常构成简单，需要的控制资源很少。采用管路旁流方案增加了数量众多的能动设备，消耗了大量核级控制资源。

(2)能动设备多，操作复杂

管路旁流方案增加了22台电动阀门(每个机组)以及一系列运行操作，包括：冬季启动ESWS时，操纵员必须立即启动相应系列的CCWS，停运CCWS时必须立即停运相应系列的ESWS；对备用系列进行定期冲洗；运行系列和备用系列切换时，需要手动设置电动阀门档位。

(3)潜在风险

1)尽管ESWS可以将通过换热器的海水流量降低到50 m3/h，但在冬季如果没有热负荷，CCWS水温仍然会持续降低。因此要求操纵员必须密切关注，以防止换热器结冰；

2)新增管道在系统中形成了低流速区域，可能会造成较多的局部沉积；

3)海水冲蚀可能会引起调节阀频繁更换。

2.3 管路回流方案

管路回流方案流程如图5所示，增加冬季管线“回流支路”和“旁流支路”，冬季部分流体经“回流支路”回到泵前以提高换热器入口温度，另一部分流体经“旁流支路”排出系统，“回流支路”和“旁流支路”均分别由多个支路组成，每个支路上均设有隔离阀；在一定条件下关闭主管路出口以提高回流流量。

图5 管路回流方案流程简图

不同支路隔离阀的组态由CCWS水温来控制，当水温高于30℃时降低回流流量、提高排出流量；当水温低于20℃时提高回流流量、降低排出流量。

管路回流方案已经在滨海核电站A的3、4号机组投入工程实施。相比于管路旁流方案，管路回流方案同样只需要在换热器附近增加管路和阀门以及配备相应的控制系统，其主要优点是：

(1)占用控制资源相对少

相比于管路旁流方案，管路回流方案的能动设备数量较少，需要的核级控制资源相应地减少了大约50%。

(2)操作简化

ESWS采用最小进水流量方式启动，回流流量占总流量1%～2%，因此冬季启动ESWS时给运行人员的操作时间很充裕；备用系列不需要定期冲洗。

(3)潜在风险降低

1)不存在冻结风险；

2)没有低流速区域，局部沉积可能性很小；

3)调节阀不参与核安全相关功能，并且数量减少到2个(每台机组)，设备检修频率降低。

管路回流方案的主要缺点是：

(1)不溶气体析出的负面影响增大

CPR机组的ESWS出口管道最高点标高比排水井液面标高大约高6 m，当系统停运时，会由于负压造成空气从海水中析出。此问题在CPR1000机组中普遍存在，但对于没有回流方案的机组，析出的空气会在下次启动ESWS时直接被冲走，对系统运行没有影响。管路回流方案则会将大部分析出的气体带回到泵入口。由于核电站A所在海域冬季海水温度与厂房内气温相差很大，因此析出的气体量也较大，这些气体回到泵前管道，并被吸入泵腔，严重时可能引起泵空转、无法启动。在机组调试期间发现这一问题之后，鉴于气体析出和聚集是一个缓慢的过程，增加了备用系列排气运行的操作，以便在积气量较小时即将其排出系统。

(2)瞬态低温

虽然具有回流管道，但管路回流方案仍然是一个开路系统，启动时会有外部的冷海水涌入，使得CCWS温度会在短时间内骤然降低，然后再回升。通过分析发现，最不利的条件下，CCWS水温可能会短时间地低于5℃。

2.4 水池循环方案

水池循环方案流程如图6所示，在ESWS取水口增加循环水池，增加冬季管线“回流支路”和“旁流支路”，并将“回流支路”的出口接到循环水池。与管路回流方案相似地，冬季部分流体经“回流支路”回到泵前以提高换热器入口温度，另一部分流体经“旁流支路”排出系统，“回流支路”和“旁流支路”均分别由多个支路组成，每个支路上均设有隔离阀；在一定条件下关闭主管路出口以提高回流流量。

图6 水池循环方案流程简图

按核电站A的现有工程条件，循环水池只能在紧邻ESWS泵房的狭小区间内选择施工空间。初步筛选之后确定了该水池为一个长约3.2 m，宽约2.2 m，深约20 m的狭窄空间。两个系列的循环水池相互连通，并且与ESWS泵房前池连通。

水池循环方案的主要优点是：

1)不溶气体在回流过程中通过循环水池排放到大气中，不会对ESWS泵启动造成影响;

2)缓解了瞬态低温问题。通过仿真计算发现，CCWS水温最低也不会低于10 ℃;

3)管路系统更加简单。通过仿真计算发现，如果“回流支路”和“旁流支路”完全按2.3节管路回流方案设计，则不需要使用调节阀；如果使用调节阀，则可以取消“回流支路”和“旁流支路”中的部分管路。

水池循环方案的主要缺点是：

1)循环水池内的效能和侵蚀问题。回流管道进入循环水池时，管内流速可能达到6～7 m/s，然后再折向下进入水池中。在狭窄空间内对这股高速水流的消能很难实现，长期运行后很难避免对构筑物的冲蚀作用。

2)循环水池内的维修保养。由于循环水池内部空间狭小，长期使用海水的管道和池内维修保养会非常困难。再加上机组对ESWS系统的可用率要求非常高，过长的维修保养时间对机组的安全性和经济性不利。

2.5 三种方案的对比

综上所述，管路旁流方案、管路回流方案和水池循环方案的优缺点对比概要如表3所示：

表3 三种设计方案优缺点对比

由表3可见，从安全性和系统运行的稳定性角度来看，水池循环方案最优，管路回流方案次之，管路旁流方案最差；从投资经济性角度来看，管路回流方案最优，水池循环方案和管路旁流方案次之。但如果从系统运行稳定性对机组可用率的角度展开评价，可能会得出不同的结论。

3 讨论与分析

3.1 两大路线的优劣比较

所谓两大路线，一是调研发现的国外机组，以优先热水回流、降低CCWS等ESWS管网之外为主的路线，称之为“外部路线”；二是第2.2节～第2.4节所述，以ESWS内部管网改造为主的路线，称之为“内部路线”。

外部路线的主要优点是整体方案结构简化。ESWS从公开水域取水，水质条件复杂，即便不考虑低温问题，也需要面对高盐度、高含氧量、高含氯量、携带固体颗粒、水生物繁殖等因素的多重影响[1]。因此ESWS系统设计的基本原则之一是尽可能简化系统构成，以降低机组寿期内可能出现的各种长期问题。外部路线要求降低CCWS设计温度下限，显然对一系列CCWS用户设计提出了更高的要求，这些用户主要包括：一回路冷却剂主泵、低压安全注入泵、高压安全注入泵、安全壳喷淋泵、核岛冷冻水冷却器等。

内部路线的主要优点是工程影响范围小，改造设计的主要实体都限制在ESWS管网之内。设备损耗的问题，可以通过增加运行期间的检查和定期试验来消除其不利影响。对于上游用户设计非常困难的机组，尤其是关键设备设计、制造水平能力不足的核电厂，内部路线不失为一种折中的选择。

但从长远来看，ESWS可能会遭遇的外部条件非常复杂，比如低温运行期间爆发水生物灾害。这些外部条件可能最终导致严重的后果，例如2009年12月，法国东南部内陆的Cruas核电站4号机组由于大量藻类涌入导致完全丧失热阱，如图7所示[2]。过于复杂的ESWS结构不利于对抗外部灾害。

图7 Cruas核电站4号机组涌入的水藻

因此在有条件的核电站，应当尽可能选择外部路线。

3.2 ESWS取水设计的重要性

第2.1节的三个案例中，以海水为水源的KOLA核电站和Olkiluoto核电站都采用了热水回流，而以河水为水源的Gentilly核电站则没有采用热水回流。其根本原因是海水温度可能会低于0℃，在特殊的极端条件下可能会造成CCWS局部结冰，而淡水温度不会低于0℃。热水回流最主要的作用是将水源温度提升到0℃以上，从根本上解除CCWS冻结的可能性。

热水回流实质上形成了循环取水。核电厂中除了ESWS之外，使用公开水域水的系统还有循环冷却水(TCCS)等系统。TCCS流量远高于ESWS，因此热水回流设计需要考虑TCCS流量的影响。对此，可以采用TCCS回流或ESWS设立独立泵站、独立水源来解决。如果ESWS设立独立水源，还需要考虑独立水源可靠性的问题，合理设计其容量问题。