CPR1000核電站常規(guī)島熱力系統(tǒng)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)改進(jìn)

吳家凱

（廣東省電力設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510663）

嶺澳核電站二期工程（2×1 000MW）是國(guó)內(nèi)首個(gè)自主設(shè)計(jì)的百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站,該電站采用的是二代加核電技術(shù)CPR1000。本工程汽輪發(fā)電機(jī)組采用的是東方電氣—ALSTOM聯(lián)合體提供的半速機(jī)（1 500 r/min）。目前,3號(hào)機(jī)于2010年9月20日投產(chǎn),4號(hào)機(jī)組處于調(diào)試階段。

1 CPR1000常規(guī)島熱力系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

CPR1000核電站常規(guī)島熱力系統(tǒng)包括兩部分：主機(jī)（TG）系統(tǒng)和TG以外系統(tǒng)。其主要熱力系統(tǒng)包括：凝結(jié)水抽取系統(tǒng)（CEX）、低壓給水加熱器系統(tǒng)（ABP）、給水除氧器系統(tǒng)（ADG）、電動(dòng)主給水泵系統(tǒng)（APA）、高壓給水加熱器系統(tǒng)（AHP）、給水流量控制系統(tǒng)（ARE）、主蒸汽管道系統(tǒng)（VVP）、汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)（GCT）和汽水分離再熱器系統(tǒng)（GSS）。

1.1 凝結(jié)水抽取系統(tǒng)

其功能是根據(jù)除氧器的供水要求,將凝汽器中的凝結(jié)水輸送到ABP系統(tǒng)。主要特點(diǎn)是：①熱井里設(shè)置了吸附式濾網(wǎng),可過(guò)濾金屬顆粒,因此在凝泵入口可不另設(shè)濾網(wǎng);②軸封加熱器采用部分容量,僅15%額定凝結(jié)水流經(jīng)軸加,其他水流經(jīng)軸加并列管道,可大大減小軸加設(shè)備;③精處理裝置容量是全容量,其旁路是采用無(wú)閥旁路系統(tǒng),精處理裝置投入使用時(shí),裝置中的升壓泵的流量是110%額定凝結(jié)水流量;④凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥采用2× 100%配置,但正常運(yùn)行是2個(gè)閥一起調(diào)節(jié),1個(gè)閥故障另1個(gè)單獨(dú)調(diào)節(jié)可滿足額定流量要求。

1.2 低壓給水加熱器系統(tǒng)

其功能是利用汽輪機(jī)抽汽加熱從CEX系統(tǒng)輸送來(lái)的凝結(jié)水后送入除氧器,提高機(jī)組的熱效率。主要特點(diǎn)是：①采用雙列低壓加熱器,每列通過(guò)一半流量,當(dāng)某列加熱器隔離時(shí),另一列加熱器維持50%凝結(jié)水量;②同一抽汽口抽汽同時(shí)向A/B列加熱器供汽時(shí),僅在抽汽母管上設(shè)置一個(gè)氣動(dòng)止回閥,在分支管上不設(shè)止回閥;③1號(hào)、2號(hào)低加和3號(hào)、4號(hào)低加各配置二級(jí)旁路,第一級(jí)旁路采用電動(dòng)旁路,第二級(jí)旁路采用彈簧旁路,當(dāng)?shù)谝患?jí)旁路閥因故不能及時(shí)打開(kāi)時(shí),壓降增大到設(shè)定值時(shí),第二級(jí)旁路閥自動(dòng)打開(kāi),確保繼續(xù)供水;④抽汽管道的疏水采用自動(dòng)疏水器和電動(dòng)旁路組合型式疏水系統(tǒng),疏水可靠性高。

1.3 給水除氧器系統(tǒng)

其功能是除去凝結(jié)水中的氧氣,加熱凝結(jié)水,收集各路疏水并貯存一定容積的水,可維持3.5 min的緊急供水量。主要特點(diǎn)是：①有一組旁路蒸汽（占12.4%新蒸汽總量）排至除氧器,適當(dāng)減少去凝汽器的旁路容量（占72.6%新蒸汽總量）;②抽汽管采用兩級(jí)止回閥,同時(shí)在抽汽管至除氧器接口前設(shè)置平衡管（主要針對(duì)STORK技術(shù)除氧器）,防止機(jī)組甩負(fù)荷工況除氧器中的水流至汽輪機(jī)中;③設(shè)置啟動(dòng)用除氧器再循環(huán)泵,可加快并更均勻地加熱除氧器中的水,加快除氧器啟動(dòng)過(guò)程。

1.4 電動(dòng)主給水泵系統(tǒng)

其功能是將除氧器中的水升壓后送往核島蒸汽發(fā)生器（SG）。主要特點(diǎn)是：①采用3×50%電動(dòng)液耦調(diào)節(jié)給水泵;②備用泵出口隔離閥保持常開(kāi)狀態(tài),在某臺(tái)運(yùn)行泵突然跳泵后,可加快備用泵向核島蒸汽發(fā)生器SG供水,盡量減少因跳泵導(dǎo)致SG的失水量;③給水泵本身并不要求設(shè)置暖泵系統(tǒng),為盡量保持備用泵的進(jìn)出口管道中的水與除氧器中水的溫度和水質(zhì)基本一致,實(shí)現(xiàn)在某臺(tái)運(yùn)行泵跳泵后備用泵啟動(dòng)后向SG供水的溫度可基本保持不變,設(shè)置了給水泵暖泵系統(tǒng);④每臺(tái)泵的給水再循環(huán)管道采用2路,每路上設(shè)置開(kāi)關(guān)型調(diào)節(jié)閥和節(jié)流孔板配置來(lái)減壓。

1.5 高壓給水加熱器系統(tǒng)

其功能是利用汽輪機(jī)抽汽加熱高壓給水以滿足核島SG要求的給水溫度。主要特點(diǎn)是：①采用雙列高壓加熱器,正常運(yùn)行時(shí)每列通流50%流量,但每列高加的最大通流量為65%總流量,旁路容量為35%,這樣配置可適當(dāng)減少因某列高加故障被隔離后主給水的溫降幅度,滿足核島SG的最大給水溫降要求;②同一抽汽口向A/B列加熱器供汽時(shí),僅在抽汽母管上設(shè)置一個(gè)氣動(dòng)止回閥,在分支管上不設(shè)止回閥,可滿足汽輪機(jī)防進(jìn)水要求;③高壓加熱器設(shè)置2級(jí)旁路,第1級(jí)旁路采用電動(dòng)旁路,第2級(jí)旁路采用彈簧旁路,當(dāng)?shù)?級(jí)旁路閥因故不能及時(shí)打開(kāi)時(shí),壓降增大到設(shè)定值時(shí),第2級(jí)旁路閥自動(dòng)打開(kāi),確保供水繼續(xù)。

1.6 給水流量控制系統(tǒng)

其功能是通過(guò)調(diào)節(jié)給水調(diào)節(jié)閥組以滿足核島SG的供水流量和壓力要求。主要特點(diǎn)是：①每個(gè)給水調(diào)節(jié)閥組包括一個(gè)90%容量主調(diào)節(jié)閥和一個(gè)15%容量的旁路調(diào)節(jié)閥;②每路給水調(diào)節(jié)閥組對(duì)應(yīng)一個(gè)蒸汽發(fā)生器,根據(jù)對(duì)應(yīng)SG的水量需求調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)閥,但若機(jī)組負(fù)荷率變化,主給水流量主要是調(diào)節(jié)給水泵來(lái)實(shí)現(xiàn);③當(dāng)負(fù)荷率≤15%時(shí),僅旁路調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟并調(diào)節(jié);當(dāng)負(fù)荷率＞15%時(shí),旁路調(diào)節(jié)閥保持全開(kāi),由主調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)流量;④每路給水管線上設(shè)置有文丘里流量計(jì)和孔板流量計(jì),前者用于正常運(yùn)行時(shí)的流量測(cè)量,后者用于性能試驗(yàn)時(shí)的流量測(cè)量。

1.7 主蒸汽管道系統(tǒng)

其功能是將核島1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)蒸汽發(fā)生器提供的主蒸汽收集后分配到汽輪機(jī)和MSR等處。主要特點(diǎn)是：①3個(gè)蒸汽發(fā)生器對(duì)應(yīng)4個(gè)主汽門(mén),所以需采用蒸汽聯(lián)箱來(lái)收集和分配主蒸汽流量;②由于凝汽器擴(kuò)散器（DIFFUSER）在凝汽器的循環(huán)水進(jìn)出口兩側(cè),而且CPR1000的旁路容量大（72.6%）,旁路閥數(shù)量多（12個(gè)）,故采用2根旁路聯(lián)箱來(lái)分配旁路蒸汽量;③由于主蒸汽接近于飽和蒸汽（0.47%濕度）,為滿足疏水要求,設(shè)置自動(dòng)疏水器和電動(dòng)旁路閥組合型式自動(dòng)疏水,可靠性高。

1.8 汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)

其功能是將蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的比汽輪機(jī)進(jìn)汽量多的蒸汽及時(shí)排到凝汽器中,防止SG汽側(cè)超壓;主要特點(diǎn)是：①去凝汽器的旁路容量為總蒸汽量的72.6%,共設(shè)置了12個(gè)旁路閥;②GCT系統(tǒng)的旁路閥分為3組來(lái)控制,第1組有3個(gè)旁路閥,第2組有6個(gè)旁路閥,第3組有3個(gè)旁路閥,同一組閥門(mén)是同時(shí)啟閉的,具體打開(kāi)幾組閥門(mén)根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行工況（主要是多余蒸汽的數(shù)量）來(lái)確定;③常規(guī)島的第4組旁路閥有3個(gè)旁路閥,是排至除氧器的,占新蒸汽量的12.4%。

1.9 汽水分離再熱器系統(tǒng)

其功能是對(duì)高壓缸排汽進(jìn)行除濕和加熱,提高汽輪機(jī)通流部件的安全性和蒸汽在中低壓缸中作功能力。主要特點(diǎn)是：①每臺(tái)機(jī)組采用左右對(duì)稱的2套MSR除濕和加熱系統(tǒng),并列運(yùn)行;②每套MSR系統(tǒng)的蒸汽加熱包括一級(jí)和二級(jí)加熱。把含濕量約15%的蒸汽加熱到超過(guò)90℃過(guò)熱度的蒸汽;③MSR的殼側(cè)疏水經(jīng)疏水罐收集后由疏水泵打入凝結(jié)水系統(tǒng)中,一、二級(jí)加熱汽的疏水經(jīng)疏水罐分別收集后自流到高壓加熱器的汽側(cè),各疏水箱均設(shè)置高水位危急疏水至凝汽器;④MSR有臥式和立式2種型式,但目前國(guó)內(nèi)CPR 1000核電基本采用臥式型式;⑤MSR允許一級(jí)加熱器隔離后繼續(xù)運(yùn)行。

2 CPR 1000常規(guī)島熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)項(xiàng)

嶺澳核電站二期工程是國(guó)內(nèi)首個(gè)自主化設(shè)計(jì)的CPR1000核電,設(shè)計(jì)參考電站是嶺澳核電站一期工程。但與嶺澳一期工程相比,二期常規(guī)島設(shè)計(jì)已進(jìn)行了多項(xiàng)重大設(shè)計(jì)改進(jìn),主要如下。

2.1 汽輪發(fā)電機(jī)組由全速機(jī)（3 000 r/min）改進(jìn)為半速機(jī)（1 500 r/m in）

核電站的主蒸汽是帶一定濕度（約0.5%）的飽和蒸汽（6.43 MPa,280℃）,由于單位質(zhì)量蒸汽的作功能力小,所以百萬(wàn)千瓦級(jí)核電所需的主蒸汽流量非常大（1 613.4 kg/s）,因此要求汽缸的通流面積比較大。嶺澳一期采用的是全速機(jī),由于受動(dòng)葉葉根應(yīng)力極限制約,低壓缸末級(jí)葉片只能采用長(zhǎng)945mm的末級(jí)葉片,為滿足通流面積要求,必須配置3個(gè)低壓缸。而嶺澳二期工程由于采用了半速機(jī),低壓缸可采用長(zhǎng)達(dá)1 430 mm的末級(jí)葉片,因此配置2個(gè)低壓缸就可滿足通流要求。此改進(jìn)可降低葉片的應(yīng)力水平,提高安全性,同時(shí),可縮短主廠房的一個(gè)低壓缸長(zhǎng)度（約10 m）,節(jié)省了土建投資。

2.2 汽動(dòng)給水泵改進(jìn)為電動(dòng)調(diào)速給水泵

嶺澳一期給水泵配置有2臺(tái)汽動(dòng)給水泵和1臺(tái)電動(dòng)給水泵,2用1備。二期配置了3臺(tái)50%調(diào)速給水泵。在壓水堆核電站中,由于主蒸汽參數(shù)低,小汽輪機(jī)的效率要比常規(guī)火電低,而且核電站電動(dòng)給水泵功率小,約占發(fā)電總功率1%（火電約占2%）,且核電站汽輪機(jī)采用半速機(jī)后,末級(jí)葉片可選用長(zhǎng)葉片。低壓缸的排汽面積足夠大,低壓缸的排汽余速損失已大大減小,采用汽動(dòng)泵的效率優(yōu)勢(shì)已不明顯。但是,與改進(jìn)后的電動(dòng)給水泵方案比較,原方案小汽輪機(jī)需配置供汽和排汽管道及潤(rùn)滑和控制用油等配套系統(tǒng),整個(gè)給水系統(tǒng)配置復(fù)雜,布置設(shè)計(jì)占用空間較大。因此,此項(xiàng)設(shè)計(jì)改進(jìn)可大大簡(jiǎn)化給水系統(tǒng)的配置,優(yōu)化了主廠房布置設(shè)計(jì),減少了初投資,提高了給水系統(tǒng)的可靠性。

2.3 主廠房布置由一期的分散多區(qū)域小平臺(tái)改進(jìn)為大平臺(tái)布置

嶺澳一期各層采用的是分散多區(qū)域小平臺(tái)布置方式,通道彎曲且高低不同,這種布置方式給日常運(yùn)行巡查和機(jī)組檢修帶來(lái)不便。嶺澳二期工程采用常規(guī)火電大平臺(tái)設(shè)計(jì)理念,除個(gè)別區(qū)域受某個(gè)因素制約而必須單獨(dú)設(shè)置一個(gè)標(biāo)高外,零米層、中間層、運(yùn)轉(zhuǎn)層和除氧器基本都實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一大平臺(tái)布置方式。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證,主廠房布置改進(jìn)后更方便運(yùn)行和檢修,也更整齊美觀。

2.4 主機(jī)大部分部件和多數(shù)輔機(jī)已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化

嶺澳二期汽輪發(fā)電機(jī)組主要由東方電氣集團(tuán)公司設(shè)計(jì)和供貨,汽輪機(jī)僅低壓缸轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)僅轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁系統(tǒng)等部件委托ALSTOM制造;除給水泵和凝結(jié)水泵為進(jìn)口外,多數(shù)主要輔機(jī)如高低壓加熱器、除氧器、閉冷水泵、低加疏水泵、輔助冷卻水泵和主行車等設(shè)備均采用了國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品;除調(diào)節(jié)閥和少量高參數(shù)隔離閥進(jìn)口外,多數(shù)閥門(mén)如閘閥、截止閥、止回閥、蝶閥和隔膜閥等約80%總數(shù)量的閥門(mén)均為國(guó)產(chǎn)閥門(mén);更值得一提的是,嶺澳二期主給水和主蒸汽管道采用的新型材料WB36 CN1,以及凝結(jié)水管道采用的20+Cr材料都是國(guó)內(nèi)企業(yè)新研制成功的,包括這兩種新型材料在內(nèi)常規(guī)島采用的管道和管件全部為國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品,嶺澳二期工程整體國(guó)產(chǎn)化率已達(dá)70%左右。

3 結(jié)束語(yǔ)

CPR1000核電站常規(guī)島熱力系統(tǒng)與常規(guī)火電站比較特點(diǎn)明顯不同。要做到自主化設(shè)計(jì),需在深入研究消化參考電站原設(shè)計(jì)前提下,堅(jiān)持精益求精、持續(xù)改進(jìn)的設(shè)計(jì)理念,堅(jiān)持走國(guó)產(chǎn)化之路,不斷提高熱力系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性,為CPR1000核電在國(guó)內(nèi)快速發(fā)展創(chuàng)造條件。