秦山核电厂设备冷却水冬季运行方式的探讨

归东伟

摘 要

秦山核电厂在冬季运行时存在海水温度过低的问题，设备冷却水系统因此需要调整正常运行方式，防止过度冷却，保证核岛设备与系统安全。由于系统为三台泵和三台冷却器并列向A/B/C三列支管供水的布置方式，导致在特定运行方式下存在流量分布不均，甚至导致部分核岛设备冷却被旁路的问题，危害设备安全。本文对这些问题进行分析与探讨，并提出最优化的运行方式。

关键词

设备冷却水;冬季低温;运行方式

中图分类号： TM623                     文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.046

0 引言

设备冷却水作为海水和核岛设备的中间回路，能为对安全有重要作用的构筑物、系统及部件（包括主反应堆冷却剂主泵和余热排出系统热交换器等）提供适当的冷却容量，将熱量传递给最终热阱--海水。在正常运行及事故工况时保证安全设备正常运行。秦山核电设冷水系统由三台设冷泵、三台热交换器、一个波动箱以及相应的阀门、管道及仪表组成。在设冷系统运行时，设冷泵输送设冷水，经过设冷热交换器的壳侧，将热量传给管侧的海水，然后再分别经过三条母管（A、B、C），流经所需冷却的设备，最后返回设冷泵的入口。系统回路包括两个安全设施系列A/B环路和一个公共回路C环路系统流程如附图1。按照系统工艺设计，在大热负荷情况，二台设冷泵和二台设冷热交换器就足以带走余热排出系统热交换器和各种安全设施中冷却设备的热量。

设备冷却水热交换器为核安全3级，抗震Ⅰ类设备。海水侧设计温度为进口25℃，出口32℃。设冷水侧设计进口温度42℃，出口30℃。[1]

1 冬季运行方式的设置

按照系统设计，一回路海水设计温度为25℃，经过热交换器交换热量后将设备冷却水维持在设计温度32℃。正常运行时，根据海水温度的变化，调整设冷热交换器的运行方式维持热交换器设冷水出口温度在20～32℃范围内。但在实际冬季运行时，秦山地区海水温度较长时间内低于10℃，严寒天气会低于5℃，这给运行人员调整运行方式带来很大压力。

1.1 按照热交换器传热原理，调整传热量，存在以下调整措施

1）改变热交换本身的传热能力，满足系统换热量，如可变传热率/传热面对，这种方案对热交换器设计要求较高，设备原因无法实现;

2）增加设备冷却水系统热容量，增大所需通过传递给冷源的热量，由于正常运行时系统换热量较小且稳定，此方案符合热交换原理，但实际也无法实现。

3）减少通过热交换器的设备冷却水流量，可以调整减少设备冷却水泵的运行运行数量或者减少设备冷却水泵的出口流量，可以使设备冷却水通过不投冷却的热交换器进行旁通，也可以对热交换器设置旁路支管进行旁路冷却。

4）减少通过热交换器的海水流量，可以直接调整海水泵的出口流量，可以使海水通过不投设备冷却水的热交换器进行旁通，也可以对热交换器海水侧设置旁路支管。由于秦山核电地处钱塘江入海口，海水泥沙含量较高，直接减少海水流量容易造成管路淤积堵塞，因此流量存在限制。

5）减少进行热交换的换热面积，可以减少投运的热交换器的数量。

1.2 秦山核电的正常运行方式

按照1.1所述调整措施，结合生产和设备实际，在设冷水温度低于20℃，秦山核电正常运行按顺序可采用如下调整方式维持设冷水温度在20℃以上。

1）减少投运的热交换器，保持一台热交换器运行。

2）增开一台或两台备用设冷热交换器的海水出口阀，以减少冷却热交换器的海水流量。

3）调节运行海水泵出口阀开度，降低海水总管流量。由于秦山核电地处钱塘江入海口，海水泥沙含量较高，直接减少海水流量容易造成管路淤积堵塞，因此流量存在限制。海水流量调整不应低于1200m3/h。

4）如设冷水温度仍偏低，则选定一台热交换器同时通设冷水和海水，用作冷却设冷水，余下两台热交换器一台只投运设备冷却水，关闭其海水侧出口阀，另一台热交换器通海水，关闭其设备冷却水出口阀。[2]

2 冬季运行方式下存在的问题

按照图1所示系统流程见图，秦山核电在实际运行中由于三台设备冷却水泵和三台热交换器的并联布置，导致在特定运行方式下存在冷却流量分布不均的问题。

2.1 单台泵与单台冷却器

因热交换器的实际布置，导致设备冷却水去A/B/C各支管流阻不同，造成冷却流量不均匀，各支管冷却温度不同。较大的支管温差对于设备和系统的稳定运行带来威胁。因此，需要探索出一种能够均衡冷却流量的运行方式。保持一台设备冷却水泵和一台海水泵运行，进行各种组合运行如表1。

对于方案A，海水投运A/C侧，设冷水侧投A/B。设冷水平均温度为（18.3+30.6）/2=24.45℃设冷热交换器A/B设冷水出口温差为：30.6-18.3=12.3℃，设冷水升温明显，但两列支管温差大。

对于方案B，设冷热交换器A/B/C海水侧全投，设冷水侧投A/B，设冷水平均温度（15.5+16.1）/2=15.8℃设冷热交换器A/B设冷水出口温差为：16.1-15.5=0.6℃。设冷水升温较小，两列支管温差小。

对于方案C，设冷热交换器海水侧投A/B，设冷水侧投A/C。设冷水平均温度为（17+25.8）/2=21.4℃。设冷热交换器A/C设冷水出口温差为：25.8-17=8.8℃。设冷水升温明显，两列支管温差较大。

对于方案D，设冷热交换器海水侧投B/C，设冷水侧投A/C。设冷水平均温度为（26.5+17.6）/2=22.05℃。设冷热交换器A/C设冷水出口温差为：26.5-17.6=8.9℃。设冷水升温明显，两列支管温差较大。

综合对比四个组合运行方式，方案A设冷水温度提高最多，但设冷水A/B母管温差达到12.3℃，设冷水混合不均匀。方案B设冷热交换器A/B/C海水侧全投，该工况对提高设冷水温度几乎无效果。方案C与方案D在温差接近的情况下，使设冷水温度提高最多，且设冷水A/B母管温差相对较小。因此方案D为最优。根据以上不同情况的数据，冬季工况为尽量提高设冷水温度，且使设冷水A/B列温差尽量小，應切除运行泵对应设冷热交换器的设冷水侧，使设冷水经过更多的流动及搅混，同时投运该热交换器的海水侧。

2.2 两台泵与单台冷却器

当正常按照2.1所述中方案D运行，设冷热交换器海水侧投B/C，设冷水侧投A/C。此时启动两台设冷泵A/B和停冷泵B运行进行定期试验，可以得到如下数据，如表2。

从表2中数据中可以得知，单台泵运行时，A.B两列支管存在约8度的温差。在启动两台泵运行和B列支管大用户停冷泵B后，支管B（停冷热交换器B）、设冷泵B以及热交换器B/C，和支管A/C、设冷泵B以及设冷热交换器A之间的流阻和热阻得到平衡，导致形成分裂的环流。设冷热交换器C所在的B列支管一直在被冷却最终温度接近海水温度，而A/C支管则完全失去冷却，导致设冷水温因为设备热量的输入不断升温。对安全设备的备用和运行带来潜在的风险。由此可以证明，冬季工况两台泵和一台热交换器组合运行方式下，应避免投入海水被旁路侧热交换器所在支管的停冷热交换器。特别是冬季大修工况时，应尽量避免处于此种运行方式下，防止系统不可用而进入技术规格书限制。

建议在后续变更改造中，采取现新建电站普遍采用的四台冷却泵和两台板式热交换器，分为A.B两列的系统和设备设置方式，可以完全消除这个问题。

3 结论

冬季海水温度过低会导致设备冷却水温度降低，带来运行负担。本文从换热原理分析运行可以采取的系统运行调整方式以确保设备冷却水温度在正常范围内。并且针对秦山核电独特的泵和热交换器的布置方式可能产生的冷却流量分布不均匀问题，通过试验数据进行阐述。通过不同运行方式的对比，提出了最佳运行方式。对于后续机组变更改造存在一定的参考意义。

参考文献

[1]最终安全分析报告.秦山核电有限公司，2018.

[2]设备冷却水系统运行规程.秦山核电有限公司，2019.