1000MW等級(jí)核電汽輪機(jī)低壓加熱器疏水系統(tǒng)配置分析

張水桃 周 進(jìn)

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

1000MW等級(jí)核電汽輪機(jī)低壓加熱器疏水系統(tǒng)配置分析

張水桃 周 進(jìn)

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

汽輪機(jī)低壓加熱器的疏水系統(tǒng)由于采用不同的疏水方式，在安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面具有不同的特點(diǎn)。文章通過對(duì)1000MW等級(jí)核電機(jī)組低壓加熱器疏水系統(tǒng)所采用的不同疏水方式進(jìn)行分析， 比較不同疏水方式的系統(tǒng)配置， 提出了一種適合核電汽輪機(jī)特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性好、安全可靠性高的核電低壓加熱器疏水系統(tǒng)優(yōu)化配置方案。

核電汽輪機(jī)；低壓加熱器；疏水方式；疏水系統(tǒng)；優(yōu)化配置

0 引言

核電1000MW等級(jí)汽輪機(jī)組一般采用7級(jí)抽汽給水回?zé)嵯到y(tǒng)， 設(shè)有2臺(tái)高壓加熱器、 4臺(tái)低壓加熱器和1臺(tái)除氧器。 高壓加熱器疏水逐級(jí)自流入除氧器，而低壓加熱器疏水有三種方式：疏水逐級(jí)自流方式、疏水泵方式、疏水泵與疏水自流相結(jié)合的方式。疏水系統(tǒng)的配置包括疏水泵、疏水冷卻段、疏水閃蒸箱、疏水調(diào)節(jié)閥及管路組件等。

汽輪機(jī)低壓加熱器的疏水系統(tǒng)由于采用不同的疏水方式，在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面具有不同的特點(diǎn)。 本文對(duì)1000MW等級(jí)核電機(jī)組低壓加熱器疏水系統(tǒng)的三種疏水方式進(jìn)行分析比較，提出了一種適合核電汽輪機(jī)特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性好、安全可靠性高的核電低壓加熱器疏水系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案。

1 核電低壓加熱器疏水系統(tǒng)配置

對(duì)1000MW等級(jí)核電機(jī)組低壓加熱器 （以下簡稱低加）疏水系統(tǒng)按以下三種方式的配置進(jìn)行分析比較：

方案1： 采用疏水逐級(jí)自流的方式 （見圖1），系統(tǒng)配置為： 4#、 3#、 2#低加分別設(shè)置內(nèi)置式疏水冷卻段， 1#低加疏水直接流入凝汽器， 系統(tǒng)還需配置疏水調(diào)節(jié)閥、管路組件等。

方案2： 采用疏水泵的方式 （見圖2）， 系統(tǒng)配置為： 4#、 3#、 2#低加分別配置疏水泵 （n×2臺(tái)100%容量， n為低加數(shù)量）， 1#低加疏水直接流入凝汽器， 該系統(tǒng)4#、 3#、 2#低加還需分別配置疏水箱、疏水調(diào)節(jié)閥、管路組件等。

方案3： 采用疏水泵和疏水自流相結(jié)合的方式（見圖3）， 系統(tǒng)配置為： 4#低加設(shè)置內(nèi)置式疏水冷卻段， 3#低加疏水設(shè)疏水泵 （1×2臺(tái)100%容量），2#低加設(shè)疏水閃蒸箱， 1#低加疏水直接流入凝汽器， 該系統(tǒng)4#低加需配置疏水調(diào)節(jié)閥， 3#低加需配置疏水箱、疏水調(diào)節(jié)閥、管路組件等。

不同配置的疏水系統(tǒng)，在經(jīng)濟(jì)性與安全性方面具有不同的特點(diǎn)。

圖1 疏水逐級(jí)自流的疏水方式 （方案1）

圖2 疏水泵的疏水方式 （方案2）

圖3 疏水泵和疏水自流相結(jié)合的疏水方式 （方案3）

2 核電低壓加熱器疏水系統(tǒng)不同配置的熱經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)等效熱降法分析疏水系統(tǒng)分別配置疏水冷卻段和疏水泵對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響。所謂等效熱降，對(duì)回?zé)岢槠狡啓C(jī)的抽汽而言，在利用外部熱量而抽汽被減少的情況下，表示所排擠的1kg蒸汽做功的增加， 反之， 當(dāng)抽汽被外部利用而增加時(shí)，則表示做功的減少。等效熱降法基于熱功轉(zhuǎn)換定律，并且以新蒸汽流量、初終參數(shù)、燃料供應(yīng)量保持不變?yōu)榍疤釛l件而對(duì)熱力系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，采用這種方法計(jì)算時(shí)，只考慮機(jī)組功率的變化，其功率的變化即代表機(jī)組效率或其他經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的相對(duì)變化，因此就有可能對(duì)局部抽汽量和熱量的變化進(jìn)行定量計(jì)算分析，并直接求出經(jīng)濟(jì)性的變化結(jié)果，使計(jì)算過程趨于簡化，從而避免了常規(guī)熱力計(jì)算的復(fù)雜計(jì)算過程。

2.1 方案1的熱經(jīng)濟(jì)性分析

方案1中4#、 3#、 2#低壓加熱器分別設(shè)置內(nèi)置式疏水冷卻段。 Noj低加設(shè)置內(nèi)置式疏水冷卻段的連接系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 內(nèi)置式疏水冷卻段連接系統(tǒng)

設(shè)qj為加熱器Noj的抽汽放熱， ηj-1、 ηj分 別為加熱器Noj-1、 Noj的抽汽效率， β為Noj加熱器疏水份額， Δγj為疏水冷卻度。 根據(jù)等效熱降法， 與低壓加熱器無疏水冷卻段相比，增設(shè)疏水冷卻段，使疏水冷卻放出熱量βΔγj的利用場所和使用能級(jí)發(fā)生了變化。 Noj不設(shè)疏水冷卻段 （疏水自流）時(shí)，該熱 量利 用于 加熱 器 Noj-1中 ， 獲 得 做功 βΔγjηj-1，增設(shè)疏水冷卻段后， 該熱量不再利用于加熱器Noj-1中， 而由主凝結(jié)水帶回到加熱器Noj中， 提高了使用能級(jí)， 獲得做功βΔγjηj。 因而， 采用疏水冷卻段后，新蒸汽等效熱降的變化是上述做功變化的差值，所以其增加值為：

由于加熱器蒸汽放熱量的變化， ΔH修正為：

由此可見，設(shè)置疏水冷卻段可以提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性， 而且β越大， Δγj越高，（ηj-ηj-1）越大，則疏水冷卻段的熱經(jīng)濟(jì)效果越好。

通過計(jì)算 （此處計(jì)算過程略）， 某1000MW等級(jí)核電機(jī)組低加疏水系統(tǒng)采用方案1時(shí)， 在TMCR工況下機(jī)組功率約為1248.66MW。

2.2 方案2的熱經(jīng)濟(jì)性分析

方案2中4#、 3#、 2#低加分別配置了疏水泵。Noj低加設(shè)置疏水泵的連接系統(tǒng)如圖5所示。 用疏水泵把加熱器疏水打入其出口主凝結(jié)水管中，使疏水與主凝結(jié)水混合，以提高主凝結(jié)水溫度，使機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性提高。為討論疏水泵的熱經(jīng)濟(jì)效果，以取消疏水泵，讓疏水自流進(jìn)行分析，這時(shí)，熱經(jīng)濟(jì)性降低的數(shù)值就是設(shè)置疏水泵后熱經(jīng)濟(jì)性提高的數(shù)值。

圖5 疏水泵連接系統(tǒng)

設(shè)β為加熱器Noj疏水經(jīng)過疏水泵的份額， τsj為加熱器Noj疏水焓， qj為加熱器Noj抽汽放熱， αh為混合點(diǎn)后的主凝結(jié)水份額， τj、 τj0為混合點(diǎn)前、 后主凝結(jié)水 焓， τj-1為 加熱器 Noj-1出口主 凝結(jié) 水焓 。根據(jù)等效熱降法，取消疏水泵，讓疏水自流，將導(dǎo)致疏水熱量利用的場所發(fā)生變化。首先，主凝結(jié)水因疏水混合而提高焓值Δτ=τj0-τj的熱量αhΔτ不再由加熱器Noj完成， 而改為由加熱器Noj+1來完成，故損失做功αhΔτ（ηj+1-ηj）； 其次， 疏水自流至加熱器Noj-1， 疏水的部分熱量βΔτs由在加熱器Noj中放出而轉(zhuǎn)移到在加熱器Noj-1中放出， 其中Δτs=τsj-τsj-1，故產(chǎn)生做功損失βΔτs（ηj-ηj-1）。因此， 取消疏水泵將使新蒸汽等效熱降降低，也就是設(shè)置疏水泵后新蒸汽等效熱降的增加值為：

取消疏水泵， 加熱器Noj由匯集式變?yōu)槭杷帕魇剑?抽汽放熱量qj變?yōu)閝j-Δτs， 對(duì)式 （3）修正并根據(jù)混合點(diǎn)方程得：

由此可見，設(shè)置疏水泵可以提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，而且比設(shè)置疏水冷卻段的熱經(jīng)濟(jì)效果更好。

通過計(jì)算 （此處計(jì)算過程略）， 某1000MW等級(jí)核電機(jī)組低加疏水系統(tǒng)采用方案2時(shí)， 在TMCR工況下機(jī)組功率約為1253.50MW。

2.3 方案3的熱經(jīng)濟(jì)性分析

方案3中4#低加設(shè)置了內(nèi)置式疏水冷卻段， 3#低加疏水設(shè)置了疏水泵， 而2#低加設(shè)置了疏水閃蒸箱， 使2#低加的疏水在閃蒸箱中閃蒸， 閃蒸后蒸汽被送入1#低加汽側(cè)加熱主凝結(jié)水， 疏水通過U型管流入凝汽器， 這樣既回收了2#低加疏水熱量，又減少了1#低加的抽汽量， 從而提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。

通過計(jì)算 （此處計(jì)算過程略）， 某1000MW等級(jí)核電機(jī)組低加疏水系統(tǒng)采用方案3時(shí)， 在TMCR工況下機(jī)組功率約為1251.51MW。

2.4 三種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

方案2采用了目前最先進(jìn)的技術(shù)， 理論上技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益最好， 方案2凈熱效益比方案1高4.84MW， 比方案3 高1.99MW。 方案3 的技 術(shù)經(jīng) 濟(jì)性相對(duì)較好， 方案3凈熱效益比方案1高2.85MW。

3 針對(duì)核電汽輪機(jī)組的特點(diǎn)對(duì)低壓加熱器三種疏水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及安全可靠性進(jìn)行分析

3.1 核電汽輪機(jī)組的特點(diǎn)

與常規(guī)火電機(jī)組相比，核電汽輪機(jī)主蒸汽是含有濕度的飽和蒸汽， 其參數(shù) （如溫度、 壓力）較低、濕度大、流量大，新蒸汽的質(zhì)量流量為同功率常規(guī)火電機(jī)組的170%～190%， 體積流量為其250%～350%， 排汽體積流量為其165%～175%。 在不同運(yùn)行工況下流量基本保持不變。

由于核電站投資高而運(yùn)行費(fèi)用低等原因，核電汽輪機(jī)都設(shè)計(jì)成大功率，并承擔(dān)電網(wǎng)基本負(fù)荷的機(jī)組。

由于核電站的特殊工作條件，對(duì)常規(guī)島的設(shè)備及系統(tǒng)在安全性、可靠性方面的要求更高。

抽汽給水回?zé)嵯到y(tǒng)是汽輪機(jī)的重要系統(tǒng)之一，因此，維持核電低加疏水系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行是保證核電汽輪機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所必需的。

3.2 1000MW等級(jí)核電機(jī)組低加三種疏水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及安全可靠性分析

3.2.1 疏水泵系統(tǒng)的影響

低壓加熱器疏水采用疏水泵方式，理論上技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益最好，但因轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的存在，運(yùn)行中會(huì)存在一些問題， 如: （1）疏水泵汽蝕時(shí)常發(fā)生， 輕則使管道振動(dòng)、管道附件泄漏等，重則造成疏水泵支持軸承損壞。 （2）疏水泵泄漏， 這不僅造成工質(zhì)及熱量的直接損失，而且污染工作環(huán)境。（3）因疏水泵故障時(shí)， 疏水被迫直接排往凝汽器，形成直接冷源損失，使實(shí)際運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)熱經(jīng)濟(jì)性。另外，針對(duì)大功率核電機(jī)組，低壓加熱器的疏水泵宜選用2臺(tái)可靠性高、 100%容量的熱水泵互為備用，因此，核電機(jī)組采用方案2時(shí)， 每個(gè)4#、 3#、 2#低加需分別配置2臺(tái)100%容量疏水泵 （如果低加按多列布置，比如四缸六排汽機(jī)組， 2#低加將布置3列， 疏水泵數(shù)量更多），還需分別配置疏水箱、疏水調(diào)節(jié)閥、管路組件等，這樣不但設(shè)備投資增加，還需主廠房擴(kuò)容，廠房設(shè)計(jì)難度增大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)等級(jí)提高。

為了減弱疏水泵系統(tǒng)的影響，在低加疏水系統(tǒng)中減少疏水泵的設(shè)置。 如果在方案1中， 將2#低加疏水冷卻段用疏水泵代替，通過計(jì)算得知，新蒸汽等效熱降的增加值與疏水泵的耗功基本相抵，因此， 可不在2#低加設(shè)置疏水泵。 在方案1中， 將4#低加設(shè)置疏水泵與3#低加設(shè)疏水泵相比較， 由于4#低加抽汽量遠(yuǎn)小于3#低加抽汽量， 疏水份額小， 4#低加設(shè)置疏水泵后新蒸汽等效熱降的增加值小于3#低加設(shè)置疏水泵后新蒸汽等效熱降的增加值。 因此， 方案3選擇了在3#低加疏水系統(tǒng)中配置疏水泵。

3.2.2 1#、 2#低壓加熱器疏水冷卻段的影響

由于核電機(jī)組初參數(shù)低， 1#、 2#低加的抽汽壓力較低，如果設(shè)置疏水冷卻段，疏水采用調(diào)節(jié)閥控制，會(huì)使加熱器的疏水阻力大，而疏水壓差較小， 這容易造成疏水不暢， 且1#、 2#低壓加熱器布置于凝汽器喉部，疏水冷卻段的設(shè)置不但導(dǎo)致低加殼體直徑的增加，而且疏水管道的布置很長，系統(tǒng)閥門管道的布置比較復(fù)雜。因此，核電機(jī)組1#、 2#低壓加熱器疏水可以取消疏水冷卻段，1#低加疏水通過U型管直接流入凝汽器， 2#低加設(shè)置疏水閃蒸箱， 疏水閃蒸后蒸汽被送入1#低加汽側(cè)進(jìn)一步參加換熱， 而疏水通過U型管流入凝汽器， 這樣既回收了2#低加疏水熱量， 又減少了1#低加的抽汽量，從而提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。這種配置的系統(tǒng)布置簡單，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好、安全可靠性高。

3.2.3 1000MW等級(jí)核電機(jī)組低加三種疏水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及安全可靠性比較

1000MW等級(jí)核電汽輪機(jī)組低加疏水系統(tǒng)， 采用方案1時(shí)， 由于無轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備， 系統(tǒng)簡單， 安全可靠性高，不耗用廠用電，運(yùn)行維護(hù)方便，但熱經(jīng)濟(jì)性較差； 采用方案2時(shí)， 理論上技術(shù)最先進(jìn)， 熱經(jīng)濟(jì)性最高，但系統(tǒng)復(fù)雜，投資較大，還額外耗用大量廠用電， 增加維護(hù)檢修費(fèi)用； 采用方案3時(shí)減少泵用設(shè)備后，減少了泵的汽蝕、振動(dòng)等問題，簡化廠房布置，系統(tǒng)比較簡單，安全可靠性提高，且可大大降低檢修維護(hù)工作量，這樣不但提高了機(jī)組安全可靠性，又保證了較高的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

由于核電機(jī)組的特殊性，機(jī)組運(yùn)行基本上不參加調(diào)峰，為了不因某設(shè)備的故障而停機(jī)并造成非計(jì)劃停堆，達(dá)到長周期安全運(yùn)行，維護(hù)方便，滿足經(jīng)濟(jì)性高， 安全可靠性高的要求， 對(duì)1000MW等級(jí)核電機(jī)組低壓加熱器疏水系統(tǒng)，比較適合選用方案3所述的優(yōu)化配置方案， 即采用疏水泵和疏水自流相結(jié)合的疏水方式，系統(tǒng)的優(yōu)化配置為：4#低加設(shè)置內(nèi)置式疏水冷卻段， 3#低加疏水設(shè)疏水泵 （2臺(tái)100%容量）， 2#低加設(shè)疏水閃蒸箱， 1#低加疏水直接流入凝汽器。

[1]林萬超. 火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社,1994

[2]嚴(yán)俊杰,邢秦安,林萬超,等.火電廠熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性診斷理論及應(yīng)用［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社,2000

[3]鄭體寬.熱力發(fā)電廠［M］.北京:水利電力出版社,1995

Analysis of LP Heater Drain System Configuration for 1000MW Nuclear Turbine

Zhang Shuitao， Zhou Jin
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

Drainmethods of LPheater drain system in steam turbine have different characteristics in technological economy,safety and reliability.The different drain methods of the LP heater drain system in 1000MW nuclear turbine are analyzed.Comparing with the different system configurations,an optimum configuration of the LP heater drain system for nuclear turbine is proposed which is more economical,reliable,safer and best suitable for the characteristics of nuclear turbine.

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張水桃 （1966-）， 女， 高級(jí)工程師， 1987年畢業(yè)于西安交通大學(xué)， 長期從事汽輪機(jī)輔機(jī)設(shè)計(jì)工作。