临时冷源下压水堆核电厂冷试分析

颜令博

（上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233）

海工相关施工受制于核电厂海域使用权证影响，海工取排水口施工延后。冷试期间存在取水明渠不具备取水条件，排水明渠也无法正常向外海排水风险，影响核岛冷源及相关系统的正常运行。

为完成核电厂冷试，拟采用临时冷源措施实现冷源系统可用。

1 背景介绍

1.1 冷试简介

冷试的主要目的是在水实体的工况下，以高于主系统设计压力的试验压力对主系统和相关辅助系统的高压部分进行强度性水压试验，以检查主系统的设备、管道的密封和焊接质量，验证其承压运行时的密封性和安全性，确保从试验结束到下次试验实施之前的时间里，反应堆一回路系统在正常运行和设计基准事故工况下是安全的，是满足核安全法规的。同时水压试验中也会对主泵的部分性能进行初始验证。

冷试期间需要正式设备和临时设备运行，正式设备的运行需要冷源系统的支持，设备运行期间将热量通过冷源系统输送至海水。

1.2 核岛冷源系统简介

设备冷却水系统是闭式冷却回路，该系统将各种电站设备的热量传递给厂用水系统，最终热阱为海水。设备冷却水系统在功率运行、正常冷却、换料工况下都要运行。系统包括设备冷却水泵、热交换器、波动水箱及相关的阀门、管道和仪器仪表。

厂用水系统有2台100%容量的厂用水泵、自动反冲洗滤网和相关的管道、阀门、控制系统和仪表。厂用水泵位于循环水泵房。厂用水系统泵的设计必须考虑循环水泵房的布局和在每个厂址预期的最大和最小海水水位。

海水入口涵洞设置有净化栅栏和旋转滤网用来除去悬浮物及其他杂质（比如：海草），这些杂质会影响厂用水系统泵和其他系统的运行。然后海水经厂用水系统泵和过滤器进入设备冷却水系统热交换器，带走核岛设备组件的热量。被设备冷却水热交换器加热过的厂用水排入循环水系统排放管道，然后直接排向大海。

1.3 海域使用权简介

海域使用权自2002年1月正式施行《中华人民共和国海域使用管理法》（以下简称“《海域法》”）时被正式确立，无论在实务界还是理论界，都属于比较新的领域。对于海域使用权的具体用途，也就是获得使用权的海域可以派上哪些用场就不甚明了了。换句话说，出于什么样的用海目的可以申请海域使用，了解的人不多，甚至无从知晓。这与现行法律没有系统的规定不无关系。通观《海域法》，只有少许条款零星地涉及这方面的规定，而且都不是正面直接的规定。比如，第二十五条“海域使用权最高期限，按照下列用途确定：（一）养殖用海十五年；（二）拆船用海二十年；（三）旅游、娱乐用海二十五年；（四）盐业、矿业用海三十年；（五）公益事业用海四十年；（六）港口、修建船厂等建设工程用海五十年。”再比如，第三十五条“下列用海，免缴海域使用金：（一）军事用海；（二）公务船舶专用码头用海；（三）非经营性的航道、锚地等交通基础设施用海；（四）教学、科研、防灾减灾、海难搜救打捞等非经营性公益事业用海。”这些规定都不是从说明海域使用权用途的角度直接做出，而且分类的标准也并不统一。

为了贯彻落实《海域法》，适应海洋经济发展的要求，提高海域资源配置效率，加强海域使用金征收管理，国家海洋局和财政部联合下发了《关于加强海域使用金征收管理的通知》，将用海类型划分为5个大类19个小类，可以看作是国家对于海域使用权具体用途的规定。依法获得海域使用权以后，使用权人可以根据设定的用海类型进行填海造地用海、构筑物用海、围海用海、开放式用海及其他方式5大类型的用海，分别包括：①填海造地用海。建设填海造地用海，农业填海造地用海，废弃物处置填海造地用海；②构筑物用海。非透水构筑物用海，跨海大桥、海底隧道等用海，透水构筑物用海；③围海用海。港地、蓄水等用海，盐业用海，围海养殖用海；④开放式用海。开放式养殖用海，浴场用海，游乐场用海，专用航道、锚地用海；⑤其他用海。人工岛式油气开采用海，平台式油气开采用海，海底电缆管道用海，海砂等矿产开采用海，取、排水口用海，污水达到准排放用海。

单位或个人如果有上述的用海需求，可以在符合海洋功能区划的前提下，在《海域法》规定的海域范围内，依法获取海域使用权。

2 冷试期间临时冷源方案

不同压水堆的设备存在差别，热负荷也存在差异，从而导致所需的临时方案存在差异，本文中的临时冷源方案以国内某二代加压水堆核电站为例。

2.1 冷试期间热负荷简介

根据核电厂冷试需求，热负荷阶段主要需求阶段有反应堆冷却剂泵启动、反应堆冷却剂泵加热一回路和重要设备运行等，特别说明电气仪控房间空调采用风冷机组和空调，不作为热负荷输入，主要的产热设备及对应的工作时长，详见表1冷试期间主要负荷。由于反应堆冷却剂泵功率高，虽然反应堆冷却剂泵仅运行不到50 h，不足冷试1/4时长，但是主泵热负荷占到整个冷试的44.2%。

表1 冷试期间主要负荷

根据之前调试经验，从第一台反应堆冷却剂泵启动到最后一台反应堆冷却剂泵隔离，一般为58 h，故而主要的热负荷集中于58 h内。

冷试期间热负荷在时间上具有明显的不均匀性，热负荷主要集中在主泵开启相关的试验，故而只要满足主泵冷试要求，其他试验均能满足。

2.2 临措方案简介

2.2.1 临措输入基准简介

（1）基准水位。根据厂址设计数据，厂用水系统的设计基准水位如下。为满足调试要求，泵房前池的水位应不低于-5.16 m。设计最高水位（10%超越概率高潮位+可能最大风暴潮增水）等于5.17 m。设计最低水位（10%超越概率低潮位+可能最大风暴潮减水）等于-5.16 m。

（2）基准水温。厂用水系统设计基准水温为27.2℃；厂用水系统设计最高水温为31.5℃；厂用水系统设计最低水温为-2.5℃。

2.2.2 临措布置简介

根据热负荷拟采用厂用水系统自循环方案的总体思路，通过循环水廊道、排水廊道、虹吸井、热水回流沟和循泵泵房前池，形成一个自循环方案，同时由于一定的渗漏考虑必要的少量补水。

利用在循环水泵房前池设置的临时取水池作为厂用水系统的水源，厂用水系统投用一个系列，作为设备冷却水系统的冷源支持核岛的调试需求。与原设计厂用水系统为直流冷却系统不同，通过厂用水在设备冷却水热交换器之后，沿厂用水排水廊道排水至虹吸井。随着虹吸井水位的上升，依靠重力水体漫溢流过排水构筑物溢流堰，沿着循环水排水廊道、热水回流沟回流至泵房前池。自此形成一个闭合的自循环回路，厂用水系统一定程度上改为半直流半循环冷却系统，泵房前池作为系统的热阱，同时由于一定的渗漏或温升考虑必要的补水，流程简图如图1所示。

图1 自循环方案方框简图

2.2.3 临措水容积简介

综合考虑现有建筑和新增建筑，按照蓄水池充水至4.7 m液位计算，总蓄水容积约为4.2万m3，即首次灌满系统需要从外海引水4.2万m3，总蓄水容积中进水廊道的蓄水容积不参与循环、虹吸井部分容积不参与循环，故而应剔除此部分容积。有效容积（是指参与自循环系统的容积）为3.2万m3，主要蓄水量如下。

（1）虹吸井，蓄水容积2 714 m3。

（2）循环水排水廊道，蓄水容积15 176 m3。

（3）热水回流沟，蓄水容积1 617 m3。

（4）泵房前池，蓄水容积10 288 m3。

（5）厂用水排水廊道，蓄水容积2 002 m3。

（6）厂用水系统管道，蓄水容积153 m3。

2.2.4 外海水温

根据厂址参数，外海表层各月的平均水温见表2。

2.2.5 温升计算

由于冷试期间，设备运行将带入一定的热负荷进入水体。一方面，为了保证设备安全，应限制厂用水系统水体水温。另一方面，热负荷的带入将引起水体升温，可能影响系统安全。本章节主要是通过不同干预手段下的温升计算，以保证自循环系统的可行性，满足冷试的相关要求。

温升计算依据设备冷却水系统水温上限为35℃，对应的厂用水系统设计最高水温31.5℃作为基础数据进行计算。

按整个冷试周期带入的热负荷进行计算，结合表1，整个冷试周期产热3.82×106MJ，不考虑厂用水系统自循环水体与外界的热交换，可以使3.2万m3海水升温ΔT=28.3℃。故而厂用水系统自循环初始水温应不大于3.2℃，即外海水温应不大于3.2℃才能满足冷试排热要求。综合表2各月海水平均温度仅有1—3月满足冷试要求，其余月份水温难以满足冷试要求。

表2 各月海水平均温度

当外海基础水温较高，热负荷带入后，导致自循环水体的温度可能高于31.5℃。为提高对外界水体温度的适应能力，考虑利用外海补水450 m3/h持续往厂用水系统冷试自循环中进行补水换热。按如下基本条件进行计算。

（1）冷试自循环水体控制水温T1按31.5℃控制。

（2）冷试有效时间按58 h计。

（3）在冷试有效时间内设备冷却水系统热负荷基本均匀。

（4）补水水温不变，按初始水温计。

（5）换水量供水的流量按450 m3/h计。

按如下公式开展温升计算，最大允许初始水温为19.5℃时，当初始水温低于此温度，采取厂用水系统换水措施时，厂用水系统自然循环满足冷试期间需求。

式中：TS0为初始水温（环境水体温度、补水水温）；TS1为控制水温，按31.5℃计；ΔTS为初始水温与控制水温温差；ΔT为厂用水系统补水水温与水体水温温差；V为自循环水体总量，按3.2×104m3计；QS为厂用水系统侧换水流量，按450m3/h计；Cv为定容比热容，4.18MJ/m3℃；t为冷试有效时间，按58 h计；E为冷试期间设备散热，2.82×106MJ。

为进一步提高适应环境水温，考虑在设备冷却水侧进行换水工作，降低排入厂用水系统热负荷，进一步降低对SEC自循环水体初始水温的要求。

其他条件按照上述条件，增加设备冷却水系统侧的换水，换水量按20 m3/h（现场换水量受限）计算。

按如上输入条件进行计算，最大允许初始水温为19.7℃时，仅提高了0.2℃的初始水温要求。主要是设备冷却水侧换水流量有限，仅为20 m3/h，换热能力有限，故而对自循环水体降低水温要求的贡献不大，建议忽略不计。

综上所述，冷试实时监测厂用水系统自循环系统水温变化，主要结论如下。

（1）初始水温不大于3.2℃，直接冷试，无须补水措施。

（2）初始水温不大于19.5℃，需要采取450 m3/h换水临措，支持除7—9月份之外的时间进行冷试。

（3）初始温度大于19.5℃，特别是7—9月存在高温情况，需要进一步分析计算，主要建议项为增加补水量，重点核实热负荷，分段进行重点热负荷改造等。

此方案需要利用临时用海使用临措供水泵进行补水，这是实现厂用水系统自循环方案落地的重要条件之一。当自然水体水温过高，需要采用换水措施时，临措供水泵需要持续供水。根据水温不同，持续时间不同。

3 结论

通过本文的研究表明，在海工不可用的情况下，在初始温度小于19.5℃时采取上述临措能够保证冷试的实施。根据经验，其余压水堆核电机组冷试符合比较相近，根据机组布置的不同进行具体分析。本文中的冷源自然循环下压水堆核电厂冷试，对压水堆核电调试起到启示作用。

本文中的计算存在一定的不严谨，热负荷假设偏大，对临措有一定的影响，建议根据具体厂址布置和设备热负荷进行实际计算，用以更大程度地支持核电调试进行，减少外界因素对调试主关键路径的影响。