核电厂设备冷却水冬季运行方式分析

核电厂设备冷却水冬季运行方式分析

赵鲁滨

华能海南昌江核电有限公司 海南海口582700

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摘要：本文通过分析某核电冬季运行设备冷却水温度低导致乏池温度接近限制和DEG运行容易跳闸等问题，对比当前机组采取的SEC节流方式的优缺点，提出了设备冷却水泵出口增加小流量管线、DEG及PTR热交换器增加旁路管线、增加加热器等方案，并通过热工计算分析其可行性，通过比较各技改方案所带来的运行问题确定最终方案，即为设冷水系统增大小流量管线，以满足冬季运行工况，同时保证了机组事故情况下的冷却。

关键词：设备冷却水、SEC节流、PTR乏池、DEG热交换器

某核电厂机组设备冷却水系统主要功能是冷却核岛内的热交换器并将热量传递给海水，同时在海水和核岛系统之间形成一道屏障防止放射性外泄。而设备冷却水的主要用户分安全用户和非安全用户，该系统设计考虑失水事故时，海水温度最高35.5°C时供给冷却水温度45°C，足以导出LOCA事故时的总热负荷。但是设备冷却水系统设计未考虑冬季外界气温较低时的运行情况。

本文主要设备冷却水系统冬季运行时出现的问题进行分析，并给出相应的改进建议。

1、背景

某核电有限公司地处某沿海，冬季外界最低温度接近0°C，设备冷却水温度最低接近10°C。因此，PTR乏池温度也接近10°C，然而考虑到温度过低PTR乏池内的浓硼酸有结晶的风险，因此技术规范规定乏池温度低于10°C将产生第一组I0。然而由于冬季外界环境温度低导致PTR乏池温度有违反技术规范的风险。

同时，冬季外界温度低时，DEG系统仅一台冷冻机组运行，然而进行DEG冷冻机组切换时，由于系统温度低，经常导致切换时DEG全部跳闸。因此，有必要对设备冷却水系统冬季运行时出现的问题进行分析。

1.1、当前措施及存在的风险

某核电冬季设冷温度低时运工组织通过将SEC系统节流的方式，提高设备冷却水温度，防止乏池温度低于10°C。所谓SEC节流即将运行列的板式热交换器SEC侧流量调节阀减小，从而达到提高设冷温度的方式。然而，该运行方式存在很大的风险。

其一、SEC系统设计单泵流量3400m3/h，如果长时间节流将可能导致SEC泵损坏；其二、SEC运行泵流量除了受阀门开度的影响外，还受到海水潮位的影响，在低潮位时，SEC出口压力低因而SEC泵节流运行可能导致不必要的备用泵自动启动；其三、通过手动减小阀门开度的方式，在类似LOCA事故时设备冷却水无法按照设计容量导出堆芯余热，同时事故情况下，可能也没有足够的人手和时间去调节阀门，很可能导致事故扩大。

2、设备冷却水冬季运行模式改进措施分析

考虑到上述所说的冬季温度低所产生的影响，以及当前手段存在的风险，因而作者认为有必要对设备冷却水系统冬季运行模式进行探讨并给出相应的措施。

2.1增大设备冷却水泵小流量管线并增设自动隔离阀

2.1.1 技改方案及可行性分析

设备冷却水系统设计只有一条管径60.3mm的小流量管线，而设备冷却水泵正常运行流量在1600-3200m3/h之间（设计带公用负荷时的正常流量2794m3/h），因而设备冷却水泵相当于没有小流量管线。而正常运行期间，设冷水流经DEG热交换器的冷却水为748m3，可以导出的热负荷为5.5MW；流进PTR热交换器的冷却水流量为542.25m3，可以导出4.2MW的热负荷。

然而，考虑冬季低温情况下，DEG系统按照设计可以只导出RRM系统的热量，根据系统手册可知，RRM设计需要导出的热功率大概为0.63MW，因此在冬季DEG系统理论最小热负荷为0.63MW，根据热工计算公式：W=MCp△T，可以计算出最小流量为：85.68m3。同理，PTR乏池设计能够容纳最大17/3个堆芯，而第一循环时PTR乏池没有乏燃料，此时需要导出的热容量为0MW，因而可以计算出理论最小流量为：0m3。因此综上可知，考虑最小负荷情况下，冬季流量PTR和DEG系统的总流量为85.68m3，而当前设计总流量为1290.25m3（748+542.25m3），因此可以考虑在RRI泵到波动箱之间设计一根流量为1204.57m3/h（748+542.25-85.68）的管道。

然而考虑到PTR乏池的乏燃料装量不同及冬季DEG负荷由于温度不同不可能完全等同于最小负荷，因而需要在小流量管线上设计手动调节阀，以便在冬季时根据负荷及气温情况调节旁路流量。

另外，考虑到安全系统动作时，为了保证事故情况下的导热，还需要在小流量管线上设计自动隔离阀。考虑到LOCA事故及燃料操作事故这两种情况下，需要导出余热的系统包括：RIS、EAS、DVH、DEL、RRI及PTR系统，因此该隔离阀逻辑上联锁应该联锁安注信号及PTR乏池温度信号，在安注启动或PTR乏池温度达到50°C时自动关闭小流量管线隔离阀，以保证事故情况下的余热导出。

2.1.2 技改方案优缺点

上述方案解决了冬季运行是PTR温度低及DEG温度低跳闸等问题，同时还保证了事故情况下的余热导出，保证机组安全可靠运行。但是从上诉计算及分析可知，该方案也存在一定的劣势，比如，每次不同周期由于乏燃料装量的不同及气温不同，需要手动调节旁路流量，此时，考虑到其他负荷大部分通过节流孔板或手动阀门进行调节，因而存在流量分配无法符合预期或需要调节才能符合预期的问题。

2.2增加DEG、PTR热交换旁路管线

为了解决冬季DEG和PTR乏池温度较低的情况，还可以考虑单独给DEG热交换器及PTR热交换器设计旁路管线，下面我们来分析下该方案的可行性及优缺点。

考虑到DEG和PTR热交换器都是列间公用负荷，理论上可以在公用负荷上增加一条旁路管线即可，但是考虑到PTR热交换器在大修期间可以由相邻机组进行冷却，所以如果只设置一条旁路管线，则在PTR热交换器切换到相邻机组冷却时同样存在温度低于10°C的风险。因而考虑在两个热交换器上均增设旁路管线。

基于2.1节的计算可知，需要在DEG热交换旁路上增设一根662.32m3/h的管道，同时增加手动隔离阀，自动隔离阀，自动隔离阀在安注信号出现时隔离。而PTR热交换器旁路与之类似，区别在于管径应该为542.25m3/h，隔离信号应该是燃料操作事故（即乏池温度高50°C）。

该方案的优点是单独在DEG及PTR管线增加旁路，有利于每个单独调节DEG温度及PTR温度，不会相互干扰，同时两个旁路阀的隔离信号也不同，信号误触发时影响也较小。缺点在于，增设两条旁路管线，工艺改动较大，且需要增设两本以上定期试验验证自动隔离阀的可用性，逻辑上也需要修改安注等保护系统的动作，改动范围较大，不可控风险较大。

2.3设备冷却水系统增加热源

查询近两年某核电设冷水温度可知，最低接近10°C，为了保证冬季时DEG系统及PTR热交换器，保守起见需要15°C的设冷水温度，该温度也是设冷水正常运行的下限制。那么如果考虑以加热的方式将其提高到15°C。则需要的热量为：

W=MCp△T

其中M=2794m3/h;Cp=4200J/Kg.C; △T=5°C

通过单位换算及热工计算得出W=16MW，然而通过加热的方式增加16MW的负荷无论从6.6KV母线设计考虑，还是从SES加热系统考虑都并不现实，因此该方案不可行。

3、最终方案及运行注意事项

考虑到RRI系统冬季运行时，除了影响DEG热交换器和PTR乏池冷却外，设冷水温度太低也会导致主泵轴承及润滑油温度太低，不利于主泵运行；RCV155VN开度最小10%时，下泄温度仍低于设计温度等一些列问题。因此，方案二为单独用户增加旁路的方法存在很大的局限性。而方案一，不仅解决了RRI系统冬季运行时的问题，还能保证事故情况下的机组冷却，同时，该方案的缺点（上文提到了对其他用户流量的影响）通过机组运行经验，开启RRI035/036VN时其余用户的流量并不受影响，即使有影响也可以通过手动调节的方式解决。同时采用该方案，还能解决非冬季时，不带公用负荷而导致设冷流量低不利于泵长期运行的问题。因而该方案是最优可行方案。

那么，采取泵出口母管增大小流量管线的方法，需要注意什么呢。其一，尽量避免当泵运行时，RRI035/036VN与小流量管线同时开启，避免泵超流量和其他用户流量不足；其二、进行定期试验时，如果双泵启动，应关注设冷水流量，必要时手动操作小流量阀门。

4、结论

本文分析了通过某核电机组冬季温度低所面临的温度，深入分析当前机组方案存在的弊端，提出来三种替代方案，并通过热工计算及分析，逐一对比，最终得出最佳方案（泵出口母管增加小流量管线）。该方案不仅解决了环境温度低时的设冷水运行问题，还保证事故情况下机组冷却。