核電機組中對除氧器的性能要求

劉 熙

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

1 概 述

目前，600MW以上的國內(nèi)火電機組中，最常見的除氧器主要有內(nèi)置噴霧一體式除氧器、淋水盤有頭式除氧器和淋水盤一體化除氧器。

內(nèi)置噴霧一體式除氧器是將加熱蒸汽通過進口接管，引到蒸汽分配管，然后再分至各蒸汽鼓泡管，加熱蒸汽被引至除氧器水箱下部，蒸汽從鼓泡管上的小孔排出，加熱除氧水箱中的給水。一部分蒸汽在加熱給水的過程中凝結(jié)成水，而另一部分蒸汽從液面溢出，與噴嘴噴出的霧狀給水進行熱交換，將給水加熱到對應(yīng)壓力下的飽和溫度。在除氧器水箱上部汽空間，除去了凝結(jié)水中含氧量的70%～80%，然后在水箱下部完成對給水的最終除氧。

淋水盤有頭式除氧器最早出現(xiàn)于上世紀60年代，至今已有幾十年的運行實踐，為 HEI標準《STANDARDS and TYPICAL SPECIFICATION for TRAY YPE DEAERATORS》第七版唯一推薦型式［1］（HEI標準第六版則涵蓋了所有型式的熱力除氧器）。

淋水盤有頭式除氧器是將除氧頭中給水，通過彈簧小噴嘴霧化后，與自下而上的加熱蒸汽接觸，完成初步除氧。然后通過散水裝置進入除氧淋水盤，與自下而上的逆流蒸汽充分接觸完成深度除氧。經(jīng)過深度除氧的給水，通過除氧頭與除氧水箱之間的接管進入除氧水箱。

淋水盤一體化除氧器出現(xiàn)于上世紀的90年代，基本結(jié)構(gòu)與淋水盤有頭式除氧器相似。

內(nèi)置噴霧一體式除氧器和淋水盤一體化除氧器沒有除氧頭，降低了設(shè)備高度，節(jié)約了土建成本，避免了水箱上部因安裝除氧頭而造成的集中載荷，使筒體應(yīng)力大為減小，降低了筒體產(chǎn)生應(yīng)力裂紋的可能性，由于具有這些優(yōu)勢，已成為除氧器的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)以內(nèi)置噴霧一體式除氧器與淋水盤一體化除氧器進行對比分析。

2 核電站常規(guī)島汽輪機旁路系統(tǒng)

在常規(guī)火電機組中，不論采用一級大旁路系統(tǒng)、二級串聯(lián)旁路系統(tǒng)，還是三級旁路排放系統(tǒng)，當鍋爐與汽輪機負荷不匹配時，多余的蒸汽都是通過旁路系統(tǒng)排向凝汽器。核電機組的汽輪機旁路系統(tǒng)（GCT）分為兩大部分，分別為向凝汽器、除氧器排放的GCT－c部分和向大氣排放的GCT－a部分。其中的GCT－c部分與常規(guī)火電中的一級大旁路系統(tǒng)類似，區(qū)別在于部分蒸汽需要排向除氧器，而GCT－a作為GCT－c不可用時的應(yīng)急手段，從而保證核反應(yīng)堆的安全停堆。

GCT－c旁路排放閥分為4組，總排放能力為主蒸汽流量（1613.4kg／s）的85%。其中前3組，共有12個旁路排放閥，將蒸汽排向凝汽器，排放量為主蒸汽流量的72.6%，第4組有3個旁路排放閥，將蒸汽排向除氧器，排放量為主蒸汽流量的12.4%。在負荷變化較大時，汽輪機旁路系統(tǒng)需要開啟第4組旁路排放閥，向除氧器排放主蒸汽：

（1）由滿功率甩負荷至廠用電；

（2）滿功率時，汽輪機脫扣而不緊急停堆；

（3）滿功率時，汽輪機脫扣同時反應(yīng)堆緊急停堆。

GCT－c旁路排放閥受核島控制信號的控制，核島控制信號可超越常規(guī)島控制信號，但當常規(guī)島凝汽器或除氧器不可用時，可閉鎖核島的控制信號。

當?shù)?組旁路排放閥開啟時，向除氧器排放的主蒸汽通過抽汽管道排入除氧器，流量為主蒸汽流量的12.4%，約200kg／s，排放時間為50s。在排放過程中，需要考慮除氧器內(nèi)部壓力上升的問題。

3 主蒸汽排入時除氧器內(nèi)的壓力變化

由于淋水盤一體化除氧器的加熱蒸汽由汽空間進入，蒸汽不是直接接觸水箱中的水進行熱交換，而內(nèi)置噴霧一體式除氧器的加熱蒸汽由鼓泡管引入水箱下部，能夠與水箱中的水進行充分的熱交換，故2種結(jié)構(gòu)的除氧器采用第2組旁路系統(tǒng)進行排放時，內(nèi)部壓力的變化曲線存在很大的差異。

以某核電站甩負荷到廠用電時為例：

（1）除氧器的正常運行壓力為0.9344MPa，除氧器設(shè)計壓力1.45MPa，除氧器有效容積410m3（正常液面到出水管頂部之間的水容積），總?cè)莘e為710m3。

（2）0～50s內(nèi)，第4組旁路排放閥在核島控制信號的控制下，在2s內(nèi)由全關(guān)至全開，向除氧器排放主蒸汽，旁路排放的主蒸汽焓值h＝2773kJ／kg。

（3）50s后，第4組旁路排放閥關(guān)閉，常規(guī)島控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)閥引入主蒸汽，控制除氧器壓力下降速率小于0.25MPa／min，可防止給水泵汽蝕，最終將除氧器壓力維持在0.27MPa下穩(wěn)定運行。

根據(jù)核島蒸汽發(fā)生器（STEAM GENERATOR）水位控制的要求，汽輪機甩負荷至廠用電時，進出除氧器的工質(zhì)流量變化曲線，如圖1所示。

圖1 甩負荷時進出除氧器的工質(zhì)流量變化曲線

考慮凝結(jié)水在管道內(nèi)的流動時間（與管道布置密切相關(guān)），以及凝汽器到除氧器之間管道和設(shè)備的熱容量，從汽輪機甩負荷開始，進入除氧器的凝結(jié)水溫度變化曲線，如圖2所示。

經(jīng)過計算，內(nèi)置噴霧一體式除氧器在汽輪機甩負荷時壓力變化曲線，如圖3所示。

而淋水盤一體化除氧器壓力變換曲線，如圖4所示。

由除氧器壓力變化曲線可以看出，在核電站汽輪機甩負荷的工況下，淋水盤一體化除氧器內(nèi)壓力將迅速上升，5s左右將達到除氧器的設(shè)計壓力，這會造成安全閥動作。內(nèi)置噴霧一體式除氧器壓力上升比較緩和，在整個排放過程中，除氧器內(nèi)部壓力不會超過設(shè)計壓力。究其原因，主要是內(nèi)置噴霧一體式除氧器的結(jié)構(gòu)使得旁路排放的主蒸汽能夠與水箱中的水進行充分的熱交換，當除氧器壓力升高時，原來處于飽和狀態(tài)的水在新的壓力下成為了不飽和水，將大量吸收主蒸汽的熱能，從而緩解除氧器內(nèi)部壓力的上升，而淋水盤一體化除氧器缺少吸熱過程。由簡單計算可知，當410m3的水由除氧器正常運行壓力下的飽和溫度，加熱到設(shè)計壓力下的飽和溫度的過程中，需要吸收的熱量為3.2×107kJ，相當于旁路主蒸汽在50s內(nèi)帶入的熱量。

4 設(shè)備及系統(tǒng)改進建議

4.1 淋水盤一體化除氧器本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

可以考慮在淋水盤一體化除氧器的水箱內(nèi)，布置類似于內(nèi)置噴霧式除氧器的鼓泡管結(jié)構(gòu)，將正常加熱除氧的蒸汽管道和進行旁路排放的蒸汽管道分開設(shè)置，正常運行時，加熱蒸汽仍通入除氧器的汽空間。旁路排放時，利用鼓泡管結(jié)構(gòu)將旁路蒸汽引入水箱的水中，利用水進行消能，鼓泡管不承擔正常運行時的除氧功能。鼓泡管由進汽母管、分配支管、擴散器（消能裝置）、防振支架等結(jié)構(gòu)組成。

在鼓泡管的設(shè)計中需要考慮：

（1）合理設(shè)計鼓泡管上的開孔數(shù)量、開孔直徑和孔間距，降低排放時產(chǎn)生的噪聲。蒸汽在水下噴注時，噪聲主要由兩部分組成，一是高速蒸汽噴射時產(chǎn)生的湍流噴注噪聲；二是由于溫度較高的蒸汽與溫度較低的工質(zhì)接觸時產(chǎn)生相變而引起的汽液相變噪聲。經(jīng)研究得出3個結(jié)論，（a）噴注噪聲A聲壓級和噴嘴處的汽流速度存在正比關(guān)系，即A聲壓級隨蒸汽流量的增加而增大；（b）盡管噴嘴孔徑對蒸汽噴注噪聲的影響不明顯，但孔徑大小可明顯改變噴注噪聲A聲壓級曲線的形狀和最大聲壓級出現(xiàn)的位置；（c）較小的孔間距有利于降低蒸汽水下噴注噪聲。

（2）在水空間均勻布置鼓泡管，以充分利用除氧水箱中給水的消能作用，避免因為加熱不均出現(xiàn)溫度梯度。

（3）鼓泡管需要保證足夠的剛度，當設(shè)計鼓泡管的一端為自由端時，需要考慮在鼓泡管的中下部，增焊防振角鋼，可減少運行中管道產(chǎn)生的振動。

（4）正常運行時，鼓泡管的水下部分充滿了水，當旁路蒸汽進入鼓泡管時，強行將水從鼓泡管的開孔中排出。由于水在鼓泡管內(nèi)流動阻力較大，在旁路排放的初期，鼓泡管內(nèi)的壓力將呈現(xiàn)上升趨勢，鼓泡管的設(shè)計壓力要高于除氧器的設(shè)計壓力。

4.2 核電站中汽輪機旁路系統(tǒng)優(yōu)化

當百萬千瓦級核電機組的汽輪機發(fā)電機組采用全速機時，由于壓水堆核電站主蒸汽參數(shù)低、流量大的特點，汽輪機的低壓缸末級葉片高度達到了945mm，已接近了當時材料設(shè)計的極限（現(xiàn)可達1200mm）。因受排汽面積的限制，當背壓降低到一定程度（阻塞壓力），汽輪機的排汽損失增大，此時再降低背壓，機組的出力反而下降。

當采用半速機后，由于轉(zhuǎn)速降低，低壓缸末級葉片的高度可達到1430mm，低壓缸具備了更大的排汽面積，此時可通過增大凝汽器換熱面積和凝結(jié)水流量，降低凝汽器背壓，提高機組出力。國內(nèi)某核電站采用不同機組的凝汽器換熱面積對比數(shù)據(jù)，見表1所示。

表1 不同核電機組的凝汽器換熱面積對比

采用全速機時，由于凝汽器的換熱面積和循環(huán)水流量較小，如果將所有的汽輪機旁路蒸汽全部排入凝汽器，在夏季工況里凝汽器單邊運行時，凝汽器壓力將上升至70kPa，超過保護閾值（50kPa），觸發(fā)凝汽器不可用的電信號，從而閉鎖核島發(fā)出的汽輪機旁路排放信號，將引起向大氣排放的GCT－a排放閥或主蒸汽安全閥動作，在核電站的設(shè)計和運行過程中，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)這種狀況。

當采用半速機時，即使將所有的汽輪機旁路蒸汽全部排入凝汽器，在夏季工況里凝汽器單邊運行時，凝汽器壓力仍低于40kPa。因此，在系統(tǒng)設(shè)計時，可將所有的旁路主蒸汽全部排向凝汽器，為除氧器在選型時，提供更大的選擇空間。當然這樣的修改也是滿足URD用戶文件［3］要求的。

5 結(jié) 語

系統(tǒng)正常運行時，淋水盤一體化除氧器在性能上完全能夠滿足核電站的要求，但工作在汽輪機旁路工況下，將在短時間內(nèi)引起除氧器超壓，致使安全閥動作。因此，當淋水盤一體化除氧器應(yīng)用在核電站的回熱系統(tǒng)中，必須增加類似鼓泡管的結(jié)構(gòu)，利用水箱中給水進行消能。同時，從核電站系統(tǒng)設(shè)計的角度進行優(yōu)化，將旁路蒸汽全部排放至凝汽器，能夠滿足核島反應(yīng)堆控制和保護的要求。

［1］STANDARDS and TYPICAL SPECIFICATIONS for TRAY TYPE DEAERATORS ［S］.Ohio： HEAT EXCHANGE INSTITUTE，2003.

［2］馬憲國，陳之航，趙在三.動力設(shè)備中蒸汽噴注噪聲的研究［J］.動力工程，1998，18（2）.

［3］ ADVANCED LIGHT WATER REACTOR UTILITY REQUIREMENTS DOCUMENT ［S］.California：Electric Power Research Institute，1993.