安全壳循环冷却水系统的优化设想

安全壳循环冷却水系统的优化设想

白元超/陆伟锋

（中核核电运行管理有限公司 浙江省 嘉兴市）

摘要：安全壳内热量主要由安全壳循环冷却系统导出，由开放式冷却塔释放至环境。冷却水在冷却塔内与空气接触，利用空气对流和自然蒸发输出热量，该工作方式会造成空气中杂质进入系统，且塔内存在浓缩现象。随着运行时间增长系统积垢和腐蚀现象加剧，对系统可靠性造成不良影响。本文提出将安全壳循环冷却水系统改为闭式循环，利用厂用冷冻系统作为其冷源的设想。通过系统间热传输计算和系统之间的影响分析，验证了设想的可行性。

关键字：安全壳循环冷却；闭式循环；热传输

1. 安全壳循环冷却水系统概述

1.1系统简介

主要设备：蓄水池、五台循环水泵、四台冷却塔；

关键功能[1]：

(1) 控制安全壳内空气温度低于48℃。

(2) 系统安全壳隔离阀属安全壳隔离系统一部分，必要时在60s内完全关闭。

1.2运行现状

1.2.1公司运行十大技术问题

因开式冷却塔的工作方式和环境空气接触并存在浓缩现象，会导致系统内杂质浓度不断升高，杂质在系统中随水流不断转移、堆积和相互作用，严重影响了系统的可靠性。

系统因水质差造成的缺陷日益增多，得到公司的高度重视，在2021年3月，安全壳空气循环冷却水水质差缺陷多的问题被列入了公司生产单元运行中的十大技术问题。

1.2.2运行风险

为防止系统冷却水中杂质沉积，需对系统定期排污。执行排污时，曾出现排污阀打开后阀杆滑丝无法关闭，蓄水池液位快速下降的情况。事后分析，该阀滑丝和系统水质差有着直接关系。排污阀外漏直接危及安全壳空气循环冷却水系统的安全稳定运行，从而危及到安全壳的安全稳定。安全壳作为核反应堆的最终安全屏障是不容许存在此隐患的。

循环冷却水安全壳隔离阀作为安全壳隔离系统的一部分，在安注信号发出时，应按信号动作关闭，因此需定期验证其隔离性能（C类试验）。历史上亦出现过循环冷却水安全壳隔离阀卡死造成的C类试验不合格的情况，事后检查分析是水质控制差带来腐蚀及腐蚀产物所致。系统水质差间接影响了安全壳隔离功能，这亦是核电厂所不允许接受的。

为改善系统水质差的现象，生产单元采取过很多措施：将安全壳进出水管道更换为不锈钢型管道；提高排污频度；增加除盐水补水管线；使用无磷药剂代替原加药剂。以上措施，系统水质差的情况得到缓解，但未解决根本问题。

2. 优化设想

技术分析系统水质差缺陷多的根本原因是冷却塔开放式的工作运行方式。针对根本原因本文提出利用秦山核电厂用冷冻水作为安全壳空气循环冷却水系统冷源的设想。

2.1 厂用冷冻水系统简介

厂用冷冻系统的主要设备：三台冷冻机(1.5×106kcal/h)、冷冻水箱、三台冷冻水泵、三台冷却水泵、三台冷却塔。系统在春夏秋三季运行，为各厂房提供7至12℃的冷冻水。

2.2厂用冷冻水系统作为冷源的方案

使用两台间壁式热交换器替换系统中的四台冷却塔，通过调节冷冻水的流量控制安全壳循环冷却水温度，实现对安全壳温度的精确控制。

3. 设想可行性分析

本文从最主要的两个方面分析设想的可行性：厂用冷冻系统是否有足够的制冷裕量以及系统之间的相互影响。

3.1热传输计算

安全壳总热量排出，由安全壳循环冷却风机系统和其它冷却系统协同完成，安全壳循环冷却风机系统通过安全壳循环冷却系统循环排出热量。安全壳循环冷却系统的最大热负荷值即为安全壳循环冷却风机系统的最大排出热量[2]是1.5×106kcal/h。

厂用冷冻水系统当前最大热负荷：每台机组冷冻水流量约250t³/h，机组冷冻水进出口温差约4℃，每台机组的制冷量为250t³/h×4℃=1×106kcal/h，即厂用冷冻水系统的当前最大热负荷为2×106kcal/h。

系统间的热量传输还需考虑水泵输出的能量，假设泵的轴功率全部转化成热量。两系统运行水泵数量最多时的台数为：两台安全壳循环冷却水泵和三台厂用冷冻水泵（两者轴功率均为75KW）,总热量是5×75KW×3600s/h×cal/4.1868J=0.3×106kcal/h。

厂用冷冻系统制冷裕量为：总制冷量-当前最大热负荷值-安全壳循环冷却系统最大排出热量值-总泵的轴功率=0.7×106kcal/h。

厂用冷冻系统加载了安全壳循环冷却系统并且考虑到总泵的轴功率之后仍有充足的制冷裕量。

3.2系统间的互相影响

安全壳内部热量大，通过安全壳循环冷却系统的热输出稳定。厂用冷冻系统的用户需求减小时，低负荷不利于厂用冷冻机组的运行,可能出现[3]冷冻水出口温度过低、冷剂水污染、熔晶管高温、结晶等故障。加入有稳定大量热量输出的安全壳循环冷却系统用户后会提高厂用冷冻系统运行的稳定性。

厂用冷冻系统目前仅在气温较高的春夏秋三季运行，如果使用厂用冷冻系统对安全壳循环冷却系统冷却，则需要厂用冷冻系统在冬季保持运行，此前电厂未有在冬季运行的经验。根据本人参与厂用冷系统改造后的调试经验分析：厂用冷却水泵和冷却塔风机改造后使用变频调节，比改造前有了更强的厂用冷却水温调节能力，可以实现厂用冷却水温的精确控制，满足在冬季工况时厂用冷冻系统的运行条件。

当加载安全壳循环冷却系统后，在夏季时需要三台冷冻机全部运行，没有备用设备，安全壳循环冷却系统对厂用冷冻系统的可靠性有很大的依赖性。如果在现有的厂用冷冻系统基础上增加备用设备，将会大大提高厂用冷冻系统的可靠性，满足厂用冷冻水作为安全壳空气循环冷却水系统冷源要求。

4. 结论

文章分析了安全壳循环冷却水系统水质差的原因、危害和改善水质的必要性，结合秦山核电30万机组现有运行设备和运行方式，本文中提出了利用厂用冷冻水作为安全壳空气循环冷却水系统冷源的设想。通过对两系统间的热量传输和系统之间的相互影响来分析，得出结论：厂用冷冻水系统制冷量满足安全壳空气循环冷却水系统热量输出的要求，利用厂用冷冻水作为安全壳空气循环冷却水系统冷源，安全壳空气循环冷却水系统水质差缺陷多的问题可以得到有效解决。

参考文献

[1]01#循环冷却水系统关键度分析报告Q1.E.SRCM-B-019

[2]秦山核电最终安全分析报告QFSAR - QFSAR-C09 - A2

[3]09#溴化锂制冷系统运行规程QYG.13.01

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