AP1000核电站常规岛闭式冷却水系统全厂失电工况研究
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作者:胡剑平
摘 要：介绍AP1000核电站常规岛闭式冷却水系统基本信息;重点分析全厂失电工况方案研究;提出该系统在正常运行、全厂失电、柴油机带载运行、恢复供电四个步骤的控制方案;计算在不同运行泵数量下的冷、热水阀开度总和，以防止单台泵运行超流量;核算冷水阀V007在最大流量工况下不会发生汽蚀;对其他电站在全厂失电工况下的闭式水系统投运方式具有较好的借鉴和参考意义。
关键词：AP1000 核电 常规岛闭式冷却水系统 全厂失电
中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）04（c）-0001-03
1 引言
三门核电一期工程常规岛闭式冷却水系统，设计方为日本三菱重工和华东电力设计院，该系统向常规岛设备提供冷却水，并将导出的热量传输至开式循环冷却水系统，并最终通过循环冷却水系统将热量排放入大海。主要设备有三台闭式冷却水泵和三台板式热交换器，正常运行工况，为两台50%容量的泵并联运行[1]。
三菱重工的参考电站为日本泊三电厂，有两台闭式泵设计为柴油发电机做备用电源，然而三门核电一期工程受限于柴油发电机的容量，在全厂失电时，仅能够启动一台闭式泵（C泵）提供冷却水，本文对常规岛闭式水系统全厂失电工况研究，通过分析计算提出防止单台闭式泵运行超流量，同时避免冷水阀V007发生汽蚀的控制方案，为汽轮发电机等常规岛设备安全停机提供可靠保障。
2 方案研究
常规岛闭式水系统在正常运行时，为两台闭式冷却水泵A和B运行，C泵备用;当发生全厂失电事故工况时，闭式泵A和B停运，C泵由柴油发电机带载启动。为确保该系统稳定运行，以下通过分析计算，提出正常运行、全厂失电、柴油机带载运行、恢复供电四个控制步骤。
2.1 正常运行
在两台闭式泵A和B运行，C泵备用的正常工况下，通过自动调节冷水阀V007和热水阀V009的开度K1和K2，使闭式水出口母管的温度TE003保持恒定在35℃。两台阀门的开度总和K1+K2=K，两台泵正常运行时K值取1，即V007和V009开度总和为100%，如图1所示。
2.2 全厂失电
在发生全厂失电事故工况下，闭式泵A和B全都停运，闭式水出口母管温度将逐渐升高并大于35℃，图1中闭式水系统最大的两个用户：汽轮机润滑油冷却器和发电机氢冷却器的温度调节阀V020和V410将逐渐全开。所以，闭式水系统管路阻力将达到最小，闭式泵C在柴油发电机带载启动后流量将达到最大。
闭式冷却水泵结构为卧式离心泵，为防止电机启动电流过大，设计要求为关阀起泵。所以，当闭式泵全都停运时，冷、热水阀开度总和K值取0，即闭式泵出口的V007和V009都保持关闭，满足后续闭式泵C在柴油发电机带载时的关阀启泵要求。
2.3 柴油机带载运行
当发生全厂失电事故工况后，120s后柴油发电机顺序带载启动闭式泵C。以下，分别从单台闭式泵运行最大流量，和冷、热水控制阀总开度的K值计算，得出具体控制方案。
2.3.1 最大流量
根据该闭式泵的设计参数，额定运行流量为1950m3/h，扬程60m，效率85%，电机额定功率为450kW，为防止电机过载，閉式泵的轴功率不能超过450/1.1=410kW。由功率流量对应关系，得出此时运行流量为3200m3/h，扬程37.5m，效率80%，该为闭式泵能够稳定运行的最大流量工况。
2.3.2 K值计算
此时，由于闭式水母管出口温度大于35℃，冷水阀V007将逐渐增大至开度K，热水阀V009将逐渐减小至开度0。所以，闭式泵C的运行流量完全由冷水阀V007的开度K来控制，该K值的计算过程如下。
根据表1设计院提供参数，当闭式泵C在最大流量3200m3/h下运行时，冷水阀V007进出口压差为ΔP=6.68-5.62=1.06bar.a。为确定冷水阀V007的开度K值，需计算流量系数Cv值，公式如下[2]。
2.4 恢复供电
当全厂恢复供电，第二台闭式泵启动瞬间，阀门V007将承受最大差压?P。为确保系统运行稳定，需核算当两台闭式泵启动瞬间，V007在53%开度下是否会发生汽蚀。
首先，需计算两台泵启动后的流量和扬程，见图2所示，曲线Ⅰ为热水阀V007在开度53%下的系统管路特性曲线，曲线Ⅱ和Ⅲ分别为单台泵和两台泵的运行性能曲线。当恢复供电后，第二台闭式泵启动，泵运行性能由曲线Ⅱ变为曲线Ⅲ，而管路特性曲线Ⅰ保持不变，所以，工况点由A点转移至B点。由绘图法得，此时B点两台闭式泵运行的总流量为4105m3/h，扬程为59.5m。
然后，为核算热水阀V007在此工况下是否会发生汽蚀，在工厂设计中，通常以最大允许计算压力降?Pmax为汽蚀的判定准则。?Pmax与额定液体压力恢复系数FL有关，而FL与阀芯形状、阀体结构、阀内液流流向有关。FL值越大的阀，允许承受的压差越大，抗汽蚀的能力也越强。若阀门两端压差?P<?Pmax，则不会发生汽蚀现象。?Pmax的计算公式如下[3]：
同样，根据表1设计院提供参数，当两台闭式泵在流量4105m3/h下运行时，冷水阀V007进口绝对压力P1=8.19bar.a，进出口压差为ΔP=8.19-6.67=1.52bar.a。将P1代入公式（2）中计算得最大允许计算压力降?Pmax=4.57bar.a。计算结果表明： ?P<?Pmax，即冷水阀V007不会发生汽蚀。
当两台闭式泵启动后，K值恢复为1，冷、热水阀V007和V009开度总和达到100%，闭式水系统再次恢复正常运行。
3 结语
本文通过对冷、热水阀总开度K值的计算：当两台泵运行时K=1;一台泵运行时K=0.53;所有泵都停运时K=0，实现闭式水系统的正常运行、全厂失电、柴油机带载运行、恢复供电四个控制步骤，有效防止了单台泵运行超流量，及控制阀发生汽蚀，保障了闭式水系统的稳定运行。
当前国内绝大多数核电站及火电站，在发生全厂失电事故工况时，闭式水系统均未设置柴油发电机做备用电源，导致汽轮发电机等常规岛设备在停运过程中的余热无法排出。特别是汽轮机轴承及发电机线圈，在堕转过程中仍会产生大量余热，存在设备过热损坏的风险。因此，三门核电常规岛闭式冷却水系统，在全厂失电工况下的单台泵运行模式，有效保障了机组的安全停运，对其他电站有很好的借鉴意义。
参考文献
[1] 顾军.AP1000核电厂系统与设备[M].北京：原子能出版社，2010.
[2] 房汝洲.2006版新编调节阀设计及应用实务全书[M].北京：中国知识出版社，2006.
[3] 费希尔控制设备国际有限公司.控制阀手册[Z].中国，2005.
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