核电厂重要厂用水系统换热器压差高问题分析与处理

惠珑伟，马 辰，程 伟，廖金远，刘 岩，廖彤彤

（1. 中广核工程有限公司，广东 深圳 518026；2. 深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518124）

核电厂重要厂用水系统（SEC 系统）是核安全相关系统，其主要功能是在设计基准范围内的所有工况下，通过板式热交换器，将设备冷却水系统（RRI 系统）收集的热负荷导出并输送至最终热阱——大海。因此，板式热交换器作为SEC 系统的一项关键性设备，其正常运行直接决定了核电厂能否安全运行。

国内某核电厂3 号机组执行SEC 系统水泵性能试验期间，发现板式热交换器冷却侧存在压差高问题。SEC 系统板式热交换器压差高使得报警频繁触发，存在降低一回路热量导出效率和增加换热器清洗频率的潜在风险，这对于核电站机组安全经济运行十分不利。

本文从分析SEC 系统管道伯努利方程以及能量守恒定律的方向，将泵的出力简化为系统沿程阻力的损失以及介质势能的提高，从而找到减少系统总的阻力系数的方法来减少换热器压差高对系统流量的影响。最终确定了三种不同方案，通过对比、分析选出最优解决方案，即通过直接减少换热器本身的阻力系数并结合最大可接受堵塞裕度下报警定值修改方法，以及系统和设备本身对流量要求的上下限值来确定了运行边界，求出换热器阻力系数（b 值），从根本上解决SEC 系统板式热交换器国产化后压差变高这一难题，并通过了调试试验验证，保证了核电厂安全运行。

1 问题描述及原因分析

1.1 系统概述

SEC 系统流程简图如图1 所示，包含两条互为冗余的系列。其中的每条系列又包含贝类捕集器、SEC 泵、限流孔板和板式热交换器等重要设备。系统运行时首先从循环水过滤系统吸入海水，在流经热交换器时将RRI 收集的热量导出，然后被排到SEC 溢流井，并最终排入大海[1]。

SEC 系统流量设计要求满足三方面要求：

（1） 安全要求：核电厂安全准则要求：在SEC 设计最低水位下，单泵运行工况下的系统流量下限值为3 500 m3/h[2]。

（2） 经济要求：为保证机组正常功率运行期间与启停堆期间的排热速率，在SEC 设计最低水位下，要求单个系列双泵运行工况下的系统流量下限值为4 600 m3/h[1]。

（3） 设备可承受能力要求：设计文件中规定了SEC 系统各项设备运行时可承受的流量上限值，如表1 所示。根据SEC 系统的构成和表1 规定的限值，可以得出：单泵运行工况下，系统流量上限值为4 375 m3/h，双泵运行工况下，系统流量上限值为6 500 m3/h。当系统长时间超出上述流量限值运行时，会缩短设备的使用寿命。

表1 设备可承受流量上限值列表Table 1 The list of the upper limit values of the flow

综上所述，SEC 系统单泵运行工况的流量限值范围为3 500～4 375 m3/h，双泵运行工况的流量限值范围为4 600～6 500 m3/h。

1.2 问题介绍

国内某核电厂3 号机组的SEC 系统板式换热器进行了整体换型，现场首次执行SEC 系统水泵性能试验期间，发现板式换热器冷却侧存在压差高问题，导致主控室报警频繁触发。

上述问题的产生存在以下后果：

（1）SEC 系统板式换热器冷却侧压差高可能导致系统运行流量超出期望的流量 - 水位区间范围，进而导致一回路热量导出效率不足；

（2）主控室报警信号频繁触发，影响机组的正常稳定运行；

（3）换热器压差高导致设备的清洗频率增加。

1.3 原因分析

1.3.1 换热器结构设计

该核电厂3 号机组的SEC 系统板式换热器进行了整体换型，其板片结构、尺寸和数量较以往机组存在较大差异，进而导致流道截面积和流动阻力系统出现变化。因此，换热器结构设计换型是导致压差高问题的一项原因。

1.3.2 换热器运行状态

当换热器长时间运行使得干净状态恶化并出现流道堵塞时，同样会出现压差高报警。但本文所述压差高问题出现在系统首次启动试验时，可以确定换热器此时的状态良好。因此，可以排除换热器运行状态方面的原因。

1.3.3 测量仪表检查

现场一方面对换热器压差测量仪表进行了检查，另一方面通过安装临时仪表与变送器进行测量结果比对，检查结果表明换热器压差测量仪表工作状态正常。

1.3.4 压差测点位置

通过对比不同机组间的测量管道、弯头、阀门、变径管等可能导致沿程阻力变化的因素，可以排除压差测点位置差异性导致压差高问题的可能性。

1.3.5 系统设计方面

系统设计方面除换热器本体结构设计存在差异外，其余与以往机组保持一致。

综上分析，可以确定该核电厂3 号机组SEC系统板式换热器冷却侧压差高问题是由换热器设备换型导致的。针对该问题需要进一步分析其影响，进而制定相应的解决措施。

2 系统流量影响因素分析

2.1 系统流量影响因素

式中：

H——SEC 水泵扬程，m；

h溢——SEC 系统出口水面高度，m；

h潮——SEC 系统入口水面高度，m；

ζ总——系统总流动阻力系数，无量纲；

u——系统流体的流速，m/s；

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g——重力加速度，m/s2。

上式表明，SEC 系统运行时泵所做的功全部转化为水的势能和补偿沿程阻力损失。通常可以认为泵的特性曲线是不变的，即泵的扬程H不变，此时系统流体的流速u只与高差h溢-h潮和系统总流动阻力系数ζ总有关。其中，ζ总包含贝类捕集器流动阻力系数ζFI、孔板阻力系数ζDI、换热器流动阻力系数ζRF和管道流动阻力系数ζTY。分析时需考虑的变化量因素为h潮、ζFI和ζRF。根据h潮、ζFI和ζRF对流速u的影响是单值性的，及流量q与流速u成正比关系，可以得出：h潮越低、ζFI越大、ζRF越大，q越小；h潮越高、ζFI越小、ζRF越小，q越大。

2.2 入口水面高度

SEC 系统设计文件中规定了入口水位的最低值与最高值，对应的变化范围为 - 4.15～6.91 m。平均海平面ah是最常见的水位范围。上述水位的数值分别为：

另外，溢流堰标高为h溢=+6 m 。

2.3 贝类捕集器阻力变化

对于贝类捕集器，假定干净状态下的流动阻力系数为ζFI,0，随着设备运行时间的增加，由于部分滤网会逐渐被堵塞，以及无法通过反冲洗被完全清洁，设备运行状态下的流动阻力系数ζFI,M会不断增加。ζFI,0和ζFI,M之间的关系为ζFI,M=a·ζFI,0，a≥ 1。

根据现有工程经验，a的最大值amax=2.0。

2.4 板式换热器阻力变化

设计的系数比最大值为bmax=1.6。该值反映了换热器冷却侧流动阻力允许的最大增加幅度，当b值上升至接近该值时，需要对换热器进行清洗操作。

3 换热器阻力系数偏大影响分析

3.1 换热器干净流动阻力系数 ζRF,0

对于SEC 系统板式换热器干净状态下的流动阻力系数ζRF,0，现场按照变流量的方法进行了复测，复测结果如表1 所示。取管径等于换热器端口管径DN400，计算得到对应的流动阻力系数Tζ（包含测压点之间的换热器进出口管段）为：

根据式（2）计算得到对应的流动阻力系数如表 2 所示。流动阻力系数计算结果位于15.04～15.45，均值为15.20，标准差为0.15，整体趋于接近，保守考虑取ζT=15.35。

表2 换热器流动阻力系数数值表Table 2 The numerical table of flow resistance coefficient of the heat exchanger

考虑进出口管段的流动阻力系数1.96，换热器干净情况下流动阻力系数为ζRF,0= 13.39。

3.2 系统流量计算

综合考虑SEC 系统流量设计要求和流量影响因素可知，SEC 系统最小流量的条件为“设计最低水位 + 贝类捕集器最大流动阻力系数 + 板式换热器最大流动阻力系数”，最大流量的条件为“设计最高水位 + 贝类捕集器最小流动阻力系数 + 板式换热器最小流动阻力系数”。

根据流量关系公式

SEC 系统的流量设计要求可用表3 描述。

表3 SEC 系统设计流量要求及边界条件Table 3 The conditions of the SEC design flow

如此，关于SEC 系统换热器换型后产生压差高问题对于系统运行与流量的影响就简化成计算实际的bmax大小。

3.3 计算结果分析

依据SEC 泵性能曲线和相关参数设置，代入模型计算得到SEC 系统流量数值如表4所示。

表4 SEC 系统流量要求及边界条件计算值Table 4 The calculated values of the SEC flow

分析表4 结果可知：

（1）单泵和双泵运行工况下，最大流量满足设计要求，且最小流量对应的实际bmax＞1，说明换热器冷却侧压差高问题对于系统流量的影响是可以接受的，并不会与系统相关安全准则造成冲突；

（2）实际bmax值小于系统设计期望值，说明板式换热器换型后所能达到的堵塞裕度与设计要求存在偏差，后续可能导致冲洗频率的增加。

综合上述分析，并考虑到换热器冷却侧当前压差值频繁触发报警，认为有必要对换热器的结构进行优化，在保证换热效率和满足流量的前提下，降低初始流动阻力系数和压降值。

4 解决措施与实施效果

4.1 解决措施

在保证换热器满足流量和污垢系数的前提下，根据热工计算与分析结果，通过增加板片数量和调整板型降低压降值。

换热器原板片数量为 443 片，组合为305H+ 138W。调整后板片数量增加至453 片，组合为293H+ 160W，即增加5 片W型板和5片H型板的基础上，将原有的17 片H型板调整为W型板。

4.2 实施效果

板式换热器结构经过调整后，执行SEC 系统水泵性能试验，结果表明：

（1）系统流量满足SEC 系统的安全准则要求；

（2）单泵运行工况和双泵运行工况下，流量均位于期望的流量-水位区间范围内；

（3）改造后板式换热器冷却侧压差较改造前降低10%，不再触发主控室报警，且具有足够的裕量。

5 结束语

本文对国内某核电厂3 号机组SEC 系统板式换热器换型后出现的冷却侧压差高问题进行了分析研究。通过构建SEC 系统设计流量要求及边界条件与换热器流动阻力系数的关系式，分析压差高问题对于系统运行的影响，并最终通过增加板片数量和调整板型成功解决了该问题，消除了换型后板式换热器存在的不足，保障了SEC 系统的长期运行的可靠性与安全性。