三门核电开式循环冷却水系统运行浅析

梁世拓

三门核电有限公司 浙江三门 317112

三门核电一期工程引进了美国西屋公司开发的AP1000第三代先进压水堆技术。在电厂的设计中，汽轮发电机及其辅助系统（简称常规岛）的最终热阱是大海，循环冷却水取自三门湾。开式冷却水系统（简称OWS）是循环水系统的一个分支，其与常规岛闭式冷却水系统（简称TCS）配合，在功率运行期间带走常规岛重要设备运行所产生的热量。

1 系统概述

OWS是一个以海水作为冷却介质的开环冷却系统，其从循环水泵下游取水，通过两根循环水供水管道，经过3台开式冷却水泵，2台自动清洗过滤器，进入3台板式水-水热交换器，然后排放进循环水排水管道[1]。板式水-水热交换器的另一侧通过TCS的闭式冷却水。闭式冷却水带走功率运行期间常规岛重要设备（除凝汽器外）产生的热量，再经过板式热交换器将热量传递给OWS，最终将热量排向大海。

图1 开式循环水系统流程简图

2 正常工况

正常满功率运行时，3台开式冷却水泵中的2台运行，1台备用；两台自动清洗滤水器中的1台运行，1台备用；3台板式热交换器中的2台运行，1台备用。当运行中的1台开式冷却水泵失效，备用泵自动启动[2]。

系统的额定流量为3600m³/h，其中包括自清洗过滤器的冲洗水400m³/h。自清洗过滤器由控制装置实现自动清洗功能，清洗周期的持续时间可调。3台板式热交换器根据运行情况，进行切换操作。

表1 主要技术参数

3 其他运行工况分析

3.1 启动工况

OWS水泵入口管道连接至循环水泵出口。循环水系统（CWS）启动后，循环水泵为OWS水泵提供净正吸入压头。因此，只有循环水系统启动后，OWS系统才具备启动条件。为此，OWS水泵和循环水系统之间也设置了一定的联锁条件。循环水泵的电机空冷器由TCS冷却，需要在TCS投运后才有冷却水，而TCS需要OWS的海水提供冷却。因此，结合上述情况，目前采用启动的顺序依次为TCS、CWS、OWS。在OWS投运前，TCS系统依靠自身热容冷却循环水泵电机，当循环水系统整体充水结束后，再立即启动OWS系统。

在这种启动工况下，需要运行人员尽量减少系统投运时间，避免TCS温度超过设计要求。

3.2 节能运行工况

在冬季，由于海水温度降低，循环水带走系统热量的能力增加。为了节省厂用电的损耗，三门核电开发了节能运行方案，其中包括将OWS由正常的双泵运行模式切换为单泵运行。以单台OWS水泵160kW的额定功率计算，每天节省的厂用电约为3840度。

由于偏离了系统的正常配置，在单泵运行期间有些问题需要运行时保持关注。

在首次切换至单泵运行模式时，OWS水泵的电机运行电流出现了下降的情况。根据相同离心泵并联运行特性可知，当管路流阻不变时，单泵运行时的流量大于并联运行时每台泵的单泵流量[3]。在流量上升的情况下，泵的电机功率反而出现了一定程度的下降。查阅泵的性能曲线可知，此时泵已经运行在过流区。长期过流运行不仅影响泵的运行效率，且对泵本身也会产生一定的危害。

系统设计时未配置流量表，系统流量主要通过泵的进出口压力表的示数之差来间接指示，该压力表示数未远传至控制室。控制室远行人员可通过泵的电机电流变化来确定泵的运行区。

3.3 事故工况

功率运行时，在完全丧失OWS的事故工况下，TCS失去海水冷却，其水温将快速上升。三门核电厂有专门的异常运行规程用于指导。

在丧失OWS后，根据运行规程，首先通过降低发电机功率来降低热负荷。在满功率运行时，常规岛设备产生大量热量，此时仅依靠TCS系统热容，水温将迅速上升。此时需要依据规程停运汽轮发电机。停机后，发电机及其辅助系统的热负荷基本被切除。汽轮机相关负荷则不同，由于需要维持汽轮机较长时间的惰转，润滑油系统的热量将不会迅速消失。除此之外，汽轮机跳闸后，主给水泵组、凝结水泵和循环水泵继续维持原状态运行，产生相当可观的热量。因此，即使停机以后，TCS仍能保持较高的温升速率。温度的继续上升将威胁TCS设备运行，并且使上述电机冷却不足。为保证设备安全，操纵员需要手动停运主给水泵组、凝结水泵和循环水泵。这将导致凝汽器真空丧失和蒸汽发生器丧失正常水源供应，最终导致反应堆无法维持运行。

由此可见，OWS的可用性对电厂的安全稳定运行十分重要。为提高系统的可靠性，可以从以下几方面进行考虑。

通过管理措施进行控制：OWS的检修和定期维护工作，尤其是可能对系统运行产生较大影响的，尽可能地安排在过渡季或者冬季执行，这样可以增加系统的裕量。泵或过滤器检修而导致系统丧失备用设备时，要对运行设备进行合理管控。目前电厂通过开发临时关键敏感设备缓解策略的方式进行管控，在系统丧失备用时，通过对运行设备悬挂标识牌、建立物理隔离边界、增加巡检频度等方式，确保运行设备的可靠性。另外，可以在电厂电子流程中，增加提示和限制，避免同时在一个以上的重要设备或序列上开展工作。

提高设备可靠性：OWS水泵轴封的密封水来自生产水系统。在调试和运行期间，多次发生轴封摩擦冒烟事件。上述情况产生的原因主要是海水中泥沙堵塞改变了轴封间隙以及生产水压力不稳定，这大大降低了OWS水泵的设备可靠性。在泵停运状态下，可以保持生产水持续供应，这样能有效减少停运工况下的杂质沉积。密封水的压力是通过手动阀进行调节的，生产水系统工况变化对压力有较大影响。因此，可以在密封水供应管线上，增加自动调压阀，这样便能保证在生产水系统压力波动较大时，OWS水泵密封水压力相对稳定[3]。

4 结语

开式循环水系统是核电厂功率运行期间重要的支持系统。本系统与其他系统之间存在相互支持的关系，因此需要按照一定的顺序进行投运。节能运行模式下由于单泵运行偏离了正常系统配置，导致了泵的运行特性点发生改变。这些需要在后续运行时保持关注。另外，根据事故工况的分析，提高系统的可靠性对保证核电厂反应堆稳定运行也十分重要。电厂人员可以通过提高设备可靠性和实施必要的管理措施，最大程度上减少系统运行降级或失效的风险。