厂用水系统使用临时冷源研究

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0前言

核电厂热试是指核电厂调试的热态功能试验阶段,目的是从反应堆压力容器扣盖到热停堆状态的整个压力和温度范围,进行各种实际工况的测试,验证核蒸汽供应系统(NSSS)设备和系统的功能和响应。在整个热试过程中,由于给设备冷却水系统(RRI)提供冷源,重要厂用水系统的需求贯穿始终,需要源源不断地导出核岛相关设备的产热,要保证RRI温度稳定,就要使运行状态下SEC回路的温度限定在设计值以内[1],才能保证机组的安全运行。近年来福建、辽宁、山东等省受到海域使用权证影响,部分新建核电厂排水口施工延后,随着工程项目进展,热试期间取水口防波堤将不具备取水条件,排水口也无法正常向外海排水,影响核岛和常规岛侧终端冷源及相关系统的正常运行。鉴于此,为了尽可能降低这一问题对工程建设的影响,需要对上述情况进行分析,给出可行的解决方案。

1影响分析

正常热试的完整过程包括了机组上行、热停平台、机组下行等过程,其中热停平台包括不开主蒸汽隔离阀阶段和开主蒸汽隔离阀阶段,所有热试相关试验都在对应平台安排执行。核电厂取排水工程的主要用户是常规岛循环水系统(CRF)和SEC用水系统供水和排水,其中CRF系统的取排水量占总水量超90%,SEC系统的取排水量占总水量不到10%。热试期间CRF及其相关系统的需求相对比较集中,受影响主要集中在两个环节,反应堆冷却剂泵通过辅助供电启动试验和主蒸汽隔离阀开启的相关试验,由于CRF泵流量过大,考虑临时设施施工难度和对热试影响因此不考虑为CRF采取临时措施。而热试期间SEC系统贯穿始终,正常运行工况下通过热交换器将设备冷却水系统热侧出口温度降到35℃以下,保证机组运行安全。目前国内CPR1000机组SEC系统设计流量为7000m3/h,其中A系列运行设计流量为4000m3/h,B系列运行设计流量为3000m3/h,只有在机组功率运行带入冷停堆才会用到B列。从对系统进行分析,热试期间CRF不可用只是影响反应堆冷却剂泵通过辅助供电启动试验和主蒸汽隔离阀开启的相关试验,并不影响热试关键路径。而SEC不可用将导致热试无法进行,是热试的重要路径。考虑SEC取水流量占总水量小,工程实施难度小的特点,可以考虑引入外海水源到SEC进行热试,CRF涉及的两个相关试验待取排水工程可用后再进行试验。以某CPR1000机组为例,在剔除主蒸汽隔离阀开启的相关试验和反应堆冷却剂泵通过辅助供电启动试验后,机组正常升温升压,此过程中按照运行规程的要求进行,热试期间热负荷随试验阶段变化,对各阶段热负荷数据进行累加,各阶段热负荷估算结果见表1。从表1可以看出,SEC热试期间导出热负荷最大为35.53MW,这个量级的热负荷可以通过采用临时冷源的方式解决,引水工艺设计可采用两用两备的模式。

2解决方案

在得到SEC热试期间导出热负荷基础上,考虑从外海引入冷源,对SEC取排水改造方案和补水量进行研究,得到平均海水温度与补水量之间的关系,分析出临时方案可实施条件。

2.1SEC取排水改造方案

SEC原设计由独立的AB列构成,每列由两台SEC泵从海水过滤系统(CFI)吸入海水,通过SEC管道、两台并联的RRI/SEC热交换器,将冷却RRI后的海水排入SEC积水坑[2-4],再由排水管将其排往排水渠入海。热试期间取水口防波堤将不具备取水条件,排水口也无法正常向外海排水,而SEC系统其他功能已具备可用条件,仅需要对循环回路取水和出水改进。从外海取水作冷源补充至SEC,为了保证系统足够安全,假设RRI/SEC热交换器出口水温不超过该CPR1000核电厂SEC系统设计入口温度,该CPR1000设计入口温度为27.2℃。从保守设计的角度来考虑,如果热交换器出口水温不超过27.2℃,那么整个水循环回路也不可能超过系统设计温度,这样不用考虑入口水温超设计温度带来的风险。循环回路改造方案如下:外海海水经临时泵动力输入排水口井(CC井),另一部分经重要厂用水排水管廊(GS)廊道重力流到排水口井,再经循环水进出水管沟(GD)和热水回流沟(GH)重力回流至前池;排水由部分经过重要厂用水排水管廊排水连接渠溢流至雨水-污水系统和地下管道(GE)管网,再流向大海,部分经GS管廊重力排至CC井。改造方案流程见图1。

2.2海水平均温度

该CPR1000核电厂厂址某年海水平均温度如表2所示,可以看出海水最高单月平均温度出现在8月为24.4℃,比SEC系统设计入口温度(27.2℃)低2.8℃。除7、8、9月外,海水平均温度低于20℃,可看出夏季海水温度升幅较大。

2.3补水量计算

为了保证改造后SEC系统安全平稳运行,避免热交换器冷侧出水口水温高于27.2℃,需要对外海补水量进行计算,以满足温升要求,补水量与外海海水平均温度关系如式(1)所示:保守输入如下数据:热试期间最大热负荷W=35.53MW,SEC系统设计入口温度,T=27.2℃,海水平均密度ρ=1020kg/m3。可以计算出外海海水平均温度对应的海水表补水量见表3。从表3可以看出从22.2℃增加到24.4℃需水量将增加4902m3/h,而8.4℃增加到16.4℃需水量仅增加1229m3/h。得以得出海水温度低时,补水量随温度变化不大,海水温度高时,补水量随温度变化大。

2.4平均海水温度与补水量之间的关系

补水流量与海水温度的关系见图2,查阅FSAR可知该CPR1000机组SEC系统运行模式中,两个系列运行设计流量为7000m3/h,一个系列运行设计流量为4000m3/h。从图2可以看出:1月至6月,10月至12月低于一个系列运行设计流量4000m3/h,执行方案无风险;7月和9月高于一个系列运行设计流量4000m3/h并低于两个系列运行设计流量7000m3/h,但是由于海水温度升幅较大,存在超过设计流量的风险,需加强风险管理严控临时海水温度不得超过22.74℃;8月由于海水温度整体偏高,平均水温超过22.74℃,图2中尖峰补水流量将会超系统设计流量7000m3/h,执行方案会有风险。

3结语

随着核电建设陆续受到海域使用权证影响,SEC系统又是热试绕不开的系统,给核电厂整体联调带来了挑战。针对某CPR1000工程项目,从系统设计、环境温度等方面入手,通过计算可以肯定采用临时冷源补充SEC系统的方案是完全可行的,执行方案需要满足下面的条件:(1)春、秋、冬三季海水温度较低,从外海引入冷源完成热试基本无风险;特别是1、2、3、4、11、12月补水流量远小于2000m3/h,采用2用2备的模式,只需要4台额定流量1000m3/h的潜水泵。氚排放;厂址内增加氚的富集浓缩技术,能够满足四台机组氚排放,但是目前尚未研发出适合三代压水堆含氚废液除氚的技术方案。(2)内陆弱环境流速水域厂址通过异地排放技术方案,包括管道输送和交通运输,可以满足4台机组氚排放,但是面临审管部门、泄漏后处置以及环境评价的诸多问题。(3)内陆弱环境流速水域厂址通过液转气排放方案,除两台机组氚逐月受控调节排放外,还能够满足1台机组氚排放,但是国内尚缺少工程实践和法规标准支撑。

作者:朱伟 侯秦脉 蔡宁 单位:生态环境部核与辐射安全中心