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核电厂重要热交换器性能试验分析

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《锅炉制造杂志》2016年第6期

摘要:

以AP1000核电厂CDS凝结水系统和PSS一回路取样系统中重要热交换器为例,通过分析其相关参数,结合ASMEOM-S/G-2003第21卷《轻水反应堆核电厂热交换器的在役性能试验》的规范内容,判断是否需要对其采用定期性能试验,并选取适用的性能试验方法对其进行定期试验。

关键词:

AP1000;核电厂;热交换器;性能试验;性能监测

0引言

热交换器是核电厂热力系统中的重要设备。热交换器的工作介质有海水、蒸汽、液相、汽-液两相、放射性废水、硼酸水等,部分热交换器的工作环境也较为恶劣,如高温高压、大温差等,这些热交换器在运行过程中不可避免的会出现部件的失效、传热性能下降等状况。针对热交换器可能出现的失效,为确保电厂热交换器的安全、稳定和经济运行,除对热交换器进行必要检查、维修或替换外,还需要定期对热交换器性能进行性能监督及趋势分析来综合评价热交换器的性能状态。本文以AP1000核电厂CDS凝结水系统和PSS一回路取样系统中重要热交换器为例,通过分析其相关参数,结合ASMEOM-S/G-2003第21卷《轻水反应堆核电厂热交换器的在役性能试验》的相关内容进行分析,结果表明需要对CDS凝结水系统中的13台热交换器(包括3台凝汽器及10台低压加热器)采用定期性能试验,并选择传热系数法对其进行定期试验。不需要对CDS系统中的另外两台除氧器及PSS一回路取样系统中的两台取样冷却器进行定期性能试验。

1范围选择分析策略及方法

针对AP1000核电厂CDS凝结水系统和PSS一回路取样系统中热交换器进行信息数据的收集与整理,包括结垢信息、设计性能相关信息、监测参数仪表、工作环境、工作频度、可靠性分级、工作介质等,分析其是否具有安全相关功能,设备失效或退出运行的后果、失效后是否会导致LCO(运行限制条件)、失效后是否会对电力生产产生影响、热交换器的结垢倾向等。根据对热交换器信息分析的结果,选择了以下6项原则对性能试验的范围进行选择分析:

(1)热交换器是否执行安全相关功能;

(2)热交换器失效是否导致机组进入运行限值条件(LCO):考虑最终安全分析报告中技术规格书中规定进入运行限值条件的情况;

(3)热交换器是否为关键设备:设备可靠性分级是否为CC1和CC2;

(4)热交换器劣化是否会影响电力生产:主要考虑二回路中对发电热效率有直接影响的热交换器;

(5)热交换器的结垢倾向:如果热交换器的介质有海水或乏燃料水池水,则定义为热交换器的结垢倾向高。“范围选择分析”工作按照以下流程进行:当某台热交换器满足原则(1)执行安全相关功能或原则(2)失效导致LCO,则进入性能试验范围;在不满足原则(1)和(2)的情况下,热交换器必须同时满足原则(3)和(4)或者(3)和(5)才能进入性能试验范围,否则采用性能监测方法。具体筛选流程见图1。

2性能试验范围选择分析过程举例

用1号低压加热器A来举例说明性能试验范围选择分析过程。(1)热交换器是否执行安全相关功能———N(2)热交换器失效是否导致机组进入运行限值条件(LCO):考虑最终安全分析报告第16章技术规格书中规定进入运行限值条件的情况———N(3)热交换器是否为关键设备:设备可靠性分级是否为CC1和CC2———Y(4)热交换器劣化是否会影响电力生产:主要考虑二回路中对发电热效率有直接影响的热交换器———Y(5)热交换器的结垢倾向:如果热交换器的介质有海水或乏燃料水池水,则定义为热交换器的结垢倾向高———N关键特性分析:设备可靠性分级为CC2-4,关键设备,设备传热性能劣化影响发电效率。根据以上分析,表明1号低压加热器需要采用定期性能试验。

3范围选择分析结果

根据图1性能试验范围选择分析工作流程图,结合第3节的性能试验范围选择分析过程举例,对CDS及PSS系统中共17台热交换器进行分析,共筛选出CDS系统13台热交换器(3台凝汽器及10台低压加热器)进行性能试验,其余的4台热交换器(CDS系统的2台除氧器和PSS系统的取样冷却器)不采用性能试验。

4常用性能试验方法分析及对比

根据EPRITR-107397导则,常用的热交换器性能试验方法包括功能试验法、传热系数法、温度效应法、温差监测法、压降监测法及目视检查法,其中目视检查法一般作为一种直接的检查方法,故本文涉及的性能试验方法主要指传热系数法、温度效应法、功能试验法、温差监测法和压将监测法。

4.1功能试验法

用测量温度的方法对整个热交换器使用期间的性能下降提供一个指标,并与验收准则确定的温度进行比较。关键适用条件:

(1)试验工况必须与极限工况相近,试验工况包括质量流量、温度及热负荷等;

(2)验收准则明确要求以“感兴趣的温度”作为验收条件;

(3)试验工况必须为稳态工况。

4.2传热系数法

在试验工况下通过计算传热系数、热阻等参数确定热交换器的传热能力,并推算极限工况下的传热能力。关键适用条件:

(1)试验工况与极限工况流场状态保持不变;

(2)以热负荷或传热系数作为验收条件;

(3)试验工况必须为稳态工况。

4.3温度效应法

使用试验工况下的温度效应因子预计在已知参考点(极限工况、设计工况等)热交换器的温度指标,并与验收准则的温度进行比较。关键适用条件:

(1)试验工况与参考点工况的质量流量相同(偏差5%以内);

(2)试验工况与参考点工况都不能存在相变;

(3)试验工况必须为稳态工况。

4.4温差监测法

监测冷却流体感兴趣的温度和入口温度之间的关系来提供热交换器性能随时间降低的指标。

4.5压降监测法

与验收准则相同流量条件下监测热交换器的压降。

4.6目视检查法

定期对热交换器冷却流侧和工艺流侧的内件进行外观检查,也可根据检查结果实施纠正行动(如清洗)。传热系数法、温度效应法和功能试验法是最常用的性能试验方法,温差法及压降法一般用于性能监测。3种常用的性能试验方法的对比情况如表1所示。通过上表可以看出,3中最常用的性能试验方法均能定量评价热交换器的性能,传热系数法对试验工况的要求最低,适用范围最广。功能试验法和温度效应法对试验工况的要求高。

5性能试验方法选择流程

针对CDS系统中的13台需要进行性能试验的热交换器进行信息数据的收集与整理,然后进行分析,根据ASME标准第21卷内容,主要分析以下10个方面:

(1)验收准则是否以感兴趣的温度说明;

(2)设计事故下的流量和温度能否测得;

(3)试验工况是否稳态;

(4)传热系数法是否有足够精度;

(5)温度效应法是否有足够精度;

(6)设计事故下两侧流体的参数能否测得;

(7)在试验和设计事故工况下是否会产生相变;

(8)试验工况是否可重复和稳态;

(9)能否测得压力损失量;

(10)压力损失是否是换热器结垢很好的指标。以上10个方面的内容,再结合ASME标准,总结出以下性能试验方法选择流程:

6性能试验方法选择过程

用三门核电1号低压加热器A来举例说明性能试验方法的选择过程。

(1)热交换器功能说明。1号低压加热器利用汽轮机低压缸抽汽加热凝结水,以提高循环热效率。蒸汽进入加热器壳体流经换热管束外表面,加热管束里的水,其本身凝结成疏水经疏水管线排出加热器。凝结水经过入口水室流入换热管束后被蒸汽加热,由出口水室流出后完成加热过程。

(2)设计参数/极限工况如下表2所示。

(3)性能试验需要测量的参数如下表3所示。

(4)选择过程。根据第5节中的性能试验方法选择流程,按照下面的步骤进行分析:步骤1:验收准则是否以感兴趣的温度说明———N,进入步骤4:步骤4:传热系数法是否有足够精度———Y,进入步骤5;步骤5:试验工况是否稳态———Y,选择传热系数法。选择结果:传热系数法。

(5)选择结果。经过分析,凝汽器及低压加热器均可采用传热系数法进行定期性能试验。

7结论

本文通过分析CDS系统及PSS系统重要热交换器的相关参数,结合ASME标准,获得以下结论。

(1)CDS系统需要进行定期性能试验的热交换器有13台,分别是3台凝汽器及10台低压加热器,剩余2台除氧器不需要进行定期性能试验。PSS系统的两台取样冷却器不需要进行定期性能试验。

(2)CDS系统13台热交换器均可使用传热系数法进行定期性能试验。

参考文献:

[4]轻水反应堆核电厂热交换器的在役性能试验,ASME-OM第21篇,2004版.

[5]三门核电一期工程1&2号机组最终安全分析报告,第0版.

作者:曾道英 李青华 冯利法 孙浈 单位:国核电站运行服务技术有限公司

锅炉制造杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次
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