三門核電開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行淺析

梁世拓

三門核電有限公司 浙江三門 317112

三門核電一期工程引進了美國西屋公司開發(fā)的AP1000第三代先進壓水堆技術(shù)。在電廠的設(shè)計中，汽輪發(fā)電機及其輔助系統(tǒng)（簡稱常規(guī)島）的最終熱阱是大海，循環(huán)冷卻水取自三門灣。開式冷卻水系統(tǒng)（簡稱OWS）是循環(huán)水系統(tǒng)的一個分支，其與常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)（簡稱TCS）配合，在功率運行期間帶走常規(guī)島重要設(shè)備運行所產(chǎn)生的熱量。

1 系統(tǒng)概述

OWS是一個以海水作為冷卻介質(zhì)的開環(huán)冷卻系統(tǒng)，其從循環(huán)水泵下游取水，通過兩根循環(huán)水供水管道，經(jīng)過3臺開式冷卻水泵，2臺自動清洗過濾器，進入3臺板式水-水熱交換器，然后排放進循環(huán)水排水管道[1]。板式水-水熱交換器的另一側(cè)通過TCS的閉式冷卻水。閉式冷卻水帶走功率運行期間常規(guī)島重要設(shè)備（除凝汽器外）產(chǎn)生的熱量，再經(jīng)過板式熱交換器將熱量傳遞給OWS，最終將熱量排向大海。

圖1 開式循環(huán)水系統(tǒng)流程簡圖

2 正常工況

正常滿功率運行時，3臺開式冷卻水泵中的2臺運行，1臺備用；兩臺自動清洗濾水器中的1臺運行，1臺備用；3臺板式熱交換器中的2臺運行，1臺備用。當(dāng)運行中的1臺開式冷卻水泵失效，備用泵自動啟動[2]。

系統(tǒng)的額定流量為3600m3/h，其中包括自清洗過濾器的沖洗水400m3/h。自清洗過濾器由控制裝置實現(xiàn)自動清洗功能，清洗周期的持續(xù)時間可調(diào)。3臺板式熱交換器根據(jù)運行情況，進行切換操作。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3 其他運行工況分析

3.1 啟動工況

OWS水泵入口管道連接至循環(huán)水泵出口。循環(huán)水系統(tǒng)（CWS）啟動后，循環(huán)水泵為OWS水泵提供凈正吸入壓頭。因此，只有循環(huán)水系統(tǒng)啟動后，OWS系統(tǒng)才具備啟動條件。為此，OWS水泵和循環(huán)水系統(tǒng)之間也設(shè)置了一定的聯(lián)鎖條件。循環(huán)水泵的電機空冷器由TCS冷卻，需要在TCS投運后才有冷卻水，而TCS需要OWS的海水提供冷卻。因此，結(jié)合上述情況，目前采用啟動的順序依次為TCS、CWS、OWS。在OWS投運前，TCS系統(tǒng)依靠自身熱容冷卻循環(huán)水泵電機，當(dāng)循環(huán)水系統(tǒng)整體充水結(jié)束后，再立即啟動OWS系統(tǒng)。

在這種啟動工況下，需要運行人員盡量減少系統(tǒng)投運時間，避免TCS溫度超過設(shè)計要求。

3.2 節(jié)能運行工況

在冬季，由于海水溫度降低，循環(huán)水帶走系統(tǒng)熱量的能力增加。為了節(jié)省廠用電的損耗，三門核電開發(fā)了節(jié)能運行方案，其中包括將OWS由正常的雙泵運行模式切換為單泵運行。以單臺OWS水泵160kW的額定功率計算，每天節(jié)省的廠用電約為3840度。

由于偏離了系統(tǒng)的正常配置，在單泵運行期間有些問題需要運行時保持關(guān)注。

在首次切換至單泵運行模式時，OWS水泵的電機運行電流出現(xiàn)了下降的情況。根據(jù)相同離心泵并聯(lián)運行特性可知，當(dāng)管路流阻不變時，單泵運行時的流量大于并聯(lián)運行時每臺泵的單泵流量[3]。在流量上升的情況下，泵的電機功率反而出現(xiàn)了一定程度的下降。查閱泵的性能曲線可知，此時泵已經(jīng)運行在過流區(qū)。長期過流運行不僅影響泵的運行效率，且對泵本身也會產(chǎn)生一定的危害。

系統(tǒng)設(shè)計時未配置流量表，系統(tǒng)流量主要通過泵的進出口壓力表的示數(shù)之差來間接指示，該壓力表示數(shù)未遠傳至控制室?？刂剖疫h行人員可通過泵的電機電流變化來確定泵的運行區(qū)。

3.3 事故工況

功率運行時，在完全喪失OWS的事故工況下，TCS失去海水冷卻，其水溫將快速上升。三門核電廠有專門的異常運行規(guī)程用于指導(dǎo)。

在喪失OWS后，根據(jù)運行規(guī)程，首先通過降低發(fā)電機功率來降低熱負荷。在滿功率運行時，常規(guī)島設(shè)備產(chǎn)生大量熱量，此時僅依靠TCS系統(tǒng)熱容，水溫將迅速上升。此時需要依據(jù)規(guī)程停運汽輪發(fā)電機。停機后，發(fā)電機及其輔助系統(tǒng)的熱負荷基本被切除。汽輪機相關(guān)負荷則不同，由于需要維持汽輪機較長時間的惰轉(zhuǎn)，潤滑油系統(tǒng)的熱量將不會迅速消失。除此之外，汽輪機跳閘后，主給水泵組、凝結(jié)水泵和循環(huán)水泵繼續(xù)維持原狀態(tài)運行，產(chǎn)生相當(dāng)可觀的熱量。因此，即使停機以后，TCS仍能保持較高的溫升速率。溫度的繼續(xù)上升將威脅TCS設(shè)備運行，并且使上述電機冷卻不足。為保證設(shè)備安全，操縱員需要手動停運主給水泵組、凝結(jié)水泵和循環(huán)水泵。這將導(dǎo)致凝汽器真空喪失和蒸汽發(fā)生器喪失正常水源供應(yīng)，最終導(dǎo)致反應(yīng)堆無法維持運行。

由此可見，OWS的可用性對電廠的安全穩(wěn)定運行十分重要。為提高系統(tǒng)的可靠性，可以從以下幾方面進行考慮。

通過管理措施進行控制：OWS的檢修和定期維護工作，尤其是可能對系統(tǒng)運行產(chǎn)生較大影響的，盡可能地安排在過渡季或者冬季執(zhí)行，這樣可以增加系統(tǒng)的裕量。泵或過濾器檢修而導(dǎo)致系統(tǒng)喪失備用設(shè)備時，要對運行設(shè)備進行合理管控。目前電廠通過開發(fā)臨時關(guān)鍵敏感設(shè)備緩解策略的方式進行管控，在系統(tǒng)喪失備用時，通過對運行設(shè)備懸掛標識牌、建立物理隔離邊界、增加巡檢頻度等方式，確保運行設(shè)備的可靠性。另外，可以在電廠電子流程中，增加提示和限制，避免同時在一個以上的重要設(shè)備或序列上開展工作。

提高設(shè)備可靠性：OWS水泵軸封的密封水來自生產(chǎn)水系統(tǒng)。在調(diào)試和運行期間，多次發(fā)生軸封摩擦冒煙事件。上述情況產(chǎn)生的原因主要是海水中泥沙堵塞改變了軸封間隙以及生產(chǎn)水壓力不穩(wěn)定，這大大降低了OWS水泵的設(shè)備可靠性。在泵停運狀態(tài)下，可以保持生產(chǎn)水持續(xù)供應(yīng)，這樣能有效減少停運工況下的雜質(zhì)沉積。密封水的壓力是通過手動閥進行調(diào)節(jié)的，生產(chǎn)水系統(tǒng)工況變化對壓力有較大影響。因此，可以在密封水供應(yīng)管線上，增加自動調(diào)壓閥，這樣便能保證在生產(chǎn)水系統(tǒng)壓力波動較大時，OWS水泵密封水壓力相對穩(wěn)定[3]。

4 結(jié)語

開式循環(huán)水系統(tǒng)是核電廠功率運行期間重要的支持系統(tǒng)。本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間存在相互支持的關(guān)系，因此需要按照一定的順序進行投運。節(jié)能運行模式下由于單泵運行偏離了正常系統(tǒng)配置，導(dǎo)致了泵的運行特性點發(fā)生改變。這些需要在后續(xù)運行時保持關(guān)注。另外，根據(jù)事故工況的分析，提高系統(tǒng)的可靠性對保證核電廠反應(yīng)堆穩(wěn)定運行也十分重要。電廠人員可以通過提高設(shè)備可靠性和實施必要的管理措施，最大程度上減少系統(tǒng)運行降級或失效的風(fēng)險。