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《鍋爐制造雜志》2016年第6期

摘要:

以AP1000核電廠CDS凝結(jié)水系統(tǒng)和PSS一回路取樣系統(tǒng)中重要熱交換器為例，通過(guò)分析其相關(guān)參數(shù)，結(jié)合ASMEOM－S/G－2003第21卷《輕水反應(yīng)堆核電廠熱交換器的在役性能試驗(yàn)》的規(guī)范內(nèi)容，判斷是否需要對(duì)其采用定期性能試驗(yàn)，并選取適用的性能試驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行定期試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞:

AP1000;核電廠;熱交換器;性能試驗(yàn);性能監(jiān)測(cè)

0引言

熱交換器是核電廠熱力系統(tǒng)中的重要設(shè)備。熱交換器的工作介質(zhì)有海水、蒸汽、液相、汽－液兩相、放射性廢水、硼酸水等，部分熱交換器的工作環(huán)境也較為惡劣，如高溫高壓、大溫差等，這些熱交換器在運(yùn)行過(guò)程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)部件的失效、傳熱性能下降等狀況。針對(duì)熱交換器可能出現(xiàn)的失效，為確保電廠熱交換器的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，除對(duì)熱交換器進(jìn)行必要檢查、維修或替換外，還需要定期對(duì)熱交換器性能進(jìn)行性能監(jiān)督及趨勢(shì)分析來(lái)綜合評(píng)價(jià)熱交換器的性能狀態(tài)。本文以AP1000核電廠CDS凝結(jié)水系統(tǒng)和PSS一回路取樣系統(tǒng)中重要熱交換器為例，通過(guò)分析其相關(guān)參數(shù)，結(jié)合ASMEOM－S/G－2003第21卷《輕水反應(yīng)堆核電廠熱交換器的在役性能試驗(yàn)》的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，結(jié)果表明需要對(duì)CDS凝結(jié)水系統(tǒng)中的13臺(tái)熱交換器(包括3臺(tái)凝汽器及10臺(tái)低壓加熱器)采用定期性能試驗(yàn)，并選擇傳熱系數(shù)法對(duì)其進(jìn)行定期試驗(yàn)。不需要對(duì)CDS系統(tǒng)中的另外兩臺(tái)除氧器及PSS一回路取樣系統(tǒng)中的兩臺(tái)取樣冷卻器進(jìn)行定期性能試驗(yàn)。

1范圍選擇分析策略及方法

針對(duì)AP1000核電廠CDS凝結(jié)水系統(tǒng)和PSS一回路取樣系統(tǒng)中熱交換器進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的收集與整理，包括結(jié)垢信息、設(shè)計(jì)性能相關(guān)信息、監(jiān)測(cè)參數(shù)儀表、工作環(huán)境、工作頻度、可靠性分級(jí)、工作介質(zhì)等，分析其是否具有安全相關(guān)功能，設(shè)備失效或退出運(yùn)行的后果、失效后是否會(huì)導(dǎo)致LCO(運(yùn)行限制條件)、失效后是否會(huì)對(duì)電力生產(chǎn)產(chǎn)生影響、熱交換器的結(jié)垢傾向等。根據(jù)對(duì)熱交換器信息分析的結(jié)果，選擇了以下6項(xiàng)原則對(duì)性能試驗(yàn)的范圍進(jìn)行選擇分析:

(1)熱交換器是否執(zhí)行安全相關(guān)功能;

(2)熱交換器失效是否導(dǎo)致機(jī)組進(jìn)入運(yùn)行限值條件(LCO):考慮最終安全分析報(bào)告中技術(shù)規(guī)格書(shū)中規(guī)定進(jìn)入運(yùn)行限值條件的情況;

(3)熱交換器是否為關(guān)鍵設(shè)備:設(shè)備可靠性分級(jí)是否為CC1和CC2;

(4)熱交換器劣化是否會(huì)影響電力生產(chǎn):主要考慮二回路中對(duì)發(fā)電熱效率有直接影響的熱交換器;

(5)熱交換器的結(jié)垢傾向:如果熱交換器的介質(zhì)有海水或乏燃料水池水，則定義為熱交換器的結(jié)垢傾向高。“范圍選擇分析”工作按照以下流程進(jìn)行:當(dāng)某臺(tái)熱交換器滿足原則(1)執(zhí)行安全相關(guān)功能或原則(2)失效導(dǎo)致LCO，則進(jìn)入性能試驗(yàn)范圍;在不滿足原則(1)和(2)的情況下，熱交換器必須同時(shí)滿足原則(3)和(4)或者(3)和(5)才能進(jìn)入性能試驗(yàn)范圍，否則采用性能監(jiān)測(cè)方法。具體篩選流程見(jiàn)圖1。

2性能試驗(yàn)范圍選擇分析過(guò)程舉例

用1號(hào)低壓加熱器A來(lái)舉例說(shuō)明性能試驗(yàn)范圍選擇分析過(guò)程。(1)熱交換器是否執(zhí)行安全相關(guān)功能———N(2)熱交換器失效是否導(dǎo)致機(jī)組進(jìn)入運(yùn)行限值條件(LCO):考慮最終安全分析報(bào)告第16章技術(shù)規(guī)格書(shū)中規(guī)定進(jìn)入運(yùn)行限值條件的情況———N(3)熱交換器是否為關(guān)鍵設(shè)備:設(shè)備可靠性分級(jí)是否為CC1和CC2———Y(4)熱交換器劣化是否會(huì)影響電力生產(chǎn):主要考慮二回路中對(duì)發(fā)電熱效率有直接影響的熱交換器———Y(5)熱交換器的結(jié)垢傾向:如果熱交換器的介質(zhì)有海水或乏燃料水池水，則定義為熱交換器的結(jié)垢傾向高———N關(guān)鍵特性分析:設(shè)備可靠性分級(jí)為CC2－4，關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)備傳熱性能劣化影響發(fā)電效率。根據(jù)以上分析，表明1號(hào)低壓加熱器需要采用定期性能試驗(yàn)。

3范圍選擇分析結(jié)果

根據(jù)圖1性能試驗(yàn)范圍選擇分析工作流程圖，結(jié)合第3節(jié)的性能試驗(yàn)范圍選擇分析過(guò)程舉例，對(duì)CDS及PSS系統(tǒng)中共17臺(tái)熱交換器進(jìn)行分析，共篩選出CDS系統(tǒng)13臺(tái)熱交換器(3臺(tái)凝汽器及10臺(tái)低壓加熱器)進(jìn)行性能試驗(yàn)，其余的4臺(tái)熱交換器(CDS系統(tǒng)的2臺(tái)除氧器和PSS系統(tǒng)的取樣冷卻器)不采用性能試驗(yàn)。

4常用性能試驗(yàn)方法分析及對(duì)比

根據(jù)EPRITR－107397導(dǎo)則，常用的熱交換器性能試驗(yàn)方法包括功能試驗(yàn)法、傳熱系數(shù)法、溫度效應(yīng)法、溫差監(jiān)測(cè)法、壓降監(jiān)測(cè)法及目視檢查法，其中目視檢查法一般作為一種直接的檢查方法，故本文涉及的性能試驗(yàn)方法主要指?jìng)鳠嵯禂?shù)法、溫度效應(yīng)法、功能試驗(yàn)法、溫差監(jiān)測(cè)法和壓將監(jiān)測(cè)法。

4．1功能試驗(yàn)法

用測(cè)量溫度的方法對(duì)整個(gè)熱交換器使用期間的性能下降提供一個(gè)指標(biāo)，并與驗(yàn)收準(zhǔn)則確定的溫度進(jìn)行比較。關(guān)鍵適用條件:

(1)試驗(yàn)工況必須與極限工況相近，試驗(yàn)工況包括質(zhì)量流量、溫度及熱負(fù)荷等;

(2)驗(yàn)收準(zhǔn)則明確要求以“感興趣的溫度”作為驗(yàn)收條件;

(3)試驗(yàn)工況必須為穩(wěn)態(tài)工況。

4．2傳熱系數(shù)法

在試驗(yàn)工況下通過(guò)計(jì)算傳熱系數(shù)、熱阻等參數(shù)確定熱交換器的傳熱能力，并推算極限工況下的傳熱能力。關(guān)鍵適用條件:

(1)試驗(yàn)工況與極限工況流場(chǎng)狀態(tài)保持不變;

(2)以熱負(fù)荷或傳熱系數(shù)作為驗(yàn)收條件;

(3)試驗(yàn)工況必須為穩(wěn)態(tài)工況。

4．3溫度效應(yīng)法

使用試驗(yàn)工況下的溫度效應(yīng)因子預(yù)計(jì)在已知參考點(diǎn)(極限工況、設(shè)計(jì)工況等)熱交換器的溫度指標(biāo)，并與驗(yàn)收準(zhǔn)則的溫度進(jìn)行比較。關(guān)鍵適用條件:

(1)試驗(yàn)工況與參考點(diǎn)工況的質(zhì)量流量相同(偏差5%以內(nèi));

(2)試驗(yàn)工況與參考點(diǎn)工況都不能存在相變;

(3)試驗(yàn)工況必須為穩(wěn)態(tài)工況。

4．4溫差監(jiān)測(cè)法

監(jiān)測(cè)冷卻流體感興趣的溫度和入口溫度之間的關(guān)系來(lái)提供熱交換器性能隨時(shí)間降低的指標(biāo)。

4．5壓降監(jiān)測(cè)法

與驗(yàn)收準(zhǔn)則相同流量條件下監(jiān)測(cè)熱交換器的壓降。

4．6目視檢查法

定期對(duì)熱交換器冷卻流側(cè)和工藝流側(cè)的內(nèi)件進(jìn)行外觀檢查，也可根據(jù)檢查結(jié)果實(shí)施糾正行動(dòng)(如清洗)。傳熱系數(shù)法、溫度效應(yīng)法和功能試驗(yàn)法是最常用的性能試驗(yàn)方法，溫差法及壓降法一般用于性能監(jiān)測(cè)。3種常用的性能試驗(yàn)方法的對(duì)比情況如表1所示。通過(guò)上表可以看出，3中最常用的性能試驗(yàn)方法均能定量評(píng)價(jià)熱交換器的性能，傳熱系數(shù)法對(duì)試驗(yàn)工況的要求最低，適用范圍最廣。功能試驗(yàn)法和溫度效應(yīng)法對(duì)試驗(yàn)工況的要求高。

5性能試驗(yàn)方法選擇流程

針對(duì)CDS系統(tǒng)中的13臺(tái)需要進(jìn)行性能試驗(yàn)的熱交換器進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的收集與整理，然后進(jìn)行分析，根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)第21卷內(nèi)容，主要分析以下10個(gè)方面:

(1)驗(yàn)收準(zhǔn)則是否以感興趣的溫度說(shuō)明;

(2)設(shè)計(jì)事故下的流量和溫度能否測(cè)得;

(3)試驗(yàn)工況是否穩(wěn)態(tài);

(4)傳熱系數(shù)法是否有足夠精度;

(5)溫度效應(yīng)法是否有足夠精度;

(6)設(shè)計(jì)事故下兩側(cè)流體的參數(shù)能否測(cè)得;

(7)在試驗(yàn)和設(shè)計(jì)事故工況下是否會(huì)產(chǎn)生相變;

(8)試驗(yàn)工況是否可重復(fù)和穩(wěn)態(tài);

(9)能否測(cè)得壓力損失量;

(10)壓力損失是否是換熱器結(jié)垢很好的指標(biāo)。以上10個(gè)方面的內(nèi)容，再結(jié)合ASME標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)出以下性能試驗(yàn)方法選擇流程:

6性能試驗(yàn)方法選擇過(guò)程

用三門(mén)核電1號(hào)低壓加熱器A來(lái)舉例說(shuō)明性能試驗(yàn)方法的選擇過(guò)程。

(1)熱交換器功能說(shuō)明。1號(hào)低壓加熱器利用汽輪機(jī)低壓缸抽汽加熱凝結(jié)水，以提高循環(huán)熱效率。蒸汽進(jìn)入加熱器殼體流經(jīng)換熱管束外表面，加熱管束里的水，其本身凝結(jié)成疏水經(jīng)疏水管線排出加熱器。凝結(jié)水經(jīng)過(guò)入口水室流入換熱管束后被蒸汽加熱，由出口水室流出后完成加熱過(guò)程。

(2)設(shè)計(jì)參數(shù)/極限工況如下表2所示。

(3)性能試驗(yàn)需要測(cè)量的參數(shù)如下表3所示。

(4)選擇過(guò)程。根據(jù)第5節(jié)中的性能試驗(yàn)方法選擇流程，按照下面的步驟進(jìn)行分析:步驟1:驗(yàn)收準(zhǔn)則是否以感興趣的溫度說(shuō)明———N，進(jìn)入步驟4：步驟4:傳熱系數(shù)法是否有足夠精度———Y，進(jìn)入步驟5;步驟5:試驗(yàn)工況是否穩(wěn)態(tài)———Y，選擇傳熱系數(shù)法。選擇結(jié)果:傳熱系數(shù)法。

(5)選擇結(jié)果。經(jīng)過(guò)分析，凝汽器及低壓加熱器均可采用傳熱系數(shù)法進(jìn)行定期性能試驗(yàn)。

7結(jié)論

本文通過(guò)分析CDS系統(tǒng)及PSS系統(tǒng)重要熱交換器的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合ASME標(biāo)準(zhǔn)，獲得以下結(jié)論。

(1)CDS系統(tǒng)需要進(jìn)行定期性能試驗(yàn)的熱交換器有13臺(tái)，分別是3臺(tái)凝汽器及10臺(tái)低壓加熱器，剩余2臺(tái)除氧器不需要進(jìn)行定期性能試驗(yàn)。PSS系統(tǒng)的兩臺(tái)取樣冷卻器不需要進(jìn)行定期性能試驗(yàn)。

(2)CDS系統(tǒng)13臺(tái)熱交換器均可使用傳熱系數(shù)法進(jìn)行定期性能試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

［4］輕水反應(yīng)堆核電廠熱交換器的在役性能試驗(yàn)，ASME－OM第21篇，2004版．

［5］三門(mén)核電一期工程1＆2號(hào)機(jī)組最終安全分析報(bào)告，第0版．

作者:曾道英 李青華 馮利法 孫湞 單位:國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司