CN113109386B - 一种ap1000核电站板式热交换器热态性能验收方法 - Google Patents
一种ap1000核电站板式热交换器热态性能验收方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种AP1000核电站板式热交换器热态性能验收方法,包括以下步骤,步骤一:安装完成主体设备;步骤二:仪器仪表准备,测量验收所需参数;步骤三:工艺系统参数到达试验条件,在该条件下温度和压力保持基本恒定;步骤四:记录一组数据;步骤五:热平衡分析;步骤六:换热效率分析,计算厂家UA值和试验UA值;如果试验UA值和厂家计算UA值偏差在10%以内,换热效率分析分析通过,验收通过;如果厂家UA值大于试验UA值10%,设备性能优于技术规格要求,换热效率分析可以接受,验收通过;如果厂家UA值小于试验UA值10%,验收不通过。
Description
技术领域
本发明涉及一种AP1000核电站板式热交换器热态性能验收方法,属于热交换设备技术领域。
背景技术
核电站在完成建安工程后,需要进行一次冷态功能试验CFT和热态功能试验HFT,并根据设计要求的验收方法进行验收。热态功能试验验收合格作为核电站装料许可的重要前提条件。AP1000核电站泛指国家引进的一种第三代核电站及其后续改进型号。
AP1000核电站板式热交换器热态性能验收要求,板式换热器在核电厂热态功能试验时,记录板式热交换器相关的参数,如图1所示参数共6个,包括板式换热器热侧的3个数据温度TIN、Tout和流量Qh,冷侧的3个数据温度tIN、tout和流量Qc。通过这6个数据计算出UA值,将此试验工况下UA值和设计要求UA值比较,如果大于设计要求UA值为合格。
板式热交换器是一种通过板片将冷水侧和热水侧隔离并传热,通过垫片构造出不同流道的换热器,换热器的特点是机构紧凑,占地面积小,换热效率高。在同一工况下可以用UA值来表征板式换热器的换热能力。
UA值是一个表征换热器板式换热器换热能力或换热效率的数值,这个数值除了和板式换热器的构造,包括板片的型式、数量等有关外,还和试验板式换热器冷水和热水进口的水温和流速有关。
UA值定义为热交换器实际交换的单位时间内热量除以冷热两侧的温差,各侧温度见图2,计算公式见下式:
UA=传热量÷冷热侧的有效温差=Q÷ΔT
其中ΔT由于冷热两侧共有4个温度值,因此一般用对数温差来表征冷侧两侧温差,公式如下:
ΔT=(UTTD-LTTD)/ln(UTTD/LTTD)
UTTD=TIN-tout
LTTD=Tout-tIN
其中:
ΔT——冷热两侧对数温差℃
TIN——热水侧进口水温℃
Tout——热水侧出口水温℃
tIN——冷水侧进口水温℃
tout——冷水侧出口水温℃
目前,关于板式热交换器的验收标准只有GB/T 27698.3-2011“热交换器及传热元件性能测试方法第三部分:板式热交换”。该标准规定了板式热交换器在厂内测试工况下的传热和流体阻力性能试验方法。
测试工况是指热流体温度为50℃,冷流体温度为30℃,冷热两侧流体速度在0.5m/s,在3.2.3.4中规定“根据用户需求和设备特征也可协商确定测试工况”,规范要求测试的板片一般在7片以上。
上述AP1000核电站板式热交换器热态性能验收过程中存在的技术问题有两个,一个是原设计中要求用现场热试工况下的UA值和设计要求UA值比较是不合适的,而设计要求UA值需要的设计工况热试又无法达到。三种工况及UA值计算见表1。二是目前没有在热试状态下验收板式热交换器的规范。
计算输入 | 计算公式 | |
设计要求UA值 | 设计工况 | 对数温差公式 |
设备设计UA值 | 设计工况 | 设备设计公式 |
现场热试UA值 | 热试工况 | 对数温差公式 |
表1:三种UA值的比较
首先说明一下第一个技术问题,相同工况下(热侧和冷侧入口温度,热侧和冷侧的流量共4个参数),不同的板式热交换器的UA值可以反映该设备的换热能力,UA值越大换热能力也越大。
相同的设备在不同工况(4个参数,两侧入口温度和两侧流量)下的UA值是不同的,即其换热能力的表征数据是不同的。从定性分析角度来说,不同的入口温度下水的黏滞系数和比热容是不同的,温差越大差别越大;还有不同的流量也导致表面换热系数变化。这些都导致设备换热能力的变化,原热试状态下验收板式热交换器的设计文件没有考虑到这个问题。
从定量的分析通过研究板式热交换器设备设计公式可以看出,换热能力和传热膜系数h及换热面积成正比。而换热系数h的计算见下图:
其中:
h——传热膜系数(W/m2*k)
λ——导热系数(W/m*k)
De——名义直径(m)
Re——雷诺数
Pr——普朗特数
C、n、m——经验参数,根据试验或经验确定
G——单侧质量流量(kg/m2*s)
ns——流道数
μ——粘滞系数(Pa*s)
Cp——比热容(J/(kg*k))
K——总传热系数(W/m2*k)
可以看出,板片换热系数h和黏滞系数μ,比热熔Cp,雷诺数Re都是有关系的。而黏滞系数μ和比热容Cp是和温度相关的,雷诺系数Re是和流速是直接相关的。由此可以得出,同一设备在不同的工况下会呈现不同的换热能力数据,用现场热试工况下的UA值和设计要求UA值比较是不合适的。
第一个技术问题被说明,现有的设计要求用现场热试工况下的UA值和设计要求UA值比较是不合适的。第二个技术问题就提出了,即,如何在核电站热试状态下验收板式热交换器。
第二个技术问题是AP1000核电站在热试中遇到的实际问题,调研中没有发现有成熟的验证方法以及国家标准规范。相近规范是上文提到的GB/T 27698.3-2011“热交换器及传热元件性能测试方法第三部分:板式热交换”。该规范适用于设备厂家在试验中获取某种板片的经验参数。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有技术热态性能验收方法无法正确验收热交换器真实热态性能。
为了解决上述技术问题,本发明的技术方案是提供了一种AP1000核电站板式热交换器热态性能验收方法,其特征在于,包括以下步骤,
步骤一:安装完成,AP1000核电站板式热交换器本体,工艺管道施工完成,热交换器冷侧和热侧的泵安装就位,电气仪控回路施工完成,完成工艺管道压力试验,完成电气仪控回路试验,完成设备单体调试。
步骤二:仪器仪表准备,测量验收所需六个参数,包括板式热交换器的热侧三个数据温度TIN、Tout和流量Qh,冷侧的三个数据温度tIN、tout和流量Qc,参数含义为:
TIN——热水侧进口水温℃
Tout——热水侧出口水温℃
tIN——冷水侧进口水温℃
tout——冷水侧出口水温℃;
步骤三:工艺系统参数到达试验条件,在该条件下温度和压力保持基本恒定;
步骤四:记录一组数据,在热交换器冷侧和热侧流量稳定后,记录一组数据,包括冷热两侧进口温度和流量共六个数据;
步骤五:热平衡分析,计算热交换器冷侧得到的热量和热侧失去的热量,得热失热差异在5%之内,达到标准通过热平衡分析,可以进入下一步,没有达到需要重复步骤一至步骤四,调整工艺配置,检查仪表工作;
步骤六:换热效率分析,将热交换器冷侧和热侧进口温度和流量中的四个参数给设备厂家,设备厂家根据设备设计模型计算剩余两个参数,使用该六个参数计算得到厂家UA值;同时,使用试验得到的全部六个参数计算得到试验UA值;如果试验UA值和厂家计算UA值偏差在10%以内,换热效率分析分析通过,验收通过;
如果厂家UA值大于试验UA值10%,说明厂家设备设计模型保守,设备性能优于技术规格要求,换热效率分析可以接受,验收通过;
如果厂家UA值小于试验UA值10%,说明厂家设备设计模型不保守,需要根据试验提供的参数再次调整设备设计模型,并根据设备设计模型重新设计板式热交换器,验收不通过。
作为可选步骤,还包括步骤七:设备改造,在步骤六换热效率分析没有通过时,通过设备改造提高换热效率,设备改造完成后再重复步骤六的换热效率分析。
其中,所述步骤三中,试验条件具体为反应堆冷却系统温度稳定在290-292℃,压力稳定在15.41Mpa左右。
附图说明
图1为板式换热器UA值计算模型示意图;
图2为AP1000核电站板式热交换器热态性能验收流程示意图;
具体实施方式
为使本发明更明显易懂,兹以优选实施例,并配合附图作详细说明如下。
实施例
本实施例具体阐明AP1000核电站板式热交换器热态性能验收方法,该方法考虑到了设计单位的工艺设计和设备选型,板式热交换器设备设计的计算过程,以及核电站在热试状态的具体工艺过程。提出了一种三方都能接受的,反映板式热交换器实际性能的方法。
该方法的核心是通过对设备厂家设备设计模型的验收来验收设备,具体的做法是,在热试工况下得到一组数据(热侧和冷侧出入口温度,热侧和冷侧的流量共6个参数),这些数据中2个出口温度是冗余的。通过提供一部分数据给设备厂家,厂家将这些数据带入到期设备设计计算模型中得到其余数据。将厂家计算数据和现场试验数据对比,从而判定厂家计算模型的正确性,从而推断在设计工况下设备性能指标能达到厂家计算数值,详细步骤见图2。
图中的验收流程工作分两个阶段,第一阶段是验证现场试验仪器阶段,这项工作的目的是保证数据的准确性,方法是通过对比板式热交换器两侧的参数。得热侧和失热侧的热量差异在5%之内,这样保证了数据的可信,如果没有达到要求,需要校表后重新读取一组数据。
第二阶段是设备设计模型验证阶段,传递热试数据6个值中的4个给设备厂家(冷热两侧进口温度和流量),冷热两侧的出口温度不提供而用于验证。厂家拿到4个参数后利用设备设计模型(一组公式包括经验参数)计算冷热两侧出口温度及UA值,计算值提供给核电站工程师用于热试实际得到的两侧出口温度及UA值比较,差异在10%之内为可接受,认为其设备设计模型有效。
最后,明确一下判定接受的判断逻辑,因为厂家的设备设计模型是考虑了各种工况的。在设备设计阶段,利用设备设计模型在设计工况下设计出传热能力UA值是可以达到设计要求的设备。上述方法就是通过在热试工况下的一组数据验证了该设备设计模型,从而确信该现场设备可以在设计工况下达到厂家设计的UA值。
下面给出验收方法的具体步骤:
该方法从工作准备到分析结论的得出共7个步骤,其中步骤七是可选的步骤,这些步骤包括:
步骤一:安装完成
对于核电项目来说,项目各阶段的控制需要文件的支持,只有工程阶段结束,相关土建工艺等工作全部完成,试验相关的系统全部从工程管理部门移交到调试部门,相关的性能试验才能开始。
对于本方法来说就是,AP1000核电站板式热交换器本体,相关的工艺管道施工完成,热交换器冷侧和热侧的泵已经安装就位,相关电气仪控回路施工完成。工艺管道完成压力试验,电气仪控已经完成回路试验,设备完成单体调试。
步骤二:仪器仪表准备
围绕本方法需要从试验中得到的6个参数,包括2个流量参数和4个温度参数,还有,为了保证两侧压力不超设计限制,每侧需要设置压力表。总共需要8台共3种仪表,仪表在线或临时设置都可以,具体要求如下:
序号 | 仪表类型 | 量程 | 精度 | 分辨率 | 数量 |
1 | 流量表 | 0-4000M3/Hr | 1.5% | 1KPa | 2 |
2 | 温度表 | 0-50℃ | 0.1% | 0.1℃ | 4 |
3 | 压力表 | 0-0.1MPa | 0.5% | 1KPa | 2 |
步骤三:工艺系统参数到达试验平台
工艺参数到达试验平台指主工艺系统的参数达到一定值,在该平台下温度和压力基本保持恒定,可以开展一些试验活动。对于核电站来说,这个平台是指反应堆冷却系统RCS在正常运行温度和压力(NOT/NOP)的状态。一般温度稳定在290-292℃,压力稳定在15.41Mpa左右。
需要说明的是上述平台给出了主工艺系统的参数,本方法涉及的冷却系统在该平台下,可以得到稳定的热负荷用于完成试验,且对本方法来说是最接近设计工况的外部试验条件。
步骤四:记录一组数据
在达到上述试验平台后且热交换器冷侧和热侧流量稳定后,记录一组数据,包括冷热两侧进口温度和流量共6个数据。
步骤五:热平衡分析
该分析用于判断上述试验数据的可用性。理论上,热交换器冷侧得到的热量和热侧失去的热量应该是相等的。但实际试验过程中,因为工艺管道及阀门问题,仪表问题造成上述得热和失热有偏差,不平衡。
可用性判断的标准是得热失热差异在5%之内,达到标准通过热平衡分析,可以进行下一步分析。没有达到需要调整工艺配置,检查仪表等工作,使得热和失热平衡。
步骤六:换热效率分析
上述热平衡分析达到标准后,各个仪表的读数可以满足换热效率的分析。将热交换器冷侧和热侧进口温度和流量4个参数给设备厂家,设备厂家根据设备设计模型计算两侧出口温度2个参数。用现有技术中UA的计算公式带入4个试验参数及2个计算参数,得到厂家计算UA值。
同时,用全部试验得到的6个参数代入第二章中的公式得到试验UA值。如果试验UA值和厂家计算UA值偏差在10%以内,分析通过。
如果厂家计算UA值大于试验UA值10%,说明厂家设备设计模型太保守,设备性能大大优于技术规格书要求,换热效率分析可以接受。
如果厂家计算UA值小于试验UA值10%,说明厂家设备设计模型不够保守,需要根据试验提供的参数再次调整设备设计模型,并根据设备设计模型重新设计板式热交换器,对于板式热交换器一般通过增加换热板片来提高换热效率。
步骤七:设备改造
本步骤是可选项,是在换热效率分析没有通过时,需要通过设备改造来提高提高换热效率的情况。需要在现场开展一系列工作,工作完成后再重复步骤六的分析工作。
该AP1000核电站板式热交换器热态性能验收方法的提出有重大的意义。首先,该问题的提出是在AP1000核电站的热试阶段,热试阶段完成后就进入装料阶段,后续进入临界和商业运行阶段。该方法的提出解决制约装料的重要技术问题,给装料许可证的取得扫清了障碍。
目前,该AP1000核电站板式热交换器已经运行超过了一个燃料循环(18个月),运行状态良好。用实际效果证明了该AP1000核电站板式热交换器热态性能验收方法,为后续机组适用该方法提供了有效输入。
Claims (2)
1.一种AP1000核电站板式热交换器热态性能验收方法,其特征在于,包括以下步骤,
步骤一:安装完成,AP1000核电站板式热交换器本体,工艺管道施工完成,热交换器冷侧和热侧的泵安装就位,电气仪控回路施工完成,完成工艺管道压力试验,完成电气仪控回路试验,完成设备单体调试;
步骤二:仪器仪表准备,测量验收所需六个参数,包括板式热交换器的热侧三个数据温度TIN、Tout和流量Qh,冷侧的三个数据温度tIN、tout和流量Qc,参数含义为:
TIN——热水侧进口水温℃
Tout——热水侧出口水温℃
tIN——冷水侧进口水温℃
tout——冷水侧出口水温℃;
步骤三:工艺系统参数到达试验条件,在该条件下温度和压力保持恒定;所述步骤三中,试验条件具体为反应堆冷却系统温度稳定在290-292℃,压力稳定在15.41Mpa;
步骤四:记录一组数据,在热交换器冷侧和热侧流量稳定后,记录一组数据,包括冷热两侧进口温度和流量共六个数据;
步骤五:热平衡分析,计算热交换器冷侧得到的热量和热侧失去的热量,得热失热差异在5%之内,达到标准通过热平衡分析,进入下一步,没有达到需要重复步骤一至步骤四,调整工艺配置,检查仪表工作;
步骤六:换热效率分析,将热交换器冷侧和热侧进口温度和流量中的四个参数给设备厂家,设备厂家根据设备设计模型计算剩余两个参数,使用该六个参数计算得到厂家UA值;同时,使用试验得到的全部六个参数计算得到试验UA值;如果试验UA值和厂家计算UA值偏差在10%以内,换热效率分析分析通过,验收通过;
如果厂家UA值大于试验UA值10%,说明厂家设备设计模型保守,设备性能优于技术规格要求,换热效率分析可以接受,验收通过;
如果厂家UA值小于试验UA值10%,说明厂家设备设计模型不保守,需要根据试验提供的参数再次调整设备设计模型,并根据设备设计模型重新设计板式热交换器,验收不通过。
2.根据权利要求1所述的AP1000核电站板式热交换器热态性能验收方法,其特征在于,还包括步骤七:设备改造,在步骤六换热效率分析没有通过时,通过设备改造提高换热效率,设备改造完成后再重复步骤六的换热效率分析。
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