百万千瓦核电机组常规岛闭式冷却水系统大修期间停运窗口分析

2022-06-24杨少东

中国核电 2022年1期

关键词：汽机环境温度油温

杨少东

(福建福清核电有限公司，福建福清 350300)

常规岛闭式冷却水系统(SRI)是常规岛最大的冷源，它将常规岛系统设备和部分BOP系统设备产生的热量导出，保证这些系统的安全运行。并且为保证SRI的正常运行，需要大量的辅助系统运行给予支撑。主要包括：

1)循环水系统(CRF)：为其提供冷却水；

2)辅助冷却水系统(SEN)：过滤海水和热交换；

3)大量的SRI负荷热交换器：为SRI提供足够的流量，保证SRI泵正常运行。

若需要对以上系统或设备进行检修，就需要停运SRI。按照以往大修经验，这在汽轮机打闸3～4天后才具备条件，严重影响大修节奏。本文对SRI系统进行了深入研究，对其停运窗口进行了分析并给出了优化意见。

1 SRI负荷及停运条件

SRI所有用户及大修常规岛停运期间各负荷的停运条件如表1所示。

从表1可以看出，停运时间最晚的是GGR油冷却器，较前一个负荷晚2天多。目前短大修二十几天，而SRI又是常规岛最后停运，最先启动的系统，因此SRI停运检修时间就10天左右，提前这2～3天对于大修常规岛检修来说至关重要。并且它还是CRF/SEN等系统的停运的先决条件。

表1 SRI用户及其停运条件Table 1 SRI users and their outage conditions

SRI停运的主要制约因素是需要等盘车停运，盘车运行需供应润滑油，而润滑油又需要冷却。为保障汽机安全，避免停机后汽机受热不均产生不可逆变形，要求汽机高压缸温度降至120 ℃以下才可以停运汽轮机,但高压缸温越接近120 ℃下降越慢，且其降温方式已无优化空间。根据历次大修经验，达到汽机停运条件，基本需要70～90 h，这也是目前SRI可以停运时间。

由于维持SRI运行涉及的系统较多，从大修下行做完GRE调阀试验后SRI的热负荷仅剩GGR油冷却器。而此时GGR的热源有：

1)润滑油和顶轴油泵运行产生的热量；

2)汽轮机发电机轴承传递给润滑油的热量。

润滑油泵和顶轴油泵上游电源均为380 V运行产生的热量较小，同时汽轮机打闸后盘车状态下汽机轴承产生的热量也较少，而GGR系统管线和油箱的传热面积很大。因此可考虑在GGR停运前，将SRI停运，仅靠空气来冷却汽机润滑油。

该方法的关键就是保证润滑油温度可控，根据汽机运行手册，GGR润滑油温度在30～60 ℃内可保证汽机运行安全。下面来讨论该方法的可行性。

2 SRI停运后润滑油温度变化

2.1 润滑油温度变化的解析算法

首先根据能量守恒，有个总的关系式：

传递给润滑油的热量=润滑油散出的热量+润滑油温度升高吸收的热量

另外，传递给润滑油的热量=润滑油和顶轴油泵运行产生的热量+汽轮机发电机轴承传递给润滑油的热量

对于润滑油和顶轴油泵传递给润滑油的热量，由于两台泵在盘车状态下运行电流、电压稳定，因此可视为恒定值；另外在整个盘车状态下汽轮机轴承和润滑油供油温差恒定，且油流量和油物性参数恒定，根据牛顿冷却公式可知汽机轴承传递给润滑油的热量也为一定值。

综上，传递给润滑油的热量始终为一定值，我们设定其为Φ。

润滑油散出的热量，包括对流和导热，可表达为:

q=Ak(t-tf)

式中:q——表示润滑油散出的热量，W；

A——润滑油系统的总散热面积；

k——总传热系统，保护导热和对流两部分，W/( m2·k)；

t——汽轮机润滑油温度，由于润滑油一直在大循环，假设其各处均匀一致；

tf——环境温度，假设保持恒定；

润滑油温度升高吸收的热量，根据能量守恒，可表示为：

式中:E——润滑油温度吸收的热量，J/min；

c——润滑油的比热容，J/(kg·K);

因此根据总关系式Φ=q+E可得出：

(1)

这是一个微分方程，假设任意时刻润滑油与环境温差(t-tf)=θ，初始时刻润滑油和环境温差为θ0=(t0-tf)，则上式整理可得：

即：

进行积分：

(2)

可得：

化简，即

(3)

上式中只有时间τ和润滑油温度t是变量，其他均为固定值。对于实际的汽机和润滑油系统，管线和传热情况复杂，其参数虽为固定值，但其具体数值难以知晓。因此上述润滑油温度变化可以写成如式(4)：

t=-ae(-bτ+c)+d

(4)

其中，a、b、c、d均为固定参数，根据物理意义都是正数。

该曲线表达式是否正确，可以从福清204及403大修停运SRI时GGR温度上升曲线来判断，如图1和图4。这两次大修时为了使相关检修工作及时开展，做了提前停运SRI尝试，但只是根据经验来控制GGR油温，没有理论依据。整个过程仅根据汽机高压缸温度来判断SRI停运窗口。

图1 FQ-204时盘车条件下润滑油供油和汽轮机轴承温度趋势Fig.1 The trend of lubricating oil supply and turbine bearing temperature under turning condition during FQ-204

2.2 FQ-204大修时SRI停运后的润滑油温度变化

204大修时SRI在汽机高压缸温度132 ℃时停运，GGR运行20 h后停运，期间GGR供油温度2GGR102MT变化曲线如图2所示。

图2 FQ-204时SRI停运后润滑油温度变化趋势Fig.2 The change trend of lubricating oil temperature after SRI shutdown during FQ-204

将该曲线中2SRI停运到GGR停运之间润滑油温度随时间变化的数据点导出，按照式(4)进行函数拟合，如图3所示。

图3 FQ-204时拟合后的润滑油温度趋势Fig.3 The temperature trend of lubricating oil after fitting during FQ-204

计算结果a=0.350 93，b=0.001 143 2，c=3.722 2，d=54.904；所有真实温度和拟合曲线点的温度最大偏差不超过0.3%。

2.3 FQ-403大修时SRI停运后的润滑油温度变化

403大修时SRI在汽机高压缸温度135 ℃时停运，GGR运行29 h后停运，期间GGR供油温度4GGR102MT变化曲线如图4所示。

图4 FQ-403时SRI停运后润滑油温度变化趋势Fig.4 The change trend of lubricating oil temperature after SRI shutdown during FQ-403

将该曲线中4SRI停运到GGR停运之间润滑油温度随时间变化的数据点导出，按照式(4)进行函数拟合，如图5所示。

图5 FQ-403时拟合后的润滑油温度趋势Fig.5 The temperature trend of lubricating oil after fitting during FQ-403

计算结果a=0.390 87，b=0.001 077 4，c=3.784 79，d=54.012。且所有真实温度和拟合曲线点的温度最大偏差也不超过0.5%。

3 润滑油温升关系式的应用

3.1 预测润滑油温会达到的最高温度t∞

图6 FQ-403时SRI停运后环境温度变化Fig.6 The ambient temperature change after SRI shutdown during FQ-403

因此,可以在SRI停运后，结合环境温度，选几个小时润滑油温度点进行函数拟合，能够较准确的计算出GGR油温能够达到的最高温度。

福清核电204和403大修分别是在5月和9月进行的，平均环境温度在24 ℃，润滑油温度最大值不会超过55 ℃。因此在每年11月到次年4月之间大修时平均环境温度在20 ℃以下，停运SRI时可以不用顾忌GGR润滑油温度上涨不可控，可以在GFR停运直接停运SRI。对于在夏天6到8月大修时，环境平均温度可能达到30 ℃，此时GGR润滑油温度可能会上涨到60 ℃，但提前24 h停运SRI也问题不大，并在SRI停运后的初始几小时根据环境温度预测会达到的最高温度。

3.2 制定减缓油温上涨速率和降低最大温度的措施

从油温上涨关系式中，传热面积A、润滑油比热容c、润滑油质量m均很难改变，可以改变的仅有环境温度tf，热源热量Φ、和润滑油系统和环境之间的导热率k。

3.2.1 环境温度tf

环境温度影响润滑油供油和回油管道，及润滑油箱的传热，由于润滑油箱和润滑油管道总面积相似，因此增加两者之一散热都可以显著降低GGR系统温度。

润滑油管道在MX厂房，空间开阔，大修停机常规岛热源减少。且停机前已打开MX大门、窗户、启动MX厂房内风机，MX温度与室外温度基本一致，不需要采取其他降温措施。

但润滑油箱房间(MX401)内封闭，其温度远高于MX大厅温度。当前润滑油房间(MX401)有一个新风口，2个排风机，2个循环风机。房间内温度在满功率运行情况下与室外温差在10～15 ℃，停机时温差在5 ℃左右。而润滑油箱温度与润滑油一致，要增加换热就要增加油箱和房间的温差。可行的方法之一就是增加新风量，性价比最高的是打开MX401房间前后两个防火门；再者是吊开主油箱上部的水泥盖板，该盖板大修做润滑油泵和风机预防性维修时都要打开。由于润滑油箱房间是重点防火区，打开防火边界的措施需要评估。

还有一种方法是在房间内安装大功率空调，但房间面积200 m2，且地面为钢格栅盖板，不稳固，无法满足抗震要求。同时附近无排空调冷凝水路径。诸多条件限制无法安装空调。

3.2.2 导热率k

导热率根据传热机理可以分为“热传导”和“对流换热”，对于热传导主要是系统本身，主要是减少管道和设备内的油污。在油质合格的情况下不会有大变化。

对流换热方式中，由于润滑油管道在MX大厅，空间开阔，人为干预难度大。我们主要考虑润滑油箱房间改变“表面换热系数”的方法。传热理论[1]中自然对流换热基本由材料的尺寸、位置和传热介质决定，无法改变。可改变的可将自然对流转换为强迫对流，主要还是增加传热表面的风速。这可通过在房间内增加风机来实现。风机的安装位置有以下选择：

1)安装在热交换器处。且由于GGR系统为板式热交换器，根据其工作原理(如图7)，在SRI停运时，该热交换器基本失去冷却作用。由于在每层隔板之间安装有橡胶垫片，SRI停运时其冷却效果近似半橡胶管道，增加其表面空气流速，对GGR整体的换热效果影响不大。

图7 板式热交换器结构原理图Fig.7 The structure of the plate heat exchanger

2)安装在主油箱顶部。由于热空气上升，该区域温度最高，但是房间内已有2台循环风机，每台额定风量2 685 m3/h，足够大。因此没有必要。

3)安装在GGR油箱最靠墙位置。该位置强和油箱之间的距离不足1 m，传热效果很差，安装风机能够明显增加该传热面的传热效果。但是该区域位置狭小，没有稳定的地面，且周围均为易燃油，换热效果和房间温度密切相关。因此安装的可行性和必要性需要评估。

3.2.3 热源Φ

从上述分析可知，没有停GGR系统的主要原因是需要盘车运行保持汽机冷却均匀。但是盘车有主盘车(8 r/min)和辅助盘车(5 r/h)两部分组成，主盘车需要润滑油、顶轴油泵运行，而辅助盘车仅需要顶轴油泵运行即可。交流润滑油泵运行电流约140 A，顶轴油泵运行电流约100 A。可在满足条件后停运主盘车，启动辅助盘车，停运交流润滑油泵，可减少热源约50 kW。

但辅助盘车运行时主控不便于监视盘车运行状态，需要就地确认。且辅助盘车运行不可靠，故障率较高。因此是否采用该方法，及采用该方法的时机需要综合评估。