秦山核电厂30万机组循环水系统现状分析及应对措施探讨

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　　摘 要
　　循環水系统的运行状况对核电厂的经济性和安全性都有着重要的影响，因此对它的研究具有长远的意义。本文主要围绕秦山核电厂30万机组循环水系统在循环水流量调节、循环水泵控制及监视方式以及吸水室、水葫芦泛滥等几个方面的问题进行分析，并提出了相应的应对措施。
　　关键词
　　经济性;安全性;循环水泵;流量;吸水室;水葫芦
　　中图分类号： TK223.5                        文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.035
　　1 循环水系统概述
　　核电厂循环水系统，主要作用是为凝汽器提供冷却用的海水，冷却汽轮机低压缸的排汽，是凝汽器建立真空的重要条件。同时作为热力循环的冷源，使热力循环得以实现。另外，其取水部分还为一回路海水系统提供水源，对核电厂运行的经济性和安全性都有重要影响，因此，有必要对核电厂循环水系统进行足够的研究。
　　如图1所示，本系统共设有六台循环水泵（简称循泵），循泵为立式混流泵，电动机功率为1600kw，流量16000m3/h，转速495rpm，其水源为海水，供两台凝汽器和二回路其他设备冷却用水。每两台循泵分别对应一个吸水室，每个吸水室的入口安装了一台旋转滤网，正常情况下旋转滤网投“自动”运行方式，受旋转滤网两侧水位差信号及定时器控制，自动启、停，以除去海水中的杂物，保证循泵及系统的正常运行。每台循泵出口有一台液动蝶阀及电动蝶阀，其中液动蝶阀与循泵有联锁，随循泵的启、停而自动开、关，电动蝶阀在备用及运行情况下均保持全开状态。[1]在停止循泵时，如果循泵出口蝶阀手、自动均不能关闭，则需要关闭电动蝶阀，以防止循泵发生倒转，并保证循环水系统足够的压力。
　　2 循环水系统存在的问题分析
　　2.1 循环水流量调节不够精确
　　循环水系统是核电厂一个独立的且重要的系统，循泵所耗用的电能在电厂总发电量中的所占的百分比不容小觑。另外它也是改变凝汽器真空的唯一可调节参数，合理选择循环水系统的运行方式对于提高发电厂的经济性有重要意义。但目前电厂在循环水系统的运行过程中，对循环水流量的调节手段相当有限，不能达到精确控制的目的。同时，循环水系统远未达到经济运行，造成了较大的能源浪费。对循环水系统的运行方式进行优化，成为电厂节能降耗工作中一个亟待解决的问题，对机组的经济运行有着重要的意义。[2]
　　在汽轮机排汽量和循环水温一定的情况下，随着循环水量Fw的增加，凝汽器真空升高，汽轮机增加功率输出，但同时循泵的耗功亦随之增多，抵消增发功率的收益，使汽轮机的增发功率△Nt与循环泵耗电量△Np之差达到最大的循环水量称最佳循环水量，相应凝汽器真空称最佳真空（如图2）。在这种工况下，电厂的经济效益达到最大。
　　当汽轮机负荷或海水温度变化时，为了保证凝汽器真空在要求范围内，要求循环水量也做相应调整，而由于海水含沙量大，为了尽可能减少泥沙沉积带来的负面效应，一般不采用节流调节，我国大部分电厂都是通过改变循泵的不同运行方式来达到间接调节循环水流量的目的。在我厂是通过改变循泵的运行台数来满足水量的要求，这种方式对于循环水流量的调节是非连续的，循环水流量与泵的运行台数有关，循环水流量是离散的，基本上无法达到最佳循环水量的工况，甚至偏离得很远。
　　2.2 循泵的控制及监视存在弱项
　　秦山核电厂30万机组的六台循泵安装在49-3海水泵房，循泵的控制及部分参数监视也设置在海水值班室，OT118大修期间，通过改造增设了DCS控制系统，在05#厂房主控室也增加了操纵员站。
　　首先是控制方式上，由于循泵没有流量调节的功能，因此在进行循泵切换的操作时，存在一定的难度，需要根据东海潮位的高低、运行循泵的数量、凝汽器出口蝶阀的开度、凝汽器的真空等多个参数综合考虑才能得出最佳的切换方式。由于循泵的流量无法单台调节，通过调节凝汽器出口蝶阀开度来控制循环水系统压力时，经常需要对两台凝汽器的四个出口蝶阀都要进行调节，而凝汽器的出口蝶阀是没有数字化记录仪的，只能在现场查看，需要在切换循泵之前记录原来的阀门开度，在切换循泵的操作完成之后再调节至原来的开度。因此，在循泵的控制上，极大的依赖个人经验，缺少必要的技术手段。
　　其次是监视上，由于循泵泵轴长，输送介质泥沙多，流量大，循泵叶轮的冲刷腐蚀发展到一定程度时，由于叶片不均匀的缺损，会影响到叶轮的动平衡。因此，当叶轮出现严重的冲蚀后，不仅水泵的性能和效率下降，还会出现振动的异常变化，而现在的情况是所有循泵均没有振动监测系统。对于循泵缺陷的发现，主要是依靠运行人员巡检时听声音，或者维修人员定期测振的手段。一则比较依赖个人经验，二则无法对循泵的运行状态进行连续监视，当设备缺陷出现时，可能无法及时发现而导致更为严重的后果。
　　2.3 吸水室存在的潜在问题
　　2011年3月11日，由于地震及海啸的突然袭击，日本福岛核电站没有能够完成其安全运行、安全停堆、无核泄漏的核安全使命。导致核电行业瞬间进入冬季，并且将核电带入备受争议的安全与否的漩涡之中，虽然事实证明核电不可或缺，渐渐出现复苏的迹象，但福岛事故给人类带来的影响将永远不会消除，同时也给各核电厂敲响了强烈的警钟，核安全面前容不得半点疏忽。
　　为了提高电厂抗震、抗海啸、严重事故工况下的应对能力，30万机组也进行了多项重大改造，如增设SBO情况下主泵轴封注水系统，增设替代交流电源（AAC）系统，增设非能动消氢系统等等。但对于海啸，核电厂的最终热阱却依然存在问题。当海啸来临时，海浪是一阵一阵的，过程中会有退潮的现象，当海水退潮时，巨大的虹吸作用可能会把吸水室处的海水一起带走，导致吸水室的瞬时潮位低于正常值，不能保证循泵的净正吸入压头，影响循环水系统运行的可靠性。 　　2.4 水葫蘆泛滥问题严重
　　每年的10月份开始及以后的一段时间，海盐县河道内的水葫芦便开始疯狂生长（如图3所示），并且在开闸放水时一路顺流到我厂吸水室，造成旋转滤网堵塞。曾经就因为水葫芦堵塞问题导致旋转滤网剪断销断裂及掉真空、降负荷事件，损坏设备的同时给电厂造成巨大的经济损失。
　　2.5 吸水室潮位的监视存在盲区
　　如前所述，我厂有六台循泵及三个吸水室，1#/2#、3#/4#、5#/6#分别从1#、2#、3#吸水室吸水，吸水室的潮位关乎着循环水系统的运行状况，从而影响电厂的效益和安全方面的问题。但现在主控室的海水潮位仅能监视2#吸水室的潮位，没有1#和3#吸水室的潮位。即使不考虑海啸等自然灾害的原因，假如发生1#或3#吸水室相关水闸门脱落或类似的故障，由于监视系统呈现的吸水室潮位是正常的，但其实1#或3#吸水室的水泵已无法保持运行，将极大地影响运行人员对瞬态的正确响应。
　　在大修期间，虽然通过临时变更增设了1#和3#吸水室的潮位监视，但也只是放置在49-3海水泵房大厅，大厅没有人值班，依然不能达到连续监视吸水室潮位的目的。
　　3 循环水系统相关问题的应对措施探讨
　　3.1 建议改造循泵组
　　在无法做到循环水流量连续调节的情况下，如果能尽量减少各离散流量值之间的差值，则在一定程度上提高了调节精度，使循环水流量可以更加接近最佳循环水量。而双速电机就可以达到这样的目的，泵的流量与泵的转速有一定的正比关系，当泵在高速运转时，流量就大，低速运转时，流量就较小，同样一台泵在不同的转速下就可以有不同的流量输出，这样就更容易满足系统不同工况对流量的不同需求，达到循环水流量更加精确调节的目的。在进行循泵切换时，必要时只需改变单台循泵的运行方式（高速或低速），就可以满足切换的前提条件。
　　另一方面，循泵采用双速电机后，也可以起到减少循泵台数的作用。现在30万机组总共有六台循泵，而且由于部分循泵可靠性较差，长期有循泵处于检修状态。即使正常情况下，对六台循泵的预维工作也是常有的，有时一台循泵的预维工期就长达一两个月，大大增加工作负担。尤其是在夏天，需要四台循泵运行，如果有一台循泵处于检修状态，则只有一台备用循泵，一旦某一台循泵出现故障，则就没有备用循泵，存在很大的潜在风险。由此看来，如果能选择可靠性更高、流量更大的双速电机，保证流量调节精度的同时还能大大减少工作负担。另外，从电厂经济性来看，采用改变泵运行台数来改变循环水流量的方式，将使循泵不能长期运行在高效区，偏离运行工况，降低运行效率。以下列数据为例，30万机组循泵额定功率1600kW，年化日均运行3.5台循泵（夏季4台，冬季3台），循泵总的额定功率约为1600*3.5=5600kW，占机组额定电功率百分比为：5600/ 300000*100%=1.87%。以中核运行二厂65万千瓦机组作为比较，循泵采用高/低速电机运行的平均额定功率4000kW，日均运行2台循泵，总额定功率约为4000*2=8000kW，占机组额定电功率百分比为：8000/650000*100%=1.23%。还有，长期使泵运行在非高效区，还将影响泵的寿命，由此可以看出，采用高效的双速循泵能够降低电厂运行成本，提高电厂经济效益。
　　3.2 循泵控制及监视建议
　　在任何情况下，只要具备条件，主控室都是事故情况下的最佳响应场所，它是绝大多数重要设备及参数的集控中心，能够最快地对大多数事故作出初步判断。
　　关于循泵的振动问题，通过连续的振动状态监测，特别是水泵转轴振动值的趋势跟踪，可以分析和评价水泵叶轮磨损的影响，及时准确地发现设备运行中出现的问题，避免设备损坏故障的发生。如果出现振动大且大到不宜保持运行的情况而没有及时发现，那么可能的后果就是循泵损坏及凝汽器掉真空，导致降负荷甚至停机停堆，所以建议六台循泵均增加振动监测系统。
　　3.3 吸水室外建围堰的建议
　　对于海啸可能导致吸水室断水的情况，可以考虑在吸水室外修建一定高度的围堰，将吸水室围住，这样即使在海啸退潮时，围堰内的水也不会被带走，起到防虹吸的作用，围堰要有足够的高度以保证海啸退潮时围堰内有充足的水，但围堰高度又必须低于日常的最低潮位，保证日常情况下吸水室能够被海水淹没。
　　3.4 水葫芦治理建议
　　本人认为解决水葫芦泛滥问题可以从三方面入手。
　　（1）首先是技术手段，从根本上解决这个问题，采用生物或药物防治，在相应的季节，定期或持续向排水渠里引进水葫芦的天敌或向河里加入抑制水葫芦生长的药物，彻底解决水葫芦问题，但见效周期较长。
　　（2）其次是人工手段，在开闸前对河道内的水葫芦进行彻底打捞，防止水葫芦进入杭州湾，从而解决水葫芦问题，但不适用于大面积的水葫芦，否则劳动力投入过大。此方法也可以与第（1）条相结合，共同防治水葫芦。
　　（3）最后是管理手段，在海盐县开闸放水前，通知我厂海水值班室，提前启动旋转滤网，加强取水口巡检，做好预防措施，防止旋转滤网被严重堵塞。
　　另外，在水葫芦迅速生长这段时间内，因即将进入冬季，为维持凝汽器真空只需保持三台循泵运行，此时应尽量避免同一个吸水室有两台循泵运行。否则两台循泵同时运行导致的高液位差加上水葫芦的影响，很可能造成旋转滤网的严重堵塞，引起循泵吸水不畅的问题，影响系统运行的可靠性。
　　3.5 建议在主控室增加1#、3#吸水室潮位数据
　　针对现在吸水室潮位监视所存在的问题，假如1#或3#吸水室出现故障，而2#吸水室的水位正常的时候，那么主控监视的海水潮位就起不到警示的作用，出现异常时也不利于故障的定位，因此建议在05#厂房主控室增加1#及3#吸水室的潮位数据。
　　4 综述
　　本文围绕循环水系统，着重讨论了30万机组在循环水流量调节、循泵切换操作、吸水室潮位监视及水葫芦泛滥等几个方面存在的问题，分别提出了不同的应对措施。整体来讲，这些建议的落实能够有效降低电厂发生事故的概率，增强事故状况下的响应能力以及提高电厂的经济性和安全性。另外需要说明的是，循环水系统作为核电厂中一个必不可少的重要系统，我厂30万机组存在的这些问题存在一定的共性，因此文中所给出的建议也具有同样的普适性。
　　参考文献
　　[1]孔志平，马聪.CP300核电厂二回路系统/设备及运行.浙江：中核核电运行管理有限公司.2009.
　　[2]崔修强，冯仁海.300MW机组循环水系统最佳运行方式的研究.山东：华电国际十里泉发电厂.2005.
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