核電機(jī)組真空系統(tǒng)技術(shù)改造效果不明顯的分析及改進(jìn)措施

任明華

【摘 要】在核電機(jī)組的運(yùn)行中，凝汽器的真空受到如凝汽器熱力特性、循環(huán)水流量、抽真空系統(tǒng)運(yùn)行效率等多種因素影響，而凝汽器真空的高低將直接影響機(jī)組的熱效率和經(jīng)濟(jì)性。為了提高在運(yùn)電站經(jīng)濟(jì)效益，本人所在電站曾將抽真空系統(tǒng)的工作水冷源部分改為空調(diào)冷凍水進(jìn)行冷卻，但實(shí)施后效果不明顯，本文就此現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析和現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證，指出由于冷源僅部分修改為冷凍水后真空泵運(yùn)行出力不均衡是導(dǎo)致改造效果不佳的主要原因，并給出了改進(jìn)措施，預(yù)期可以達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】核電;真空;運(yùn)行優(yōu)化;改進(jìn)措施

【Abstract】During the nuclear power plants operation， the vacuum of condenser is affected by many factors， such as the thermal performance of condenser， circulating water flow， vacuum-pumping system efficiency. The condenser vacuum level will directly affect the thermal efficiency and economy of the plant. In order to improve the economic benefit of power plant in service， The cold source of vacuum system pump had changed to the chilled water for cooling， but the effect is not obvious， this paper analyzes in theory and reality， pointing out that because the cold source is only partially modified for chilled water ， and gives the improvement measures. It can be expected to achieve better economic benefit.

【Key words】Nuclear power; Vacuum; Operation optimization; Improvement measures

0 背景

在運(yùn)電站的經(jīng)濟(jì)效益的提高，必須研究真空系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化。只有當(dāng)真空嚴(yán)密性良好和真空泵出力正常時(shí)，能夠?qū)⒙┤肽鞯目諝饬咳砍槌?，則對(duì)凝汽器傳熱系數(shù)幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)漏入空氣量增加或真空泵出力不足時(shí)，漏入凝汽器的空氣量大于真空泵抽出的空氣量，空氣量將在凝汽器內(nèi)積聚，空氣濃度增加，使得總體傳熱系數(shù)K下降，嚴(yán)重影響機(jī)組熱效率和發(fā)電出力。因此有必要分析影響抽真空系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響因素，并研究改善提高措施。

1 水環(huán)真空泵工作原理及運(yùn)行效率分析

CP650機(jī)組采用NASHTC11型水環(huán)真空泵作為抽真空設(shè)備。水環(huán)真空泵憑借著運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)獨(dú)特、工作安全可靠、壽命長(zhǎng)、維修工作量小、操作安全、簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，被電站廣泛采用。

圖1 水環(huán)真空泵的工作原理

Fig. 1 principle of water ring vacuum pump

1-水環(huán);2-吸氣口;3-排氣口;4-泵體;5-葉輪.

1-water ring;2-suction;3-exhaust;4-pump body;5-impeller.

水環(huán)真空泵是以泵轉(zhuǎn)動(dòng)部分的機(jī)械作用排除泵體內(nèi)的氣體為理論基礎(chǔ)的。其工作原理如圖1：葉輪偏心安裝在注有適量工作水的泵體內(nèi)，當(dāng)帶有若干葉片的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力的作用，注入泵體內(nèi)的水被甩到泵體四周形成水環(huán)，葉輪輪轂與水環(huán)表面之間也形成月牙形空間。轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子上相鄰兩葉片與水環(huán)間所形成的密閉空間均做由小到大、由大到小的反復(fù)性變化。當(dāng)空間由小變大時(shí)，產(chǎn)生真空，經(jīng)進(jìn)氣口吸入氣體：由大到小時(shí)，產(chǎn)生壓力，氣體被壓縮并通過(guò)排氣口排出。由于每個(gè)相鄰葉片與水環(huán)所構(gòu)成的空腔均處于不同的容積變化過(guò)程，因此當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，泵的吸排氣過(guò)程均是連續(xù)、不間斷過(guò)程。

水環(huán)真空泵性能的影響因素：

CP650核電機(jī)組冷端系統(tǒng)配置的抽氣設(shè)備是NASHTC11型水環(huán)真空泵，其在P=3.34kPa，工作水溫15℃時(shí)對(duì)應(yīng)的抽氣能力為1150-2150ft3/min、64.3-120.2kg/h。其性能曲線(xiàn)如圖2。

圖2 水環(huán)式真空泵性能曲線(xiàn)

Fig. 2 Nash hytor performance curve

圖3 實(shí)際真空泵性能曲線(xiàn)

Fig. 3 The actual pump performance curve

影響水環(huán)真空泵運(yùn)行性能的因素主要有：工作水進(jìn)口溫度、吸入壓力、抽汽氣混合物溫度、工作水流量、抽氣介質(zhì)和真空泵轉(zhuǎn)速等。當(dāng)水環(huán)真空泵各參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，特別是工作水進(jìn)口溫度和抽氣溫度，真空泵的工作性能將發(fā)生極大變化。圖3為實(shí)際真空泵的運(yùn)行性能曲線(xiàn)，可以看出：實(shí)際真空泵性能曲線(xiàn)與規(guī)定條件下的真空泵性能曲線(xiàn)差別很大，必須對(duì)其進(jìn)行修正。工作水溫度升高、吸入口壓力降低、抽氣溫度升高等都將降低真空泵的抽吸能力，反之亦然，且上述因素之間多相互影響。工作水溫度是影響真空泵性能的主要因素，它不受凝汽器和抽氣設(shè)備狀態(tài)的影響，只取決于其冷卻系統(tǒng)的工作性能。因此可以通過(guò)降低工作水溫度來(lái)提高真空泵性能。

2 抽真空系統(tǒng)工作水溫優(yōu)化運(yùn)行

CP650核電機(jī)組真空系統(tǒng)的真空泵，取自SER水，采用常規(guī)島閉式冷卻水SRI對(duì)其進(jìn)行冷卻。在機(jī)組運(yùn)行初期，連續(xù)數(shù)個(gè)循環(huán)內(nèi)冬季工況，凝汽器氧含量超標(biāo).具體現(xiàn)象是隨著冬季氣溫的降低，二回路凝結(jié)水溶解氧含量呈此續(xù)升高的趨勢(shì)，氧含量達(dá)到了60PPb左右，嚴(yán)重偏離技術(shù)規(guī)范對(duì)二回路水質(zhì)的要求。

為了查找凝結(jié)水氧含量超標(biāo)原因，2005年1月運(yùn)行人員嘗試對(duì)CVI泵出口冷卻器溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)（對(duì)分離器進(jìn)行換水），結(jié)果顯示溶解氧出現(xiàn)了較明顯的下降，圖4為1月28日8：45對(duì)2CVI泵分離器換水引起的溶解氧變化圖（10：00結(jié)束）。圖5為1月28日19：00 1SRI水溫調(diào)低（影響CVI泵出力）引起的凝結(jié)水溶解氧變化圖。

圖4 2#機(jī)凝結(jié)水溶解氧變化圖（1/28/2005）

Fig. 4 The unit 2 variations of dissolved oxygen in

condensation water（1/28/2005）

圖5 1#機(jī)凝結(jié)水溶解氧變化圖（1/28/2005）

Fig.5 The unit 1 variations of dissolved oxygen in

condensation water（1/28/2005）

原因在于真空泵冷卻水最初采用混合以后的閉式冷卻水SRI，在冬季的溫度一般維持在26度左右。通過(guò)SRI水冷卻后的真空泵工作水溫度一般是在30度，故真空泵內(nèi)工作水的溫度大約在33度左右，這樣真空泵吸入口真空僅有5.0kPa。這樣的抽吸能力在夏季凝汽器真空約8-9kPa的工況下不會(huì)有問(wèn)題;但在冬季，凝汽器內(nèi)由于循環(huán)水溫過(guò)低導(dǎo)致汽輪機(jī)排汽過(guò)度冷卻形成的真空值高達(dá)2-3kPa，這樣真空泵抽吸不凝氣體的能力就很低，甚至可能導(dǎo)致空氣反向流向凝汽器，最終導(dǎo)致凝汽器內(nèi)不凝氣體集聚，不凝氣體分壓增加，表現(xiàn)為凝結(jié)水氧含量超標(biāo)。為此實(shí)施了技術(shù)改造，將真空泵冷卻水改自SRI111VD下游，未經(jīng)旁路混合（冬季溫度一般為14-15度），這樣真空泵在冬季的工作水溫可降至20度，對(duì)應(yīng)的吸入口真空可達(dá)2.3kPa，完全滿(mǎn)足冬季對(duì)真空泵不凝氣體抽吸能力的要求。

這雖然解決了冬季凝結(jié)水氧含量偏高的問(wèn)題，但是對(duì)于夏季循環(huán)水高溫運(yùn)行工況，由于真空泵熱交換器SRI側(cè)入口溫度可達(dá)30℃，出口溫度為35℃，工作水溫度一般為38-40℃，其吸入口真空為6.6-7.4kPa，而此時(shí)凝汽器真空值一般為8-9kPa，雖然可以滿(mǎn)足要求，但抽吸壓力不足、真空偏低，嚴(yán)重影響機(jī)組熱效率。

為了進(jìn)一步改善夏季機(jī)組真空偏高問(wèn)題，工程上的常用方案：使用冷凍水作為冷卻水源、更換冷卻器提高換熱效率等。由于更換熱交換器需論證設(shè)備的匹配性，且不易于實(shí)施，本文將重點(diǎn)分析使用冷凍水作為冷卻水源的可能性。

表1 技改前后真空泵運(yùn)行數(shù)據(jù)

Tab.1 Improved vacuum pump running data

由于機(jī)組實(shí)際上僅對(duì)CVI301PO進(jìn)行了改造（該項(xiàng)改造現(xiàn)已拆除），從上表數(shù)據(jù)可以看出，這就帶來(lái)了以下問(wèn)題：

1）2005年2月，2SRI技改尚未實(shí)施，CVI301PO使用SES冷卻為7℃（夏季SES正常投運(yùn)期間溫度略高，為10.5℃）;CVI101PO仍使用混合后的SRI水冷卻（27℃），其運(yùn)行工況接近夏季運(yùn)行工況，其吸入口極限壓力為5.26kPa。由于CVI301PO吸入口在工藝回路上處于抽氣總管的最上游，并且其吸入口壓力遠(yuǎn)低于另外一臺(tái)運(yùn)行泵，這就使得大量的不凝結(jié)氣體和水蒸汽的混合物吸入CVI301PO，幾乎所有的水蒸汽凝結(jié)的汽化潛熱釋放到CVI301PO工作水中，301PO熱交換器的溫升達(dá)15.1℃，而101PO熱交換器溫升僅為2.2℃。根據(jù)上表數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以看出CVI301PO的出力或抽吸效果非常好，K1值達(dá)到了3.699，而101PO的K1值為負(fù)值，說(shuō)明其對(duì)凝汽器真空的維持并無(wú)貢獻(xiàn)，若其吸入口逆止閥故障的話(huà)還有可以能反吸空氣至凝汽器。但即使如此，在試驗(yàn)運(yùn)行期間，僅單臺(tái)泵采取SES冷卻，凝汽器真空仍舊提高了2kPa，凝汽器排氣溫度也降低到30℃左右，這說(shuō)明降低工作水溫的有效性。

2）查詢(xún)系統(tǒng)手冊(cè)知SES系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)如下：供水母管壓力為0.32MPa（低于SRI出口0.6MPa的壓力），供水設(shè)計(jì)流量100T/h，壓縮機(jī)組功率2×17kW，夏季載荷一般保持87%，出水溫度10.5℃。在夏季各變風(fēng)量機(jī)組啟動(dòng)使用SES冷凍水后，直接導(dǎo)致用于抽真空系統(tǒng)的SES冷凍水流量不足（2005年運(yùn)行期間曾因DVM使用SES冷凍水導(dǎo)致冷凍水流量不足，最終切換回SRI冷卻）。另外，2005年試驗(yàn)運(yùn)行期間主要在冬季，凝抽氣中水蒸氣含量遠(yuǎn)低于夏季運(yùn)行工況，夏季凝汽器內(nèi)乏汽冷凝不足，也使得大量的水蒸氣冷凝在抽吸效果較好的CVI301PO。這兩方面原因?qū)е孪募竟rCVI301PO工作水溫持續(xù)升高，最終接近另外一臺(tái)運(yùn)行泵，對(duì)真空的改善提高作用嚴(yán)重下降。

3）在實(shí)施真空泵SRI冷卻水切換至111VD下游技術(shù)改造后，由于冬季海水溫度較低（最低7℃左右），板式熱交換器后SRI冷卻水溫（約12℃）接近SES冷凍水溫（7-8℃）。故在實(shí)施技術(shù)改造后，冬季使用SES冷凍水冷卻凝汽器對(duì)真空提升效果變得不明顯。由于冷源改造為SES冷凍水的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)僅為2005年冬季，并且目前該改造已經(jīng)拆除，已也無(wú)法確認(rèn)夏季所有真空泵冷源均由SES冷凍水冷卻對(duì)真空提高的效果大小。

4）如三臺(tái)真空泵均改為SES冷凍水冷卻，則需計(jì)算SES冷卻量和冷卻流量是否足夠。計(jì)算如下：當(dāng)前SES冷凍機(jī)組通過(guò)四個(gè)RC130模塊化單元冷水機(jī)組組成，其中每個(gè)單元制冷量為 130 kW，共計(jì)520kW。當(dāng)前夏季真空泵運(yùn)行需要的冷量Q=mC△t=56.25×994.2×4.178×7=454.3kW，SES系統(tǒng)需求冷量為Q=mC△t=100×999.8×4.194×2.5=291.2kW，因此真空泵使用SES冷凍水后為總冷量為Q=Q+Q=745.5kW，已超過(guò)當(dāng)前壓縮機(jī)冷量極限，因此需要技改增加壓縮機(jī)冷卻量。若保證真空泵冷卻流量需求84.4m3/h，僅余15.6m3/h用于DVM變風(fēng)量機(jī)組運(yùn)行，假設(shè)不進(jìn)行改造增加SES冷凍水流量將導(dǎo)致DVM變風(fēng)量機(jī)組進(jìn)出水溫升達(dá)到16.03℃（當(dāng)前溫升為2-3℃），這將導(dǎo)致各通風(fēng)房間溫度上升12-14℃，嚴(yán)重影響常規(guī)島配電盤(pán)運(yùn)行，因此同樣需要技改增加SES冷凍水的流量。

5）假設(shè)對(duì)SES系統(tǒng)實(shí)施上述技改后，將三臺(tái)真空泵的冷源均切換至SES冷凍水進(jìn)行冷卻（流量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求28.123m3/h），那么可以分析如下：

目前夏季真空泵熱交換器溫升為7℃，假設(shè)換熱量變化不大，則切換為SES冷卻后可以計(jì)算出熱交換器出口溫度為17.5℃，進(jìn)而可以計(jì)算出真空泵內(nèi)工作水溫約24℃（對(duì)應(yīng)飽和壓力為2.98kPa）。相比上表中當(dāng)前夏季機(jī)組真空泵約39℃的工作水溫（對(duì)應(yīng)飽和壓力為7.0kPa），工作水溫影響抽吸能力系數(shù)分別為、，抽吸能力增加接近五倍。而系數(shù)與工作水溫?zé)o關(guān)。系數(shù)只能試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出，但根據(jù)上述理論分析中曲線(xiàn)可知，在6-9kPa范圍內(nèi)，抽吸氣體為汽氣混合物系數(shù)效果明顯。綜合上述分析，理論上應(yīng)可明顯改善機(jī)組真空2-3kPa，進(jìn)而大幅提高機(jī)組熱效率，大大提高機(jī)組發(fā)電能力。

從上述分析可知，建議在實(shí)施SES技術(shù)改造增加冷卻流量及制冷量后，將CVI真空泵冷卻水全部切換至SES冷凍水，來(lái)驗(yàn)證其對(duì)真空的改善作用。從同類(lèi)火電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看，一般至少可以提高真空1-2kPa，從而大大提高機(jī)組熱效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述分析可知，在所有真空泵采用SES冷凍水代替SRI閉式冷卻水對(duì)工作水進(jìn)行冷卻優(yōu)化方案后，應(yīng)可提高凝汽器真空1-2kPa左右。大型汽輪機(jī)每增加1kPa真空降低汽耗率1.5%，則發(fā)電機(jī)出力可以提高1-2%，取中間值1.5%，則全年以6個(gè)月計(jì)算，1.5%×1.5%×650MW=14.625MW，發(fā)電量增加63180MWh。由此可以看出，在在運(yùn)電站實(shí)施上述改進(jìn)措施后，將顯著提高在運(yùn)核電站機(jī)組運(yùn)行效率，增加發(fā)電收益。

【參考文獻(xiàn)】

[1]池志遠(yuǎn)，等.核電機(jī)組發(fā)電能力改善的途徑[J].熱力發(fā)電，2007（6）.

[2]鄒征宇，石奇光，王占武.電廠(chǎng)水環(huán)式真空泵密封水溫度對(duì)單元機(jī)組效率的影響[J].華東電力，2006，34（2）：54-57.

[3]周蘭欣，張淑俠，王統(tǒng)彬，等.凝汽器抽氣管道優(yōu)化研究[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2005，47（5）：352-354.

[4]胡洪華，居文平，黃廷輝.大型電站雙背壓凝汽器優(yōu)化運(yùn)行的研究和實(shí)踐[J].熱力發(fā)電，2003（3）：8-11.

[5]朱信義.真空泵密封水和抽入氣體溫度對(duì)機(jī)組真空的影響[J].熱力發(fā)電，2010，39（8）：93-95.

[6]顧崇廉.汽輪機(jī)真空輔助冷卻系統(tǒng)的研究[M].保定：華北電力大學(xué)，2009：41.

[7]付昶，武學(xué)素.凝汽式汽輪機(jī)背壓變化對(duì)機(jī)組功率影響的研究[J].熱力發(fā)電，1999（1）：39-44.

[8]孔令華.雙背壓凝汽器真空系統(tǒng)優(yōu)化管理[J].華北電力技術(shù)，2007（11）：45-46.

[9]付昶，武學(xué)素.凝汽式汽輪機(jī)背壓變化對(duì)機(jī)組功率影響的研究[J].熱力發(fā)電，1999（1）：39-44.

[10]USA HEI.Standards for Steam Surface Condensers[Z].1984：10-13.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]