贝类捕集器滤网设计改进对重要厂用水系统影响分析

曹双华

(核电运行研究(上海)有限公司，上海 200120)

关键字：贝类捕集器；改进；影响；重要厂用水系统

1 前言

某核电厂2号机组重要厂用水系统(SEC)B列贝类捕集器自投产运行以来频繁堵塞，严重影响电厂冷源安全。为解决此缺陷电厂进行了一系列的摸索和研究，最终确定对贝类捕集器滤网进行设计改进，本论文主要分析贝类捕集器滤网设计改进的影响分析和实际验证。

1.1 重要厂用水系统简介

重要厂用水(SEC)系统的功能是把由设备冷却水系统(RRI)收集的热负荷输送到最终热阱——海水。在SEC泵的出口管线进入RRI板式热交换器之前设置有贝类补集器，以防止贝类、水母等海生物滋生对板式热交换器的危害。SEC系统流程简图如图1所示。

1.2 流量设计要求

SEC系统流量设计需满足以下三方面要求：

(1)安全准则要求

在SEC系统最低水位下，单泵运行提供的海水流量不低于2780 m3/h(设计院论证计算结果)。

(2)机组运行经济性要求

为保证机组正常功率运行和启停堆期间的排热速率，要求在SEC系统设计的最低水位下，SEC系统单个序列双泵运行时流量不低于3940 m3/h。

(3)设备可承受能力要求

单台RRI板式换热器SEC侧流量承受上限为2000 m3/h，单台贝类捕集器承受的流量上限为2200 m3/h，每列则为4400 m3/h，SEC泵单台最大流量为4000 m3/h，双泵运行时SEC系统流量不超过4400 m3/h。

综上，SEC系统单泵运行流量限值为2780～4000 m3/h，双泵为3940～4400 m3/h。

图1 SEC系统流程简图Fig.1 The flow chart of the SEC system

1.3 贝类捕集器问题简介

由于电厂取水口附近海生物较多，大风天气时海生物、杂物等随海浪直接冲入取水系统，进而导致SEC系统贝类补集器经常被碎贝壳、海草、藻类堵塞，如图2所示,贝类捕集器压差持续升高，通过前池清淤及清洗贝类捕集器滤网等措施，未能从根本上解决贝类捕集器压差高问题。

图2 贝类捕集器堵塞物Fig.2 Plugs of the shellfish trap

电厂1、2号机组贝类捕集器滤网过滤孔径为2 mm，上游鼓形滤网过滤孔径为3 mm，下游是板式换热器，板片间隙为4 mm，整个SEC系统中，贝类捕集器滤网的过滤网孔最小，其堵塞的几率最大，这也是造成贝类捕集器频繁堵塞的主要原因。

针对此情况进行了同行电厂调研，调研结果如下：

经调研分析并结合电厂实际情况，建议对贝类捕集器滤网进行设计改进—滤网孔径由2 mm扩孔至3 mm，以彻底解决该核电厂2号机组贝类捕集器。

2 贝类捕集器滤网扩孔影响分析

2.1 SEC系统流量分析、计算

2.1.1 分析方法

当SEC贝类捕集器扩孔后,其局部阻力系数下降，将提升SEC系统的流通能力，SEC泵出口管路阻力特性将发生变化，如图3所示，SEC泵的工作点将由点C移动至点E，泵流量增大、扬程减小，因此需要评估贝类捕集器扩孔后系统流量值是否能满足1.2节中流量设计准则。

SEC系统的设计水位中包括最低、最高、平均、百年一遇低潮和百年一遇高潮5个状态，其中设计最低水位是与安全相关的状态，所以选取设计最低水位hmin(-3.24 m)作为计算工况。

对SEC系统简化建模，建立SEC系统单列一维水力模型，主要流道件包括鼓形滤网至SEC泵进口段元件、SEC泵、SEC泵出口段元件、贝类捕集器、RRI换热器和其余阻力元件(管道、阀门、孔板、变径、弯头、膨胀节等)，通过梳理SEC系统管路阻力元件，并根据贝类捕集器、换热器厂家提供的参数，参考《实用流体阻力手册》[1]中的阻力系数计算方法来获得各节点的管路损失，利用管道阻力特性曲线和SEC泵的流量扬程特性曲线求出SEC泵的工作点流量值。

图3 泵流量特性线与管路阻力特性线关系图示Fig.3 Relationship between the pump flow characteristic line and pipeline resistance characteristic line

计算步骤如下：

1) 根据SEC系统管路布置图，分别计算出SEC泵上下游系统水头损失；

2) 根据贝类捕集器和换热器厂家所提供的流量压降关系，计算得到贝类捕集器和换热器的实际压降；

3) 根据SEC泵出厂试验报告，获取SEC泵的流量扬程特性曲线；

4) 根据流阻系数列出各节点的管道阻力特性方程，并离散化，画出管道阻力特性曲线；

5) 通过作出SEC泵流量扬程特性线与管路特性线的交点，对应的泵流量值即为所求目标值。

2.1.2 SEC系统水头损失计算

SEC泵进口段的水头损失统计如下：

表1 SEC泵上游水头损失计算Table 1 Upstream head loss calculation of the SEC pump

SEC泵下游水头损失计算方式如下：

(1)局部阻力

根据《给排水设计手册》第1册[2]，引用公式：

局部阻力系数ξ通过《实用流体阻力手册》查图表获得。

根据公式计算，得到：

在单泵运行时，局部水头损失为：14.29 m；

在双泵运行时，局部水头损失为：22.01 m。

(2)沿程阻力

对于流速大于1.2 m/s的钢管和铸铁管的沿程阻力计算采用公式：

i=0.001 07v2/d1.3

查询设计管道图，并根据公式计算得到：

在单泵运行时，沿程水头损失为：5.11 m；

在双泵运行时，沿程水头损失为：8.65 m。

(3)压力管道水头损失

综上可知，单泵运行水头损失为14.29+5.11=19.40 m；

双泵运行水头损失为22.01+8.65=30.66 m。

2.1.3 贝类捕集器的压降

根据SEC系统手册φ2 mm滤网贝类捕集器设备参数表，获得流量与对应的压降及计算得到不同状态流阻系数如表2所示。

表2 贝类捕集器设计参数Table 2 Design parameters of the shellfish trap

贝类捕集器供货商提供的φ2 mm滤网和φ3 mm滤网的流量压降曲线如图4、图5所示。计算得到φ3 mm 滤网贝类捕集器清洁和脏污状态下的压降约为0.86 m和1.56 m。

图4 φ2 mm滤网贝类捕集器流量压降曲线Fig.4 The flow pressure drop curve of a 2 mm filter mollusk trap

图5 φ3 mm 滤网贝类捕集器流量压降曲线Fig.5 The flow pressure drop curve of a φ3 mm filter mollusk trap

2.1.4 RRI换热器压降

RRI换热器流阻系数的设计值参考RRI系统手册：清洁状态下，单台换热器SEC侧在最大流量2200 m3/h(系统流量为4400 m3/h)时的压降最大约150 kPa，结合RRI换热器提供的流量压降曲线，见图6。综合以上可以计算出，换热器单泵运行和双泵运行时的压降分别为9 m和15 m。海水(SEC)侧压降曲线图如图6所示。

2.1.5 SEC泵流量扬程特性线

SEC泵流量扬程特性曲线如图7所示，泵设计额定转速为993 r/min，设计流量3332 m3/h，设计扬程35 m。

2.1.6 扩孔后SEC系统流量分析

从管路特性曲线看，贝类捕集器网孔由2 mm扩大到3 mm，管路特性曲线基本重合，通过与水泵特性曲线交点分析，贝类捕集器滤网扩孔后，SEC系统流量增加幅度小于1%，仍然满足SEC系统流量限值要求(见1.2节)，即SEC系统单泵运行流量限值为2780～4000 m3/h，双泵为3940～4400 m3/h。

图6 RRI换热器流量压降曲线Fig.6 The flow pressure drop curve of the RRI heat exchanger

图7 SEC泵调试特性曲线Fig.7 The characteristic curve of the SEC pump decommissioning

图8 SEC泵的流量曲线Fig.8 The flow curve of the SEC pump

2.1.7 测量和控制影响分析

贝类捕集器滤网扩孔对测量和控制的影响主要体现在：

(1)影响系统流量变化范围；

(2)影响系统各压力/压差测点参数。

贝类捕集器滤网扩孔对主管道流体温度、换热器出口温度、泵轴承/电机转子温度、SEC泵进/出口压力和轴封水压力、主管道泵出口压力贝类捕集器进口压力测点没有影响。

综上可以得出，贝类捕集器滤网扩孔可能影响的测量内容为:SEC系统流量测量、贝类捕集器压差测量和换热器压差测量。

根据2.1.6节计算结果可知，贝类捕集器滤网扩孔后SEC系统流量增加不足1%，SEC系统流量、贝类捕集器压差、换热器压差变化幅度对原设定值、仪表量程的影响可忽略不计。

2.2 对热交换器影响分析

2.2.1 热交换器综合影响分析

贝类捕集器扩孔对热交换器的影响主要集中在扩孔后进入热交换器的沙砾、海生物碎屑等增多，可能产生的影响有以下两种：

(1)增加热交换器内部结垢速度，从而增加热交换器清洗维护频率；

(2)杂物增加堵塞热交换器流道时，会产生湍流，局部流速增大，增加了热交换器板片磨损增快的风险;

RRI板式热交换器为兰石换热器设备有限公司生产，换热板片的波纹深度为4.0 mm，板式热交换器SEC侧的流道变化范围为0～8 mm。热交换器板片结构如图9所示。

图9 热交换器板片示意图Fig.9 The schematic diagram of the heat exchanger plate

2.2.2 热交换器压差影响分析

贝类捕集器扩孔后有可能增加热交换器板片结垢，进而使热交换器压差升高，影响一回路设备的热量顺利带出。

由流动阻力系数的定义式：

可以推导出：

表3 换热器压降统计表Table 3 The statistics of the heat exchanger pressure drop

通过计算可以发现扩孔后换热器压降在可控范围内，不超过板换压降的报警值250 kPa。

3 贝类捕集器扩孔后影响验证

2018年年底，2号机组大修期间对2号机组SEC B列两台贝类捕集器实施了滤网扩孔的临时变更，变更实施后的影响分析如下。

3.1 对SEC流量的影响

SEC贝捕滤网扩孔后SEC实际的流量变化如图10所示。

图10 2SEC流量变化图Fig.10 The 2SEC flow variation diagram

由此示意图可知2SEC B列流量在贝捕更换为3 mm滤网后变动不大，通过收集2SEC B列有效流量，计算得出更换滤网前一年和更换滤网后一年的2SEC B列平均流量值：

表4 2SEC B列流量变化Table 4 The flow change in 2SEC column B

从表4可看出，贝类捕集器滤网扩孔对SEC的流量影响符合理论计算的变化小于1%，所以因贝类捕集器滤网扩孔引起的SEC系统流量增加，不会对SEC系统、设备、RRI板换造成影响。

3.2 对RRI板换影响

3.2.1 对板换压差的影响

板换在滤网更换前后压差趋势见图12。

图11 板换压差变化趋势图Fig.11 The change trend of the pressure difference on board

图12 板换解体图Fig.12 Disassembly of the board replacement

从更换贝捕滤网后板换压差趋势符合理论计算预期，均不超过板换压差报警值250 kPa，203大修通过对板换解体检查，板片上附着有少量杂质，板换未发生堵塞。

3.2.2 对板换温度的影响

板换换热后流体温度变化如图13所示。

图13 板换温度变化趋势图Fig.13 The changing trend of the plate exchange temperature

从图13可以看出与扩孔前无明显的变化，此温度满足系统手册要求的板换流出除盐水温度35 ℃以下的要求。

3.2.3 对板式热交换器换热因子的影响

板式热交换器换热因子在贝捕滤网扩孔前后趋势如图14所示。

图14 板换换热因子变化趋势图Fig.14 The change trend diagram of the heat transfer factor of board

板换的换热因子设计要求大于3940 kW/℃，扩孔前后换热因子变化不大，2018年(扩孔前)换热因子均值为4478.6 kW/℃，2019年(扩孔后)换热因子均值为4869.9 kW/℃，说明贝捕滤网扩孔后板换换热因子增大，换热效率提升，但增加幅度小于1%，影响较小。

3.3 贝类捕集器压差、堵塞影响

202大修后2SEC B列贝捕从未进行过清洗(由最开始统计的48次降至0次)，而2SEC A列则进行了28次清洗，从贝捕清洗次数及贝捕压差报警次数则可以证明3 mm滤网对缓解贝类捕集器堵塞的效果显著。

表5 贝捕拆洗次数对比统计表Table 5 Comparative statistics of shellfish disas-sembly and washing times

203大修期间解体2SEC B列贝类捕集器发现，经过一个周期的运转，虽在运行期间未对贝捕进行拆洗，但滤网网面依然很干净。

图15 2SEC B列贝捕滤网203大修解体图Fig.15 The overhaul disassembly of 2SEC colume B filter net 203

4 结论

贝类捕集器滤网设计改进后效果良好，对重要厂用水系统相关参数的影响符合计算结果并满足安全设计要求，设计改进后有效改善了2号机组B列贝类捕集器压差频繁报警、频繁堵塞的问题，在运行了一个循环周期后，改进后的贝类捕集器未出现堵塞情况，也未进行拆洗。2019年2号机组大修期间重要厂用水系统A列也实施了贝类捕集器滤网扩孔临时变更，变更后A列贝类捕集器压差高报警也得到有效缓解。

贝类捕集器滤网设计改进有效解决了贝类捕集器频繁堵塞问题，为后续核电厂贝类捕集器堵塞问题提供了一套有效的解决方案及验证理论。