劉翠波 王慧淵 劉敏華

（中廣核工程有限公司核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗室）

冷鏈換熱器是核電廠冷卻系統(tǒng)中的重要設(shè)備，在核電廠正常運(yùn)行和事故工況下，冷鏈換熱器將從設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI系統(tǒng)）收集的核島熱量傳遞給冷側(cè)的重要廠用水系統(tǒng)（SEC系統(tǒng)），最終熱量被輸送至最終熱阱——海水。

冷鏈換熱器的冷側(cè)流體為海水，取自核電廠所在廠址的毗鄰海域。冷鏈換熱器在設(shè)計之初，一般會根據(jù)取水海域海水自然水溫的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的修正，計算確定一個相對較高的溫度作為冷鏈換熱器的冷側(cè)海水入口溫度，即TSEC值［1］。TSEC決定著冷鏈換熱器的換熱驅(qū)動力——對數(shù)平均溫差的大小，在相同的設(shè)計熱負(fù)荷和熱側(cè)出口溫度限值條件下，TSEC越低，則冷鏈換熱器的對數(shù)平均溫差越大，換熱驅(qū)動力越大；TSEC越高，則換熱器的對數(shù)平均溫差越小，換熱驅(qū)動力越小。對于冷鏈換熱器而言，TSEC越高，則其熱工設(shè)計工況越惡劣，對冷鏈換熱器的換熱能力要求越高。

近幾十年來，隨著全球變暖的加速和極端高溫天氣的頻繁發(fā)生，濱海核電廠附近的海水溫度較核電廠設(shè)計之初有所升高［2］。另外，很多濱海核電廠在原有廠址上進(jìn)行擴(kuò)建，后續(xù)擴(kuò)建機(jī)組的溫排水也會升高核電廠周邊取水海域的海水溫度。海水溫度的升高會造成TSEC的升高，使冷鏈換熱器換熱的熱工工況趨于惡劣，可能造成冷鏈換熱器無法滿足冷卻系統(tǒng)的換熱要求，如在正常運(yùn)行工況下無法將RRI系統(tǒng)來水冷卻至RRI系統(tǒng)用戶換熱器要求的溫度之下，觸發(fā)機(jī)組狀態(tài)后撤，降低機(jī)組的可用率；在事故工況下，影響核島反應(yīng)堆剩余衰變熱量的導(dǎo)出，嚴(yán)重情況下會危及核安全。

因此必須對海水溫度上升引起的TSEC升高予以足夠重視，分析它對在運(yùn)核電廠冷鏈換熱器換熱能力的影響，并考慮應(yīng)對措施，提高冷鏈換熱器可接受的冷側(cè)海水入口溫度值。

1 T SEC升高對冷鏈換熱器換熱能力影響分析

1.1 冷鏈換熱器工況參數(shù)和設(shè)備參數(shù)

筆者以中國南方某濱海核電廠為例，分析TSEC較原設(shè)計值升高時對冷鏈換熱器換熱能力的影響。該冷鏈換熱器設(shè)計熱工參數(shù)如下：

熱負(fù)荷 30.6 MW

熱側(cè)流量 774.0 kg/s

冷側(cè)流量 818.4 kg/s

熱側(cè)出口溫度限值 38℃

冷側(cè)海水入口溫度TSEC33.5℃

換熱裕量 20.32%

國內(nèi)核電廠的冷鏈換熱器均為可拆式板式換熱器，該核電廠冷鏈換熱器設(shè)備參數(shù)如下：

板片數(shù)量 431

單板面積 2.954 m2

板片厚度 0.6 mm

板片材料 純鈦

形波紋角度 120°（H板）/60°（W板）

1.2 T SEC升高對冷鏈換熱器換熱裕量的影響

對于特定的熱工工況，表征冷鏈換熱器換熱能力的指標(biāo)為換熱裕量，其定義式［3］如下：

式中 Kclean——冷鏈換熱器在干凈條件下的總傳熱系數(shù)；

Krequired——冷鏈換熱器所需的總傳熱系數(shù)。

表1給出了隨著TSEC提高，冷鏈換熱器換熱裕量的變化情況。

表1 換熱裕量隨T SEC的變化情況

當(dāng)TSEC=33.5℃時，該冷鏈換熱器擁有20.32%的換熱裕量。隨著TSEC的逐漸升高，換熱裕量基本呈線性降低趨勢，當(dāng)TSEC升高至33.9℃時，換熱裕量為10.07%；當(dāng)海水溫度升高至34.3℃時，換熱裕量為-0.13%。

換熱裕量的高低在一定程度上影響著冷鏈換熱器的清洗頻率，一般情況下?lián)Q熱裕量越大，換熱器承受污垢的能力越強(qiáng)，換熱器的清洗頻率越低，反之，換熱裕量越小，則換熱器清洗頻率越高。由上述分析可知，TSEC的升高會降低冷鏈換熱器的初始換熱裕量，導(dǎo)致其板片耐污垢能力降低，從換熱器投運(yùn)到停運(yùn)（進(jìn)行清洗去污）的時間會縮短，即清洗頻率會升高。

根據(jù)工程經(jīng)驗，冷鏈換熱器的初始換熱裕量最小應(yīng)保持為10.00%。由表1可知，此時冷鏈換熱器的可以允許TSEC由33.5℃升高至33.9℃，當(dāng)然這是以降低冷鏈換熱器初始裕量為代價的，可能會造成換熱器清洗頻率的升高。

2 提高可接受冷側(cè)海水入口溫度值的措施

盡管通過降低冷鏈換熱器初始換熱裕量，可以在一定程度上增加冷鏈換熱器可接受的冷側(cè)海水入口溫度值，但該值較小，如上文分析僅為0.4℃，因此需要進(jìn)一步考慮其他工程手段，使冷鏈換熱器可接受冷側(cè)海水入口溫度值（定義為TSEC′）進(jìn)一步升高。筆者提出了4種應(yīng)對措施：增加板片數(shù)量；采用大角度波紋板片；增大冷側(cè)海水流量；提高熱側(cè)出口溫度限值。在采取上述措施時，均保持換熱器具有10.00%的換熱裕量。

2.1 增加板片數(shù)量

冷鏈換熱器的換熱器框架具備額外加裝一定數(shù)量（板片數(shù)量的20%～30%）板片的空間，因此可以考慮在現(xiàn)有的換熱器上直接增加板片數(shù)量，以增強(qiáng)換熱能力，使TSEC′升高。

圖1給出了冷鏈換熱器TSEC′隨板片數(shù)量增加百分比的變化曲線。隨著板片數(shù)量的增加，TSEC′值逐漸增大，當(dāng)板片數(shù)量增加30%時（板片數(shù)量為561片），TSEC′為34.35℃，相比不加裝板片時的33.90℃增長了0.45℃。

圖1 T SEC′隨板片數(shù)量增加百分比的變化曲線

增加板片數(shù)量，雖然增加了換熱面積，使冷鏈換熱器換熱能力增強(qiáng)，但由于過流通道數(shù)量增加，板間流速將隨之降低，導(dǎo)致膜傳熱系數(shù)降低，最終降低了冷鏈換熱器的總傳熱系數(shù)：當(dāng)板片數(shù)量增加30%時，總傳熱系數(shù)約降低了14%。但從總體上看，換熱面積的增加最終使換熱器換熱能力得到了增強(qiáng)。

2.2 采用大角度波紋板片

該冷鏈換熱器采用了兩種板片，分別是大角度波紋板片（H板）和小角度波紋板片（W板）。通過2種板片不同組合，可形成3種不同性能的流道，即高流阻流道（HH流道）、中流阻流道（HW流道）和低流阻流道（WW流道）。在板間相同的當(dāng)量流速下，HH流道紊流程度最強(qiáng)，因此傳熱能力強(qiáng)，流阻大；WW流道紊流程度最弱，其傳熱能力弱，流阻?。籋W流道的傳熱能力和流阻則處于中間水平［1］。

該冷鏈換熱器的流道全部是HW流道，即換熱器板片組中的板片是H板和W板交替布置，形成HW流道。為了增強(qiáng)冷鏈換熱器的換熱能力，可將部分流道調(diào)整為HH流道，即構(gòu)成HH+HW的流道匹配模式（圖2）。

圖2 流道組合（HH+HW）

圖3給出了不同HH流道數(shù)量占比下TSEC′的變化曲線。隨著HH流道數(shù)量占比的增加，冷鏈換熱器總傳熱系數(shù)逐漸增大，TSEC′逐漸增大。當(dāng)HH流道占比達(dá)到100%時，其耐受海水溫度增長至34.75℃，相比全部為HW流道時的33.90℃增長了0.85℃。

圖3 T SEC′隨HH流道數(shù)量占比的變化曲線

由上述計算可知，將冷鏈換熱器的部分流道調(diào)整為HH流道可以有效提高TSEC′，但HH流道的流阻較大，隨著HH流道占比的增長，冷鏈換熱器的壓損也將增大，全部采用HH流道的壓損是全部采用HW流道的約2倍。冷鏈換熱器壓損的增大勢必會增大整個SEC系統(tǒng)的系統(tǒng)阻力，導(dǎo)致海水流量的降低，因此該方案需要進(jìn)行系統(tǒng)水力核算，核實(shí)海水流量的降低程度。

2.3 增大冷側(cè)海水流量

增加冷鏈換熱器冷側(cè)的海水流量，將增大冷側(cè)的膜傳熱系數(shù)，進(jìn)而增加換熱器的總傳熱系數(shù)，增強(qiáng)換熱能力。圖4給出了TSEC′隨海水流量增加的變化曲線，隨著海水流量的增加，TSEC′逐漸增大，當(dāng)海水流量增加25%時（對應(yīng)流量為1 023 kg/s），TSEC′增長至34.98℃，較基準(zhǔn)流量（818.4 kg/s）時的33.90℃增長了1.08℃。

圖4 T SEC′隨海水流量增加百分比的變化曲線

增加冷鏈換熱器冷側(cè)的海水流量，TSEC′的升高較為明顯。但冷側(cè)流量是否可增加，需要從泵的揚(yáng)程裕量、取水口水位、SEC系統(tǒng)管路配置和管路設(shè)備的臟污程度進(jìn)行深入分析計算，進(jìn)而確定可行的方案。

2.4 提高熱側(cè)出口溫度限值

通過上述手段可在一定程度上提高TSEC′值，但由于冷鏈換熱器的端差很小，如冷鏈換熱器在設(shè)計工況下為4.5℃，這從根本上制約了TSEC′的提升程度，使用上述措施，最高可從33.50℃提升至34.98℃，極限情況下也僅增加約1.48℃。若可以升高冷鏈換熱器熱側(cè)的出口溫度限值，則可以從根本解決冷鏈換熱器換熱驅(qū)動力低的問題。如圖5所示為TSEC′隨熱側(cè)出口溫度限值的變化曲線，隨著熱側(cè)出口溫度限值的提高，TSEC′基本呈線性增長。

圖5 T SEC′隨熱側(cè)出口溫度限值的變化曲線

熱側(cè)出口溫度限值受RRI系統(tǒng)各用戶對RRI系統(tǒng)水溫要求的制約，若提高該溫度，則需要對核島二回路的設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的各個用戶進(jìn)行換熱計算，確保滿足各個用戶換熱器的換熱要求。

3 結(jié)束語

濱海核電廠的海水溫升給核電廠在正常運(yùn)行和事故情況下熱量向最終熱阱——大海的傳輸帶來了現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)。海水溫升將導(dǎo)致TSEC升高，惡化冷鏈換熱器的熱工工況參數(shù)，為了有效應(yīng)對海水溫升導(dǎo)致TSEC升高的影響，提出了4種提高TSEC′值的初步措施，均可以在一定程度上提高TSEC′值，但也存在一定制約條件，尚需對各種措施進(jìn)行深入分析，濱海核電廠可根據(jù)各自的具體情況考慮實(shí)施的可行性。