海水温升对冷链换热器换热能力影响分析及应对措施

刘翠波 王慧渊 刘敏华

（中广核工程有限公司核电安全监控技术与装备国家重点实验室）

冷链换热器是核电厂冷却系统中的重要设备，在核电厂正常运行和事故工况下，冷链换热器将从设备冷却水系统（RRI系统）收集的核岛热量传递给冷侧的重要厂用水系统（SEC系统），最终热量被输送至最终热阱——海水。

冷链换热器的冷侧流体为海水，取自核电厂所在厂址的毗邻海域。冷链换热器在设计之初，一般会根据取水海域海水自然水温的历史数据进行相应的修正，计算确定一个相对较高的温度作为冷链换热器的冷侧海水入口温度，即TSEC值［1］。TSEC决定着冷链换热器的换热驱动力——对数平均温差的大小，在相同的设计热负荷和热侧出口温度限值条件下，TSEC越低，则冷链换热器的对数平均温差越大，换热驱动力越大；TSEC越高，则换热器的对数平均温差越小，换热驱动力越小。对于冷链换热器而言，TSEC越高，则其热工设计工况越恶劣，对冷链换热器的换热能力要求越高。

近几十年来，随着全球变暖的加速和极端高温天气的频繁发生，滨海核电厂附近的海水温度较核电厂设计之初有所升高［2］。另外，很多滨海核电厂在原有厂址上进行扩建，后续扩建机组的温排水也会升高核电厂周边取水海域的海水温度。海水温度的升高会造成TSEC的升高，使冷链换热器换热的热工工况趋于恶劣，可能造成冷链换热器无法满足冷却系统的换热要求，如在正常运行工况下无法将RRI系统来水冷却至RRI系统用户换热器要求的温度之下，触发机组状态后撤，降低机组的可用率；在事故工况下，影响核岛反应堆剩余衰变热量的导出，严重情况下会危及核安全。

因此必须对海水温度上升引起的TSEC升高予以足够重视，分析它对在运核电厂冷链换热器换热能力的影响，并考虑应对措施，提高冷链换热器可接受的冷侧海水入口温度值。

1 T SEC升高对冷链换热器换热能力影响分析

1.1 冷链换热器工况参数和设备参数

笔者以中国南方某滨海核电厂为例，分析TSEC较原设计值升高时对冷链换热器换热能力的影响。该冷链换热器设计热工参数如下：

热负荷 30.6 MW

热侧流量 774.0 kg/s

冷侧流量 818.4 kg/s

热侧出口温度限值 38℃

冷侧海水入口温度TSEC33.5℃

换热裕量 20.32%

国内核电厂的冷链换热器均为可拆式板式换热器，该核电厂冷链换热器设备参数如下：

板片数量 431

单板面积 2.954 m2

板片厚度 0.6 mm

板片材料 纯钛

形波纹角度 120°（H板）/60°（W板）

1.2 T SEC升高对冷链换热器换热裕量的影响

对于特定的热工工况，表征冷链换热器换热能力的指标为换热裕量，其定义式［3］如下：

式中 Kclean——冷链换热器在干净条件下的总传热系数；

Krequired——冷链换热器所需的总传热系数。

表1给出了随着TSEC提高，冷链换热器换热裕量的变化情况。

表1 换热裕量随T SEC的变化情况

当TSEC=33.5℃时，该冷链换热器拥有20.32%的换热裕量。随着TSEC的逐渐升高，换热裕量基本呈线性降低趋势，当TSEC升高至33.9℃时，换热裕量为10.07%；当海水温度升高至34.3℃时，换热裕量为-0.13%。

换热裕量的高低在一定程度上影响着冷链换热器的清洗频率，一般情况下换热裕量越大，换热器承受污垢的能力越强，换热器的清洗频率越低，反之，换热裕量越小，则换热器清洗频率越高。由上述分析可知，TSEC的升高会降低冷链换热器的初始换热裕量，导致其板片耐污垢能力降低，从换热器投运到停运（进行清洗去污）的时间会缩短，即清洗频率会升高。

根据工程经验，冷链换热器的初始换热裕量最小应保持为10.00%。由表1可知，此时冷链换热器的可以允许TSEC由33.5℃升高至33.9℃，当然这是以降低冷链换热器初始裕量为代价的，可能会造成换热器清洗频率的升高。

2 提高可接受冷侧海水入口温度值的措施

尽管通过降低冷链换热器初始换热裕量，可以在一定程度上增加冷链换热器可接受的冷侧海水入口温度值，但该值较小，如上文分析仅为0.4℃，因此需要进一步考虑其他工程手段，使冷链换热器可接受冷侧海水入口温度值（定义为TSEC′）进一步升高。笔者提出了4种应对措施：增加板片数量；采用大角度波纹板片；增大冷侧海水流量；提高热侧出口温度限值。在采取上述措施时，均保持换热器具有10.00%的换热裕量。

2.1 增加板片数量

冷链换热器的换热器框架具备额外加装一定数量（板片数量的20%～30%）板片的空间，因此可以考虑在现有的换热器上直接增加板片数量，以增强换热能力，使TSEC′升高。

图1给出了冷链换热器TSEC′随板片数量增加百分比的变化曲线。随着板片数量的增加，TSEC′值逐渐增大，当板片数量增加30%时（板片数量为561片），TSEC′为34.35℃，相比不加装板片时的33.90℃增长了0.45℃。

图1 T SEC′随板片数量增加百分比的变化曲线

增加板片数量，虽然增加了换热面积，使冷链换热器换热能力增强，但由于过流通道数量增加，板间流速将随之降低，导致膜传热系数降低，最终降低了冷链换热器的总传热系数：当板片数量增加30%时，总传热系数约降低了14%。但从总体上看，换热面积的增加最终使换热器换热能力得到了增强。

2.2 采用大角度波纹板片

该冷链换热器采用了两种板片，分别是大角度波纹板片（H板）和小角度波纹板片（W板）。通过2种板片不同组合，可形成3种不同性能的流道，即高流阻流道（HH流道）、中流阻流道（HW流道）和低流阻流道（WW流道）。在板间相同的当量流速下，HH流道紊流程度最强，因此传热能力强，流阻大；WW流道紊流程度最弱，其传热能力弱，流阻小；HW流道的传热能力和流阻则处于中间水平［1］。

该冷链换热器的流道全部是HW流道，即换热器板片组中的板片是H板和W板交替布置，形成HW流道。为了增强冷链换热器的换热能力，可将部分流道调整为HH流道，即构成HH+HW的流道匹配模式（图2）。

图2 流道组合（HH+HW）

图3给出了不同HH流道数量占比下TSEC′的变化曲线。随着HH流道数量占比的增加，冷链换热器总传热系数逐渐增大，TSEC′逐渐增大。当HH流道占比达到100%时，其耐受海水温度增长至34.75℃，相比全部为HW流道时的33.90℃增长了0.85℃。

图3 T SEC′随HH流道数量占比的变化曲线

由上述计算可知，将冷链换热器的部分流道调整为HH流道可以有效提高TSEC′，但HH流道的流阻较大，随着HH流道占比的增长，冷链换热器的压损也将增大，全部采用HH流道的压损是全部采用HW流道的约2倍。冷链换热器压损的增大势必会增大整个SEC系统的系统阻力，导致海水流量的降低，因此该方案需要进行系统水力核算，核实海水流量的降低程度。

2.3 增大冷侧海水流量

增加冷链换热器冷侧的海水流量，将增大冷侧的膜传热系数，进而增加换热器的总传热系数，增强换热能力。图4给出了TSEC′随海水流量增加的变化曲线，随着海水流量的增加，TSEC′逐渐增大，当海水流量增加25%时（对应流量为1 023 kg/s），TSEC′增长至34.98℃，较基准流量（818.4 kg/s）时的33.90℃增长了1.08℃。

图4 T SEC′随海水流量增加百分比的变化曲线

增加冷链换热器冷侧的海水流量，TSEC′的升高较为明显。但冷侧流量是否可增加，需要从泵的扬程裕量、取水口水位、SEC系统管路配置和管路设备的脏污程度进行深入分析计算，进而确定可行的方案。

2.4 提高热侧出口温度限值

通过上述手段可在一定程度上提高TSEC′值，但由于冷链换热器的端差很小，如冷链换热器在设计工况下为4.5℃，这从根本上制约了TSEC′的提升程度，使用上述措施，最高可从33.50℃提升至34.98℃，极限情况下也仅增加约1.48℃。若可以升高冷链换热器热侧的出口温度限值，则可以从根本解决冷链换热器换热驱动力低的问题。如图5所示为TSEC′随热侧出口温度限值的变化曲线，随着热侧出口温度限值的提高，TSEC′基本呈线性增长。

图5 T SEC′随热侧出口温度限值的变化曲线

热侧出口温度限值受RRI系统各用户对RRI系统水温要求的制约，若提高该温度，则需要对核岛二回路的设备冷却水系统的各个用户进行换热计算，确保满足各个用户换热器的换热要求。

3 结束语

滨海核电厂的海水温升给核电厂在正常运行和事故情况下热量向最终热阱——大海的传输带来了现实的挑战。海水温升将导致TSEC升高，恶化冷链换热器的热工工况参数，为了有效应对海水温升导致TSEC升高的影响，提出了4种提高TSEC′值的初步措施，均可以在一定程度上提高TSEC′值，但也存在一定制约条件，尚需对各种措施进行深入分析，滨海核电厂可根据各自的具体情况考虑实施的可行性。