核電廠重要熱交換器性能試驗分析范文

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《鍋爐制造雜志》2016年第6期

摘要:

以AP1000核電廠CDS凝結水系統和PSS一回路取樣系統中重要熱交換器為例，通過分析其相關參數，結合ASMEOM－S/G－2003第21卷《輕水反應堆核電廠熱交換器的在役性能試驗》的規范內容，判斷是否需要對其采用定期性能試驗，并選取適用的性能試驗方法對其進行定期試驗。

關鍵詞:

AP1000;核電廠;熱交換器;性能試驗;性能監測

0引言

熱交換器是核電廠熱力系統中的重要設備。熱交換器的工作介質有海水、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境也較為惡劣，如高溫高壓、大溫差等，這些熱交換器在運行過程中不可避免的會出現部件的失效、傳熱性能下降等狀況。針對熱交換器可能出現的失效，為確保電廠熱交換器的安全、穩定和經濟運行，除對熱交換器進行必要檢查、維修或替換外，還需要定期對熱交換器性能進行性能監督及趨勢分析來綜合評價熱交換器的性能狀態。本文以AP1000核電廠CDS凝結水系統和PSS一回路取樣系統中重要熱交換器為例，通過分析其相關參數，結合ASMEOM－S/G－2003第21卷《輕水反應堆核電廠熱交換器的在役性能試驗》的相關內容進行分析，結果表明需要對CDS凝結水系統中的13臺熱交換器(包括3臺凝汽器及10臺低壓加熱器)采用定期性能試驗，并選擇傳熱系數法對其進行定期試驗。不需要對CDS系統中的另外兩臺除氧器及PSS一回路取樣系統中的兩臺取樣冷卻器進行定期性能試驗。

1范圍選擇分析策略及方法

針對AP1000核電廠CDS凝結水系統和PSS一回路取樣系統中熱交換器進行信息數據的收集與整理，包括結垢信息、設計性能相關信息、監測參數儀表、工作環境、工作頻度、可靠性分級、工作介質等，分析其是否具有安全相關功能，設備失效或退出運行的后果、失效后是否會導致LCO(運行限制條件)、失效后是否會對電力生產產生影響、熱交換器的結垢傾向等。根據對熱交換器信息分析的結果，選擇了以下6項原則對性能試驗的范圍進行選擇分析:

(1)熱交換器是否執行安全相關功能;

(2)熱交換器失效是否導致機組進入運行限值條件(LCO):考慮最終安全分析報告中技術規格書中規定進入運行限值條件的情況;

(3)熱交換器是否為關鍵設備:設備可靠性分級是否為CC1和CC2;

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

(5)熱交換器的結垢傾向:如果熱交換器的介質有海水或乏燃料水池水，則定義為熱交換器的結垢傾向高?！胺秶x擇分析”工作按照以下流程進行:當某臺熱交換器滿足原則(1)執行安全相關功能或原則(2)失效導致LCO，則進入性能試驗范圍;在不滿足原則(1)和(2)的情況下，熱交換器必須同時滿足原則(3)和(4)或者(3)和(5)才能進入性能試驗范圍，否則采用性能監測方法。具體篩選流程見圖1。

2性能試驗范圍選擇分析過程舉例

用1號低壓加熱器A來舉例說明性能試驗范圍選擇分析過程。(1)熱交換器是否執行安全相關功能———N(2)熱交換器失效是否導致機組進入運行限值條件(LCO):考慮最終安全分析報告第16章技術規格書中規定進入運行限值條件的情況———N(3)熱交換器是否為關鍵設備:設備可靠性分級是否為CC1和CC2———Y(4)熱交換器劣化是否會影響電力生產:主要考慮二回路中對發電熱效率有直接影響的熱交換器———Y(5)熱交換器的結垢傾向:如果熱交換器的介質有海水或乏燃料水池水，則定義為熱交換器的結垢傾向高———N關鍵特性分析:設備可靠性分級為CC2－4，關鍵設備，設備傳熱性能劣化影響發電效率。根據以上分析，表明1號低壓加熱器需要采用定期性能試驗。

3范圍選擇分析結果

根據圖1性能試驗范圍選擇分析工作流程圖，結合第3節的性能試驗范圍選擇分析過程舉例，對CDS及PSS系統中共17臺熱交換器進行分析，共篩選出CDS系統13臺熱交換器(3臺凝汽器及10臺低壓加熱器)進行性能試驗，其余的4臺熱交換器(CDS系統的2臺除氧器和PSS系統的取樣冷卻器)不采用性能試驗。

4常用性能試驗方法分析及對比

根據EPRITR－107397導則，常用的熱交換器性能試驗方法包括功能試驗法、傳熱系數法、溫度效應法、溫差監測法、壓降監測法及目視檢查法，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方法主要指傳熱系數法、溫度效應法、功能試驗法、溫差監測法和壓將監測法。

4．1功能試驗法

用測量溫度的方法對整個熱交換器使用期間的性能下降提供一個指標，并與驗收準則確定的溫度進行比較。關鍵適用條件:

(1)試驗工況必須與極限工況相近，試驗工況包括質量流量、溫度及熱負荷等;

(2)驗收準則明確要求以“感興趣的溫度”作為驗收條件;

(3)試驗工況必須為穩態工況。

4．2傳熱系數法

在試驗工況下通過計算傳熱系數、熱阻等參數確定熱交換器的傳熱能力，并推算極限工況下的傳熱能力。關鍵適用條件:

(1)試驗工況與極限工況流場狀態保持不變;

(2)以熱負荷或傳熱系數作為驗收條件;

(3)試驗工況必須為穩態工況。

4．3溫度效應法

使用試驗工況下的溫度效應因子預計在已知參考點(極限工況、設計工況等)熱交換器的溫度指標，并與驗收準則的溫度進行比較。關鍵適用條件:

(1)試驗工況與參考點工況的質量流量相同(偏差5%以內);

(2)試驗工況與參考點工況都不能存在相變;

(3)試驗工況必須為穩態工況。

4．4溫差監測法

監測冷卻流體感興趣的溫度和入口溫度之間的關系來提供熱交換器性能隨時間降低的指標。

4．5壓降監測法

與驗收準則相同流量條件下監測熱交換器的壓降。

4．6目視檢查法

定期對熱交換器冷卻流側和工藝流側的內件進行外觀檢查，也可根據檢查結果實施糾正行動(如清洗)。傳熱系數法、溫度效應法和功能試驗法是最常用的性能試驗方法，溫差法及壓降法一般用于性能監測。3種常用的性能試驗方法的對比情況如表1所示。通過上表可以看出，3中最常用的性能試驗方法均能定量評價熱交換器的性能，傳熱系數法對試驗工況的要求最低，適用范圍最廣。功能試驗法和溫度效應法對試驗工況的要求高。

5性能試驗方法選擇流程

針對CDS系統中的13臺需要進行性能試驗的熱交換器進行信息數據的收集與整理，然后進行分析，根據ASME標準第21卷內容，主要分析以下10個方面:

(1)驗收準則是否以感興趣的溫度說明;

(2)設計事故下的流量和溫度能否測得;

(3)試驗工況是否穩態;

(4)傳熱系數法是否有足夠精度;

(5)溫度效應法是否有足夠精度;

(6)設計事故下兩側流體的參數能否測得;

(7)在試驗和設計事故工況下是否會產生相變;

(8)試驗工況是否可重復和穩態;

(9)能否測得壓力損失量;

(10)壓力損失是否是換熱器結垢很好的指標。以上10個方面的內容，再結合ASME標準，總結出以下性能試驗方法選擇流程:

6性能試驗方法選擇過程

用三門核電1號低壓加熱器A來舉例說明性能試驗方法的選擇過程。

(1)熱交換器功能說明。1號低壓加熱器利用汽輪機低壓缸抽汽加熱凝結水，以提高循環熱效率。蒸汽進入加熱器殼體流經換熱管束外表面，加熱管束里的水，其本身凝結成疏水經疏水管線排出加熱器。凝結水經過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程。

(2)設計參數/極限工況如下表2所示。

(3)性能試驗需要測量的參數如下表3所示。

(4)選擇過程。根據第5節中的性能試驗方法選擇流程，按照下面的步驟進行分析:步驟1:驗收準則是否以感興趣的溫度說明———N，進入步驟4：步驟4:傳熱系數法是否有足夠精度———Y，進入步驟5;步驟5:試驗工況是否穩態———Y，選擇傳熱系數法。選擇結果:傳熱系數法。

(5)選擇結果。經過分析，凝汽器及低壓加熱器均可采用傳熱系數法進行定期性能試驗。

7結論

本文通過分析CDS系統及PSS系統重要熱交換器的相關參數，結合ASME標準，獲得以下結論。

(1)CDS系統需要進行定期性能試驗的熱交換器有13臺，分別是3臺凝汽器及10臺低壓加熱器，剩余2臺除氧器不需要進行定期性能試驗。PSS系統的兩臺取樣冷卻器不需要進行定期性能試驗。

(2)CDS系統13臺熱交換器均可使用傳熱系數法進行定期性能試驗。

參考文獻：

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

［5］三門核電一期工程1＆2號機組最終安全分析報告，第0版．

作者:曾道英 李青華 馮利法 孫湞 單位:國核電站運行服務技術有限公司