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易琳,戴天毅,张建涛

(中广核工程有限公司,深圳 2010)

摘 要:系统阐述核电站三回路的文章很少,本文以CPR1000核电机组为背景,围绕单台机组的三回路流程图,系统地介绍了三回路的主要系统和设备。

关键词:三回路;CPR1000;流程图;系统

The Third Loop of Nuclear Power Plant

Yi Lin, Dai Tian-yi, Zhang Jian-tao

(China Nuclear Power Engineering Co. Ltd, Shenzhen 2010)

Abstract: There are very few articles which systematically expatiate on the third loop of nuclear power plant. Taking the CPR1000 power units as an example, this article will concentrate on the flow diagram of the third loop of a single nuclear power unit and systematically introduce its main systems and equipments.
Keywords: the third loop; CPR1000; flow diagram; system

      核电站系统众多,管路错综复杂,但总体上可划分为以下三个回路:

􀂗 一回路:核电站的热源,通过核裂变产生热能,并把热能传送给二回路;

􀂗 二回路:通过汽轮发电机组把从一回路获得的热能转化为电能;

􀂗 三回路:核电站的最终热阱,排出一回路和二回路的热量,确保一回路和二回路安全运行,并冷却二回路的冷端使得二回路成为一个循环。

      在这篇文章中,你将了解核电站三回路的流程、系统及主要设备等方面的知识。当然,对不同的机组和循环冷却水排入环境的方式,三回路会略有不同,本文选取的背景是:CPR1000机组、循环冷却水排入大海。

1 概述

      本文是围绕核电站三回路流程图(图1.1)展开的,图1.1直观地体现了单台机组的三回路设备数量和系统流程,对在排水段存在的两个机组共用部分已在图中明确注明。

      图1.1纵横交错的线条或许会让你望而却步,你不妨先轻松浏览一下图1.2,然后再结合下面用文字表述的3个主要流程去细细品味图1.1和图1.3,这样会是一个轻松而有趣的过程:

      1) 循环水流程:1.大海→2.引渠→3.进水前池→4.粗格栅(带加氯装置)→5.闸门→6.细格栅(带清污机)→7.鼓网→8.CRF泵(循环水泵)→9. GD进水管廊→10.碎屑过滤器→11.凝汽器→12.GD排水管廊→13.CC井(虹吸井)→14.排水暗涵→15.大海(其中第4~7项属于循环水过滤系统)

      2) 重要厂用水流程:1.大海→2.引渠→3.进水前池→4.粗格栅(带加氯装置)→5.闸门→6.细格栅(带清污机)→7.鼓网→8.SEC泵→9. GA廊道→10.水生物捕集器→11. RRI/SEC热交换器→12.集水坑→13.GS廊道→14.CC井(虹吸井)→15排水暗涵→16.大海

      3) 辅助冷却水流程:1.大海→2.引渠→3.进水前池→4.粗格栅(带加氯装置)→5.闸门→6.细格栅(带清污机)→7.鼓网→8.CRF泵(循环水泵)→9. 辅助冷却水泵→10.自清洗过滤器→11. CVI/SEN与SRI/SEN热交换器→12.GD排水管廊→13.CC井(虹吸井)→14.排水暗涵→15.大海

      可以看出,以上3个主要流程的进水和排水部分是共用的,只有下划线部分不相同,三回路流程图主要涉及以下系统[1]:

      CFI-循环水过滤系统

      CRF-循环水系统

      SEC-重要厂用水系统

      SEN-辅助冷却水系统

      CTE-循环水处理系统

      CGR-循环水泵润滑系统

      SRI-常规岛闭路冷却水系统

      SEP-饮用水系统

      SAT-公用压缩空气分配系统

      SEO-电站污水系统

      JPP-消防水生产系统

      SEL-常规岛废液排放系统

      TER-废液排放系统

      RRI-设备冷却水系统

      CVI-凝汽器真空系统

      SRI-常规岛闭路冷却水系统

      三回路为核电站提供冷却水,需要配备大量的泵作为动力装置,对单台机组,三回路主要的泵配置情况如下:CRF泵2台(无备用泵),SEC泵4台(正常运行工况一用三备,启动工况两用两备),SEN泵4台(两用两备),CTE泵4台(两用两备),冲洗水泵4台(两用两备)。

2 循环水过滤系统(CFI)

      CFI的功能是过滤一台机组所需的全部海水,如图1.1,经CFI过滤后的海水用于CRF、SEC、SEN 、CTE,并用于JPP在紧急情况下的消防水池第二备用水源,CFI主要设备如下:

      􀂗 粗格栅:对海水(循环水)进行粗过滤,栅条间距为200mm,带加氯装置,加氯装置向海水注射次氯酸钠溶液以杀死海生物;

      􀂗 闸门:带有平衡阀的海水平板钢闸门,检修时使用;

      􀂗 细格栅和清污机:栅条间距为50mm,上方装有清污机,当细格栅前后压差达到一定值时清污机自动投入运行,对细格栅进行去污;

      􀂗 鼓网:鼓形旋转滤网的简称,过滤精度为3mm,直径很大,通常在19m左右,若通过中间轴驱动需要的驱动力很大,所以采用四周驱动的形式,每台鼓网的驱动机构配有两台低速电机和一台中/高速电机,正常工况下由一台低速电机(一台备用)驱动,当鼓网压力损失达到一定值时中/高速电机投入使用;鼓网设有冲洗水系统用以清洗网片,每台鼓配备两台冲洗水泵,冲洗水泵从SEC泵入口段吸水,冲洗水管布置在鼓网外部,冲洗水从上往下喷射;鼓网通常为两侧进水,中间排水。

      海水进入CFI之前要经过引渠和进水前池,引渠具有一定的挡波作用,进水前池用于调整流态,使进入CFI的海水流动均匀。

3 循环水系统(CRF)

      CRF的功能是通过两条独立的进水渠给每台机组的凝汽器和辅助冷却水系统(SEN)提供冷却水,并将循环水通过虹吸井排到大海中。

      从图1.1可以看出,CRF分为两个完全相同的系列,每个系列的循环水泵(CRF泵)承担着50%的循环水流量,无备用泵,海水(循环水)经循环水泵升压后沿GD进水管廊进入凝汽器入口水室,然后流经凝汽器冷却管束进入凝汽器出口水室,从凝汽器出来的循环冷却水进入GD排水管廊,然后流经CC井(虹吸井)和排水暗涵,最后排入大海。

      循环水泵是核电站流量最大的泵,具有惊人的液体输送能力,每小时可输送高达11万立方米的海水。如果把流量折合成单位每秒输送的海水重量,或许你会有更直观的感受,以阳江核电站为例,其循环水泵流量为30.8m³/s,相当于每秒输送重达31.7吨的海水!

      CRF系统主要包括以下设备:

      􀂗 循环水泵:立式混流泵,出水部分通常为混凝土蜗壳结构,驱动方式为电机经减速齿轮箱减速后驱动,其叶轮等主要部件采用双相不锈钢以耐海水腐蚀。泵轴密封正常运行工况采用填料密封,其填料密封水来自饮用水系统(SEP),检修时采用膨胀密封;

      􀂗 电机:立式交流异步电机,功率约6500kw,电机采用水冷,在电机侧壁设有换热器,由常规岛闭式冷却水系统(SRI)提供冷却水;

      􀂗 行星齿轮箱:减速机构,电动机通过输入轴(高速端)带动太阳轮,太阳轮则通过齿轮啮合传动带动行星轮,然后行星轮在转动过程中带动行星轮托架,最后由托架带动输出轴(低速端,与水泵相连)完成减速过程。在一定程度上行星轮的个数代表了齿轮箱的制造水平,进口齿轮箱行星轮个数通常为4个,国产齿轮箱通常为3个。齿轮箱由循环水泵润滑系统(CGR)提供润滑。

4 CGR系统

      循环水泵润滑系统(CGR)用于向循环水泵(泵轴下部径向轴承)、电机(顶部主推力轴承/径向轴承和下部径向轴承)、齿轮箱(齿轮和轴承)提供润滑油;CGR的主要设备包括电动辅助润滑油泵、机械油泵、双列过滤器、油冷却器等。机械油泵是CGR正常工况下的工作油泵,机械油泵固定在齿轮箱外壳上,由齿轮箱的辅助齿圈带动。电动油泵用于启泵或停泵阶段机械泵供油不足时维持系统油压,正常稳定运行时电动油泵停运。CGR冷却水源来自常规岛闭路冷却水系统(SRI)。

5 重要厂用水系统(SEC)

      SEC是核岛的最终热阱,无论在正常运行工况或事故工况下,SEC都能导出核岛设备冷却水系统(RRI)所传输的热量至海水中。

      由图1.1可以看出,每台机组分为A、B两个独立的系列,每个系列均由两台SEC泵并联从循环水过滤系统(CFI)吸入海水,A、B两个系列的进水母管通过一根连通管连通,连通管设置两个手动的隔离阀,当其中一列的进水母管不可用时隔离阀打开,此时两个系列共用一根进水母管。

      从SEC泵出来的海水经SEC管道(GA廊道)、水生物捕集器及两台并联的RRI/SEC热交换器后排入SEC集水坑,然后经溢流墙排入排水槽(GS廊道),再流经排水管后排入虹吸井(CC井)。从图1.1可以看出,一台机组的GS廊道与另外一台GS廊道相连通,当一台机组的GS廊道不可用时SEC排水可通过连通的混凝土管道从另一台机组的GS廊道排出,当两条GS廊道都不可用时SEC排水排入电站污水系统(SEO)

6 其他系统

      􀂗 辅助冷却水系统(SEN)

      SEN为常规岛闭路冷却水系统(SRI)和冷凝器真空系统(CVI)的冷却器提供过滤的冷却水。

      􀂗 循环水处理系统(CTE)

      CTE通过电解海水产生浓度为1ppm(每升海水一克)的NaClO溶液,用以保护与海水接触的系统设备(CFI,CRF,SEC)不受海洋生物污染。

      􀂗 饮用水系统(SEP)

      SEP为CRF泵和SEC泵提供轴封水,为消防水生产系统(JPP)提供水源。
      􀂗 消防水生产系统(JPP)

      生产消防用水,正常工况下由SEP供水,紧急情况下由生水系统(SEA)供水,在特别紧急的情况下可从SEC泵入口处取水。

      􀂗 常规岛闭路冷却水系统(SRI)

      为循环水泵电机和循环水泵润滑系统(CGR)提供冷却水。

      􀂗 公用压缩空气分配系统(SAT)

      为三回路的泵房提供检修用气,如为循环水泵膨胀密封气囊提供气源。

      􀂗 电站污水系统(SEO)

      收集污水,送至污水处理站处理后排放。

      另外,三回路还有电气、仪控、通风、通讯等系统。

7 淡水回路

      淡水回路的功能是为电站提供生产、生活及消防用水。

      如图1.3,生水系统(SEA)从淡水水库取水,过滤后的水用于除盐水生产系统(SDA),并作为消防水生产系统(JPP)第一备用水源。经SDA预处理后的水一部分供给饮用水系统(SEP),一部分用于SDA精处理。SDA精处理后的水供给核岛除盐水分配系统(SED)和常规岛除盐水分配系统(SER)。

      淡水回路与第三回路的主要接口关系是:CRF泵和SEC泵的轴封水正常工况下取自SEP,紧急工况取自SDA预处理后的水;JPP消防水池水源为SEP,第一备用水源为SDA;SEC两个系列取水母管由一连通管连通,该连通管的保养水来自SED。

      从SEA出来的水主要有三类杂质:胶体、悬浮物、阴阳离子。对胶体和悬浮物的处理属于预处理,胶体采用混凝处理(添加混凝剂使胶体凝固沉淀),悬浮物采用过滤处理;对阴阳离子的处理属于精处理,通过除盐床进行离子交换。

8 防腐与抗海生物要求

      1) 防腐

      要了解防腐措施,你应该先明白腐蚀的本质是什么?

      腐蚀的本质是回归自然。自然界的金属基本是以化合物的形式存在于矿石中,人为过程把矿石提炼成金属,在提炼过程中金属元素获取电子并吸收能量;自然过程使金属失去电子并释放能量,回到原来的化合物状态,这个过程就是腐蚀。以铁元素为例,人为提炼过程使得Fe2O3中的铁元素获取电子由Fe3+转变为Fe,自然的腐蚀过程又使得Fe失去电子回到Fe3+、Fe2+等离子的形态。

      自然的力量是如此巨大,腐蚀的过程不可逆转,我们只能采取以下防腐措施来延缓腐蚀的过程:

      a) 材料本身:选用双相不锈钢、高镍铸铁、钛材、衬胶等耐海水腐蚀的材料,这些材料在海水中不容易失去电子;

      b) 涂装重防腐涂料:金属在海水环境中容易失去电子,涂装环氧煤焦油沥青等重防腐涂料可以把金属和环境隔离开来;

      c) 电化学保护:采用阴极保护系统(CPA)和牺牲阳极块,以电流的方式给金属补充电子。例如,循环水过滤系统(CFI)在粗格栅、闸门导槽、细格栅、清污机、鼓网上通过辅助阳极与整流器相连,使设备的电位降低为阴极,从而获取电子得到保护;CFI闸门检修时使用,平时放置在闸门坑内,使用牺牲阳极块进行保护。

      2) 抗海生物

      为防止海水生物在设备和管道内滋生,由循环水处理系统(CTE)产生浓度为1ppm的NaClO溶液,通过加氯框的软管加入CFI与SEC(如图1.1),用以保护CFI、CRF、SEC与海水接触的设备。在设备安装等阶段,CTE与阴极保护系统(CPA)尚未投入使用,此时设备表面涂装防污漆用以抗海生物和防腐。

9 两个有趣的问题

      1) 过滤

      从图1.1可以看出,海水经CFI鼓网过滤后,又流经CRF和 SEC过滤器,这是不是意味着CRF和SEC的过滤器要比CFI鼓网的过滤精度高?

      答案是否定的,请看以下数据:CFI鼓网的过滤精度是3mm,CRF碎

      屑过滤器的过滤精度是5mm,SEC水生物捕集器的过滤精度是4mm。

      这时你或许会更加疑惑,似乎设置CRF和SEC过滤器是多此一举。如果你联想到水生物是可以生长的,那就豁然开朗了。

      哲学告诉我们,要以发展的眼光看问题。

      2) SEN泵

      我在画图1.2的时候,从对称的角度,感觉若没有SEN泵,系统会更加美观,于是诞生了一个没有科学依据的想法:SEN泵能不能取消?

      泵是动力装置,海水经CRF泵加能后又由SEN泵再次提供动力,这样似乎可以推断出SEN比CRF需要更多的动力;事实上SEN与CRF的设备位置高度相差不大,CRF泵提供的动力基本可以满足SEN需求。分析到这里的时候,我突然觉得最初那没有科学依据的想法已经发展成了一个科学设想,改进系统从而取消SEN泵真正成为了一种可能。

      为了进一步确认取消SEN泵在技术上是否可行,我查阅了相关资料,并与SEN方面的专业人士进行了交流,发现在三代和部分准三代的核电站中已经取消了SEN泵,这与我的设想不谋而合,虽然我没有参与到取消SEN泵的设计中,但同样让我惊喜莫名。

      事物的过程在想法诞生的时候就已经走过了一半。

      参考文献

      [1] 广东核电培训中心.900MW压水堆核电站系统与设备.原子能出版社.

 
 
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