核電站冷鏈系統設冷水出水溫度調節方法與流程

本發明屬于核電站熱量排出領域，更具體地說，本發明涉及一種核電站冷鏈系統及其設冷水出水溫度調節方法。

背景技術：
核電站冷鏈系統由設備冷卻水系統(即CCS或RRI)和廠用水系統(即SWS或SEC)組成，設備冷卻水系統收集核電站中用戶需要導出的熱量(包括衰變熱、設備排熱等)，然后利用換熱器與廠用水系統的冷卻水換熱，再通過廠用水系統將熱量傳遞到環境中，從而保障核島中的設備和系統都處于適當的工作參數范圍內。由于輸送的熱量中包括停堆堆芯衰變熱、乏燃料水池余熱、主泵等核心安全設備的熱量，因此只有安全可靠地排出這些熱量，才能夠避免核電站意外停機，從而保障核安全，并提高設備壽命及經濟效益。由于一年中環境溫度的變化幅度很大，使得廠用水系統中冷卻水的冷卻能力變化很大，而且設備冷卻水系統的用戶眾多，用戶熱負荷變化幅度也很大，所以有必要通過適當的方式對設冷水的出水溫度進行調節，使其保持在設定溫度范圍內；尤其是在低溫廠址中，設冷水的溫度調節更是必要需求。請參閱圖1，為了對設冷水的出水溫度進行調節，現有某些核電站機組在其廠用水系統中增設了一條不經過換熱器10的大口徑旁通支路12。該旁通支路12與換熱器10的冷側并聯，當冷卻水溫度降低導致設冷水溫度低于最低水溫時，打開旁通支路12上的旁通閥14來降低換熱器10的冷卻水側流量，達到調高設冷水出水溫度的目的。但是，由于旁通閥14是大口徑閥門，當環境溫度大幅變化時，尤其是在冷卻水溫度極低的情況下，旁通閥14的微量變化都會引起設冷水出口溫度的大幅變化，易于造成設冷水出水溫度超出要求范圍(低于要求的最低水溫15.6℃，或高于最高水溫37.8℃)，從而對核電站的設備造成沖擊，影響核電站的安全穩定運行，甚至危及核安全。另外，還有一些核電站機組在冷鏈系統換熱器的冷側和熱側分別設置旁通支路，通過同時調節換熱器兩側設冷水和冷卻水流量的方式，達到控制換熱的目的。但是，兩側調節換熱器流量的控制過程比較復雜，而且由于冷鏈系統用戶眾多，控制設冷水流量會對用戶造成更大的影響，以致在冷卻水低溫時會存在一定的設冷水結冰風險。有鑒于此，確有必要提供一種能夠滿足設冷水出水溫度控制需求的核電站冷鏈系統及其設冷水出水溫度調節方法。

技術實現要素：
本發明的目的在于：提供一種能夠滿足設冷水出水溫度控制需求的核電站冷鏈系統及其設冷水出水溫度調節方法，以實現在不影響設冷水流量的情況下對其出水溫度進行精確調節。為了實現上述發明目的，本發明提供了一種核電站冷鏈系統，其包括通過換熱器進行換熱的設備冷卻水系統和廠用水系統；設備冷卻水系統位于換熱器的熱側，利用設冷水收集用戶需要導出的熱量；廠用水系統位于換熱器的冷側，通過冷卻水將熱量傳遞到熱阱中，其包括進水管、換熱器冷側和出水管，進水管和出水管分別將換熱器冷側的兩端連接至熱阱，從而在熱阱和換熱器冷側之間形成冷卻回路；所述廠用水系統還包括一個進水旁路和一個出水旁路，兩個旁路均繞過換熱器而連接在進水管和出水管之間，且進水旁路在進水管和出水管上的接入點分別位于出水旁路在進水管和出水管上的接入點上游。作為本發明核電站冷鏈系統的一種改進，所述進水旁路上設有順流進水調節閥，出水旁路上設有順流出水調節閥；所述進水管在位于進水旁路和出水旁路的兩個接入點之間的管段上設有逆流進水調節閥，出水管在位于進水旁路和出水旁路的兩個接入點之間的管段上設有逆流出水調節閥。作為本發明核電站冷鏈系統的一種改進，所述出水旁路包括至少兩條設有不同口徑順流出水調節閥的并聯支路。作為本發明核電站冷鏈系統的一種改進，所述逆流出水調節閥、順流出水調節閥均采用PID控制開閉速率，PID以設冷水在換熱器熱側的入口溫度變化值與熱側流量值的乘積作為控制參數，并根據此乘積值的變化快慢來控制相關閥門的開閉速率。作為本發明核電站冷鏈系統的一種改進，所述進水管上設有冷卻水泵，進水旁路在進水管上的接入點位于冷卻水泵下游。作為本發明核電站冷鏈系統的一種改進，所述進水管上還設有進水調節主閥，出水管上設有出水調節主閥；進水旁路在進水管上的接入點位于進水調節主閥的下游，出水旁路在出水管上的接入點位于出水調節主閥的上游。作為本發明核電站冷鏈系統的一種改進，所述進水調節主閥和出水調節主閥中的一個或兩個為電動調節閥。作為本發明核電站冷鏈系統的一種改進，所述冷卻水泵為變頻泵。為了實現上述發明目的，本發明還提供了一種核電站冷鏈系統設冷水出水溫度調節方法，其冷鏈系統為上述任一段落所述的冷鏈系統，調節方式為：1)當環境溫度高于低溫臨界值時，廠用水系統通過進水管、換熱器冷側和出水管，采用逆流換熱模式對設備冷卻水系統的設冷水進行冷卻；2)當環境溫度降低到等于或低于低溫臨界值時，廠用水系統通過不同管路上的閥門切換，通過進水旁路、換熱器冷側和出水旁路，采用順流換熱模式對設備冷卻水系統的設冷水進行冷卻；當環境溫度回升至高于低溫臨界值時，再通過閥門切換將廠用水系統由順流換熱模式切換回逆流換熱模式。作為本發明核電站冷鏈系統設冷水出水溫度調節方法的一種改進，所述進水管上還設有位于進水旁路接入點上游的進水調節主閥，當廠用水系統切換到以順流換熱模式運行時，通過進水調節主閥的開度或冷卻水泵的變頻功能將廠用水系統的流量調節為額定流量的設定比例，實現設冷水出水溫度的粗調。作為本發明核電站冷鏈系統設冷水出水溫度調節方法的一種改進，所述出水管在位于進水旁路和出水旁路的兩個接入點之間的管段上設有逆流出水調節閥，當廠用水系統以順流換熱模式運行時，通過逆流出水調節閥與出水旁路上設置的順流出水調節閥的配合調節，來控制換熱器冷側的冷卻水流量。作為本發明核電站冷鏈系統設冷水出水溫度調節方法的一種改進，所述出水旁路包括至少兩條設有不同口徑順流出水調節閥的并聯支路；當廠用水系統以順流換熱模式運行時，首先關閉較小口徑的順流出水調節閥，采用較大口徑的順流出水調節閥對換熱器冷側的冷卻水流量進行調節；當環境溫度繼續變冷，以致較大口徑順流出水調節閥已關小至最低設定比例時，設冷水出水溫度仍舊低于最低設定值，則打開較小口徑順流出水調節閥并關閉較大口徑順流出水調節閥，改為采用較小口徑的順流出水調節閥對換熱器冷側的冷卻水流量進行調節。與現有技術相比，本發明核電站冷鏈系統通過在傳統廠用水系統中增設兩條簡單的旁路，使廠用水系統能夠在低溫下由逆流換熱模式切換為順流換熱模式，從而有效地防止設冷水結冰風險。附圖說明下面結合附圖和具體實施方式，對本發明核電站冷鏈系統、設冷水出水溫度調節方法及其有益效果進行詳細說明。圖1為現有核電站冷鏈系統的結構示意圖。圖2為本發明核電站冷鏈系統的結構示意圖。具體實施方式為了使本發明的發明目的、技術方案及其有益技術效果更加清晰，以下結合附圖和具體實施方式，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解的是，本說明書中描述的具體實施方式僅僅是為了解釋本發明，并非為了限定本發明。請參閱圖2，本發明核電站冷鏈系統包括通過換熱器20進行換熱的設備冷卻水系統30和廠用水系統。設備冷卻水系統30位于換熱器20熱側，其利用設冷水收集用戶需要導出的熱量，并通過換熱器20將熱量傳遞給廠用水系統，再將降低到合適溫度的設冷水提供給用戶。廠用水系統位于換熱器20的冷側，其通過冷卻水將熱量傳遞到環境中。廠用水系統包括進水管40、換熱器20的冷側和出水管42，進水管40和出水管42分別將換熱器20冷側的A、B兩端連接至熱阱44，從而在熱阱44和換熱器20冷側之間形成冷卻回路。進水管40上設有冷卻水泵400、進水調節主閥402和冷卻水過濾器404，出水管42上設有出水調節主閥420。為了便于實現冷卻水流量調節，冷卻水泵400優選為變頻泵，進水調節主閥402和出水調節主閥420優選為電動調節閥。為了在低溫下保證換熱器20熱側設冷水的出水溫度，本發明還在廠用水系統中設置了兩個繞過換熱器20連接在進水管40和出水管42之間的旁路46、48。其中，進水旁路46在進水管40和出水管42上的接入點C、D分別位于出水旁路48在進水管40和出水管42上的接入點E、F上游，也就是說，接入點E位于CA管段上，接入點D位于BF管段上。進水旁路46在進水管40上的接入點C位于冷卻水泵400和進水調節主閥402的下游，出水旁路48在出水管42上的接入點F位于出水調節主閥420的上游。進水旁路46上設有順流進水調節閥460；出水旁路48上設有兩個并聯的順流出水調節閥480、482，其中，順流出水調節閥480為大口徑調節閥，順流出水調節閥482為小口徑調節閥。進水管40位于進水旁路46和出水旁路48的兩個接入點C、E之間的管段上設有逆流進水調節閥406，出水管42位于進水旁路46和出水旁路48的兩個接入點D、F之間的管段上設有逆流出水調節閥426。本發明核電站冷鏈系統對設冷水出水溫度進行調節的方法為：1)逆流換熱：當環境溫度高于低溫臨界值15℃(環境低溫臨界值是指按照常規逆流換熱方法不能保證設冷水出水溫度在設定范圍內的環境溫度臨界值，通常為15℃)時，關閉順流進水調節閥460、大口徑順流出水調節閥480、小口徑順流出水調節閥482，打開進水調節主閥402、逆流進水調節閥406、逆流出水調節閥426、出水調節主閥420，通過40、42以常規逆流方式對設備冷卻水系統30的設冷水進行冷卻；此工況下，進水調節主閥402、出水調節主閥420為全開，利用廠用水系統的最大能力，來保證設備冷卻水系統30在最大熱負荷時，設冷水出水溫度小于要求的最高水溫；2)大口徑順流換熱：當環境溫度由熱變冷，廠用水溫度降低到15℃時，關閉逆流進水調節閥406、逆流出水調節閥426，打開順流進水調節閥460、大口徑順流出水調節閥480，將系統的換熱模式切換為大口徑順流換熱，并通過進水調節主閥402或冷卻水泵400的變頻功能將冷卻水流量調節到額定流量的設定比例(例如50％左右，此比例可以變化，具體設定以能夠保證調整后的流量足以排出最大熱負荷為準)，實現設冷水出水溫度的粗調；之后，即可根據廠用水溫度的變化及熱負荷的變化，通過監測設備監測到的換熱器熱側進出口溫度，來調節大口徑順流出水調節閥480和逆流出水調節閥426的開度(逆流出水調節閥426的開度通常也為固定比例，主要調節大口徑順流出水調節閥480)，使設冷水出水溫度保持在最佳出水溫度25℃上下波動，保證不超過設定范圍18～32℃(設定范圍是為確保設備冷卻水系統用戶正常工作而設定的設冷水溫度，通常為18～32℃，但也可以根據實際情況有所調整，例如設定為20～30℃等)；具體來說，若環境溫度降低或熱負荷減小，通過緩慢開大逆流出水調節閥426及關小大口徑順流出水調節閥480來調小經過換熱器20冷側的冷卻水流量，反之，若環境溫度升高或熱負荷增大，則通過緩慢關小逆流出水調節閥426及開大大口徑順流出水調節閥480來調大經過換熱器20冷側的冷卻水流量；若環境溫度升高到高于低溫臨界值15℃，則切換回逆流換熱模式；3)小口徑順流換熱：當環境溫度繼續變冷，以致大口徑順流出水調節閥480已關小至最低設定比例(根據大口徑順流出水調節閥480的的靈敏度及小口徑順流出水調節閥482的口徑進行設定，一般為10％)時，設冷水出水溫度仍舊低于最低設定值18℃，則打開小口徑順流出水調節閥482，同時緩慢地將大口徑順流出水調節閥480完全關閉，切換到小口徑順流換熱模式；此工況下，根據廠用水溫度的變化及熱負荷變化，通過調整小口徑順流出水調節閥482的開度使設冷水出水溫度保持在最佳出水溫度25℃上下波動，保證不超過設定范圍18～32℃；具體來說，若環境溫度降低或熱負荷減小，通過緩慢關小小口徑順流出水調節閥482來調小經過換熱器20冷側的冷卻水流量，反之，若環境溫度升高或熱負荷增大，則通過緩慢開大小口徑順流出水調節閥482來調大經過換熱器20冷側的冷卻水流量，若小口徑順流出水調節閥482全開設冷水出水溫度仍舊高于最高設定值32℃時，則緩慢打開大口徑順流出水調節閥480，同時緩慢地將小口徑順流出水調節閥482完全關閉，即切換為大口徑順流換熱模式。為了使換熱器20的輸熱能力隨用戶熱負荷的變化更趨平穩，避免設冷水溫度的大幅振蕩，本發明采用PID(比例積分微分控制器)進行控制，以設冷水在換熱器20熱側的入口溫度變化值與熱側流量值的乘積，作為PID控制的參數，并根據此乘積值的變化快慢來控制逆流出水調節閥426、大口徑順流出水調節閥480、小口徑順流出水調節閥482、進水調節主閥402等閥門的開閉速率，因此更能適應用戶投入退出而引起的熱負荷大幅度變化。通過以上描述可知，本發明通過在核電站冷鏈系統獨創性地設計了多方式、多梯級地組合溫度控制方式，通過將廠用水系統的換熱模式由逆流換熱切換為順流換熱，提高設冷水出水溫度并防止設冷水結冰風險；在熱阱44低溫下，利用進水管40上的進水調節主閥402或冷卻水泵400的變頻功能對設冷水出水溫度進行初步的粗調，并利用并聯的大口徑及小口徑順流出水調節閥480、482對設冷水出水溫度系統進行精確梯級調節；根據換熱器輸入熱量采用PID控制，使系統運行更趨平穩；以上組合調控方式使冷鏈系統對熱阱低溫具有了更大范圍的適應能力，從而徹底解決了涵蓋環境溫度變化范圍內及用戶熱負荷變化范圍內的所有運行工況的控制，避免了控制盲區及可能發生的設冷水溫度大幅振蕩，達到了期望的控制精度，使系統的運行更加平穩可靠。與現有技術相比，本發明核電站冷鏈系統至少具有以下優點：1)采用多方式綜合調節，實現冷鏈系統參數的適應性調節：通過順逆流換熱模式切換、系統冷卻水流量控制粗調、大小口徑流量細調等多種方式的綜合調節，增強對換熱器20換熱能力的更大范圍的精確控制，使冷鏈系統能夠適應更廣泛的廠址溫度變化及熱負荷變化，有效避免單一方式的局限性及控制震蕩；2)有效防止換熱器20凍結風險：在廠用水溫度低于零度的廠址，在冷鏈系統運行或備用時，由于廠用水溫度太低，可能會造成換熱器20設冷水側局部結冰，造成設備損壞或系統故障無法投運，影響核電站可用性而造成經濟損失，甚至出現核安全風險；本發明在低溫下將逆流換熱模式切換為順流換熱，可以有效地防止設冷水結冰風險；3)多路節流控制增強系統調節能力：在環境溫度及熱負荷大范圍變化時，尤其是在廠用水溫度較低的情況下，少量的冷卻水流量變化都會造成換熱量大幅度變化，本發明根據需要設定兩路或多路并聯的口徑不同的換熱器20冷卻水流量控制支路，從而實現精確的換熱器冷側流量調節，達到控制換熱量的目的，保證了設冷水出水溫度能夠達到要求，使系統的運行更加平穩可靠；4)僅調節廠用水系統流量，不對設備冷卻水系統的設冷水流量進行調節：為了避免從設冷水側調節流量導致對眾多用戶產生影響，本發明僅從冷卻水側實施控制，主要通過改變逆流順流換熱方式、系統冷卻水流量控制方式(采用系統節流閥或變頻泵實現)、換熱器多支路旁流方式的組合，對廠用水系統流量進行調節；5)結構簡單：本發明僅需在傳統廠用水系統中增設兩條旁路46、48和幾個閥門，結構相對簡單；6)控制方式靈活可靠：本發明采用簡單、可靠的全自動控制，避免手動調節滯后和誤動作造成不能達到控制要求的問題；同時，采用PID控制，讓換熱器20熱側入口溫度變化速率參與閥門的調節，使控制更加合理，更能適應用戶投入退出而引起的熱負荷大幅度變化。根據上述說明書的揭示和教導，本發明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行適當的變更和修改。因此，本發明并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式，對本發明的一些修改和變更也應當落入本發明的權利要求的保護范圍內。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本發明構成任何限制。