核電廠汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)分析與評(píng)審

王世勇，徐 喬，胡友情，徐大懋

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，深圳 518057)

汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)是電站經(jīng)濟(jì)性的集中體現(xiàn)［1］，通常由汽輪機(jī)供貨商提供。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，電站項(xiàng)目前期由汽輪機(jī)供貨商提供的熱力方案可能會(huì)存在各種問(wèn)題，如參數(shù)選取不正確或疏水級(jí)段的焓值計(jì)算方法不正確;級(jí)段效率計(jì)算過(guò)大或過(guò)小;熱力計(jì)算過(guò)程未考慮疏水的影響等。某些國(guó)外供貨商可能從商業(yè)利益考慮，參數(shù)選擇不太合理，尤其對(duì)非供貨范圍內(nèi)設(shè)備，選擇對(duì)其有利的修正性能參數(shù)，如選取小抽汽管道壓損、非常低的加熱器端差和循環(huán)水流量等。這些不正確的或未優(yōu)化的熱力方案，會(huì)影響機(jī)組的凈出力，最終將影響電站的經(jīng)濟(jì)性。所以，非常有必要在電站項(xiàng)目前期對(duì)汽輪機(jī)供貨商提供的熱力方案進(jìn)行計(jì)算與分析。

本文通過(guò)對(duì)在運(yùn)核電機(jī)組的熱力方案進(jìn)行計(jì)算和分析，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)性能計(jì)算及性能分析評(píng)審內(nèi)容

為提高在濕蒸汽下核電站汽輪機(jī)本體的通流效率，所采取的去濕措施，將分離出的水排入相應(yīng)的加熱器。核電站與常規(guī)火電站熱力系統(tǒng)設(shè)備的不同特點(diǎn)，使得核電站汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)的計(jì)算和分析相對(duì)火電來(lái)說(shuō)更加復(fù)雜。

1.1 汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)性能計(jì)算及分析內(nèi)容

汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)計(jì)算的主要目的是確定熱力系統(tǒng)各部分蒸汽或水的熱力參數(shù)，以及機(jī)組功率和熱耗率、汽耗率等熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。主要內(nèi)容包括以下幾方面:

(1)機(jī)組各級(jí)段功率、效率，各缸、全機(jī)功率和效率;(2)通流面積的匹配性;(3)回?zé)?、再熱系統(tǒng)熱平衡計(jì)算，換熱效率計(jì)算，加熱器端差、抽汽管道壓損取值合理性校核;(4)疏水熱平衡計(jì)算;(5)凝汽器熱力方案計(jì)算等。

汽輪機(jī)各級(jí)段效率:

所謂的級(jí)段由若干個(gè)透平級(jí)構(gòu)成，也可以是一個(gè)級(jí)，級(jí)段內(nèi)對(duì)外沒(méi)有熱量和質(zhì)量交換。分三種情況計(jì)算汽輪機(jī)各級(jí)段效率:級(jí)段無(wú)疏水情況;級(jí)段有疏水的抽汽情況;級(jí)段純疏水情況。圖1所示為核電汽輪機(jī)級(jí)段焓－熵示意圖。

圖1 級(jí)段焓熵示意圖

1)級(jí)段無(wú)疏水情況:

如級(jí)段為過(guò)熱蒸汽，則級(jí)段效率計(jì)算公式為:

式中:h 為有效焓降;hs為等熵焓降。

2)級(jí)段有疏水的抽汽情況:

核電站汽輪機(jī)高、低壓缸抽汽段在通常情況下熱平衡圖上抽汽點(diǎn)的焓是疏水后的焓，要精確計(jì)算上一級(jí)段的效率需通過(guò)公式(2)先求得該級(jí)段疏水前的蒸汽焓，再由公式(1)計(jì)算該級(jí)段的效率。

式中:i 為某級(jí)段蒸汽焓;q 為某級(jí)段疏水量與該級(jí)段流量的比值。下標(biāo):n、n +1 分別表示前后相鄰2 個(gè)抽汽級(jí)段;1、2、w 分別表示級(jí)段進(jìn)口、出口蒸汽及疏水。

3)級(jí)段純疏水情況:

如核電站汽輪機(jī)低壓缸兩個(gè)抽汽級(jí)段間的疏水。熱平衡圖中提供了疏水量qn及疏水焓in，w，但疏水前后的蒸汽焓in，2、i(n+1)，1均未知。先假設(shè)上一級(jí)段效率ηn，然后利用公式(2)求出疏水后的焓i(n+1)，1，再利用公式(1)計(jì)算下一級(jí)段效率ηn+1。假設(shè)上一級(jí)段效率ηn不變，并不影響最后功率的計(jì)算，原因是i(n+1)，2已確定。

利用推導(dǎo)公式(2)，可計(jì)算得到濕蒸汽級(jí)段疏水前或疏水后的蒸汽焓值，精確計(jì)算汽缸或全機(jī)效率。

級(jí)段干效率:

不考慮蒸汽濕度情況下的級(jí)段效率被稱為級(jí)段干效率。核電站汽輪機(jī)大部分級(jí)段工作在濕蒸汽條件下，公式(1)所計(jì)算的效率不能真實(shí)表達(dá)供貨商汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)水平。通過(guò)公式(3)可計(jì)算級(jí)段干效率，用來(lái)評(píng)定級(jí)段、缸或通流效率計(jì)算是否合理。

缸或通流效率［2］:

通常計(jì)算汽輪機(jī)、各缸或通流效率均采用焓降效率，即各級(jí)或級(jí)段的有效焓降的和與理想焓降的和的比值再乘以汽缸或全機(jī)熱重獲系數(shù)。功率效率定義為各級(jí)或級(jí)段有效功率的和與各級(jí)或級(jí)段理想功率和的比值再乘以汽缸或全機(jī)熱重獲系數(shù)。通過(guò)計(jì)算分析比較，功率效率比焓降效率更精確，更能真實(shí)地反映機(jī)組性能。

汽輪機(jī)汽缸通流效率與汽缸效率相比，不包括閥門損失。

汽輪機(jī)內(nèi)效率:

式中:N 為表示功率;G 為表示蒸汽流量;h 為表示蒸汽焓降;H 為表示汽缸蒸汽焓降;α 為表示熱重獲系數(shù)。

下標(biāo):n、hp、lp、t 分別表示級(jí)段、高壓缸、低壓缸和汽輪機(jī);s 表示等熵或理想狀態(tài)。

1.2 其他性能分析指標(biāo)

汽輪機(jī)理想功率、當(dāng)量流量、理想焓降可用于分析系統(tǒng)完善性，也可用于檢查汽輪機(jī)供貨商提供熱力方案的正確性和合理性，分析和消化引進(jìn)技術(shù)。

1)理想功率:

汽輪機(jī)各級(jí)段流量與理想焓降乘積的和，被稱為理想功率，表達(dá)式為:

汽輪機(jī)理想功率，表示熱力系統(tǒng)的完善性，應(yīng)用理想功率可分析熱力系統(tǒng)。對(duì)于某一固定進(jìn)汽參數(shù)和排汽參數(shù)的系統(tǒng)，理想功率越大，表示系統(tǒng)越完善，其主要體現(xiàn)在以下幾方面:(1)再熱參數(shù)、加熱器焓升分布合理;(2)加熱器端差小，抽汽管道壓損小;(3)給水系統(tǒng)熱量利用合理;(4)軸封系統(tǒng)漏汽少，軸封系統(tǒng)用汽量少等。

2)汽輪機(jī)理想焓降∑hn，s，表示再熱參數(shù)的合理性。理想焓降大，表示分缸壓力合理，再熱壓損小等方面。

3)當(dāng)量流量:

汽輪機(jī)理想功率與各級(jí)段理想焓降之和的比值，被稱為當(dāng)量流量，表達(dá)式為:

1.3 通流面積合理性

相對(duì)火電來(lái)說(shuō)，核電具有燃料價(jià)格便宜、燃料定期更換，機(jī)組常年帶基本負(fù)荷等特點(diǎn)，堆與機(jī)的容量匹配通常為“零裕量”。而常規(guī)火電機(jī)組用戶是根據(jù)需要提出機(jī)組額定功率的，并要求供貨商保證夏季和機(jī)組老化后仍能發(fā)出額定功率，廠家在設(shè)計(jì)汽輪機(jī)通流時(shí)預(yù)留5%裕量(鍋爐蒸發(fā)量留相應(yīng)的裕量)，有的甚至預(yù)留10%裕量［3］。

初步判斷一個(gè)熱力方案的通流是否匹配，可先從主汽閥壓損、低壓末級(jí)排汽余速等方面來(lái)判斷。對(duì)核電站而言，汽輪機(jī)額定工況高壓調(diào)節(jié)閥壓損在3%～5%范圍內(nèi)，低壓末級(jí)軸向蒸汽速度在180～300 m/s 范圍內(nèi)，如超出300 m/s，余速損失過(guò)大，低壓末級(jí)葉片效率下降很快。

1.4 回?zé)?、再熱系統(tǒng)

回?zé)?、再熱系統(tǒng)是熱力系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響較大［4］。核電的回?zé)嵯到y(tǒng)與常規(guī)火電相比無(wú)本質(zhì)區(qū)別，而中間再熱系統(tǒng)卻差別很大。在常規(guī)火電機(jī)組中，一般是將高壓缸的排汽引入鍋爐中再熱，而核電機(jī)組由于蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的是5～7.8 MPa 的飽和濕蒸汽，當(dāng)蒸汽在汽輪機(jī)高壓缸內(nèi)膨脹到0.7～1.5 MPa 時(shí)，其濕度已增加到10%～15%，需引入汽水分離再熱器，采用一次或兩次蒸汽進(jìn)行除濕再熱，使進(jìn)入中壓缸或低壓缸的蒸汽具有70～80 ℃過(guò)熱度，最終排汽濕度控制在10%左右［5］。

核電汽輪機(jī)的高壓缸分缸壓力，即為進(jìn)入汽水分離再熱器的蒸汽壓力。高壓缸排汽濕度隨分缸壓力的降低而增大;低壓缸排汽濕度則相反，隨分缸壓力的降低而減?。?］。分缸壓力在一定壓力范圍內(nèi)對(duì)機(jī)組效率影響不大，且趨向于取最佳分缸壓力范圍內(nèi)的低值。汽水分離再熱器設(shè)計(jì)要求分離效率要高，再熱壓損、端差要小。分離效率是蒸汽被分離的水分與入口水分之比的百分?jǐn)?shù)。目前在建或在役核電站機(jī)組的分缸壓力基本在0.7～1.2 MPa 范圍內(nèi);分離器效率在98%左右，再熱壓損在3%～5%左右，端差在10 ℃左右。

2 工程應(yīng)用

2.1 已運(yùn)行機(jī)組熱力系統(tǒng)計(jì)算與分析

通過(guò)對(duì)已運(yùn)行某核電站汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)計(jì)算與分析，發(fā)現(xiàn)高壓缸第一級(jí)段通流面積偏大了9%，額定工況時(shí)高壓調(diào)節(jié)閥壓損為13%(設(shè)計(jì)值為4.8%)，由調(diào)節(jié)閥壓損大引起1.2%額定功率損失。根據(jù)熱力系統(tǒng)計(jì)算和分析結(jié)果，確定高壓缸通流改造方案，通過(guò)更換隔板來(lái)減小通流面積，增加機(jī)組出力。目前該電站汽輪機(jī)已完成三級(jí)隔板改造，改造后機(jī)組出力提高約10 MW。

2.2 熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

某北方廠址核電項(xiàng)目需從汽輪機(jī)本體中抽80 t/h 蒸汽用于冬季供暖，蒸汽通過(guò)換熱器后的疏水溫度為90 ℃，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需確定疏水引入的位置，引入到凝汽器或者引入到相應(yīng)低壓加熱器前的凝結(jié)水管道。疏水引入位置不同，將會(huì)影響到機(jī)組發(fā)電功率。通過(guò)應(yīng)用本研究方法計(jì)算知道，疏水若引入位置不同，將導(dǎo)致機(jī)組功率相差910 kW。最后通過(guò)綜合比較后確定了換熱器的疏水方案。

2.3 核電項(xiàng)目前期的熱力系統(tǒng)計(jì)算與分析

在核電項(xiàng)目前期各汽輪機(jī)供貨商熱力方案計(jì)算中被發(fā)現(xiàn)的典型問(wèn)題:

1)為提高機(jī)組出力，把方便留給自己，困難甩給了別人。對(duì)某核電項(xiàng)目A 供貨商的熱力方案進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn):A 供貨商對(duì)非供貨范圍內(nèi)設(shè)備，有意提高對(duì)其有利的修正性能參數(shù)，如取非常小的抽汽管道壓損(2%)，非常低的加熱器(無(wú)蒸汽冷卻段)端差(1.2℃)，連續(xù)三級(jí)低壓加熱器采用疏水泵疏水等方式。機(jī)組出力提高了，但回?zé)嵯到y(tǒng)布置困難，初投資增加，后期運(yùn)行維護(hù)成本增加。

2)熱力系統(tǒng)抽汽點(diǎn)焓值錯(cuò)誤。如對(duì)某核電項(xiàng)目S 供貨商的熱力方案進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn):S 供貨商的汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)有疏水級(jí)段抽汽點(diǎn)的焓為疏水前的焓，不正確，應(yīng)為疏水后的焓。以該項(xiàng)目汽輪機(jī)末級(jí)抽汽為例，由于熱平衡圖上抽汽點(diǎn)蒸汽焓值(疏水前焓)比實(shí)際的焓值(疏水后焓)小，使該級(jí)段減少了0.72%抽汽量，雖對(duì)機(jī)組功率影響不大(40 kW)，但不能真實(shí)表達(dá)級(jí)段效率，同時(shí)也影響末級(jí)段葉片效率計(jì)算的正確性。

3)出于商業(yè)目的提供對(duì)其有利的熱力方案。有的汽輪機(jī)供貨商出于商業(yè)目的，提供對(duì)其有利的熱力方案。即使在相同背壓前提下，不同供貨商的熱力方案，其所選擇的冷端參數(shù)相差較大。詳見(jiàn)表1 某核電項(xiàng)目A 和M 供貨商提供的熱力方案冷端參數(shù)匯總表。

表1 汽輪機(jī)A 和M 供貨商熱力方案匯總表

經(jīng)濟(jì)性分析(對(duì)1 臺(tái)機(jī)組):雖然A 與M 供貨商的熱力方案選擇的是相同背壓，但在A 的方案中凝汽器面積小，循環(huán)水流量大。A 相對(duì)M 的熱力方案，凝汽器初投資費(fèi)用少2 145 萬(wàn)元，循環(huán)水量大增加約1 460 kW·h 廠用電量，一年增加的廠用電費(fèi)用約410 萬(wàn)元。電站按40年經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，廠用電增加的費(fèi)用約為14 250 萬(wàn)元。經(jīng)與A 澄清，A 修改其熱力方案，把凝汽器面積增加至116 516 m2，循環(huán)水流量減少至91.9 m3/s，選擇5.88 kPa 額定工況機(jī)組背壓，為此相對(duì)原方案功率增加5.45 MW，年收益將增加約1 335 萬(wàn)元。

4)某內(nèi)陸核電項(xiàng)目熱力方案分析:汽輪機(jī)供貨商根據(jù)其設(shè)計(jì)理念及經(jīng)驗(yàn)提供熱力系統(tǒng)方案。表2 為某內(nèi)陸核電項(xiàng)目D、H、S 三家供貨商典型的熱力系統(tǒng)匯總。

分析如下:

1)H 公司的熱力方案與S 公司的相比，相對(duì)理想功率、當(dāng)量流量和理想焓降大，其原因是:H公司的熱力系統(tǒng)相當(dāng)于有8 個(gè)抽汽口，其中高壓缸1 個(gè)抽汽口用于汽水分離再熱器的加熱汽源，其他7 個(gè)抽汽口用于給水加熱系統(tǒng)，加熱器均設(shè)置疏水冷卻段;H 公司的高壓缸分缸壓力低;經(jīng)汽水分離再熱器后的蒸汽壓降小。

表2 某內(nèi)陸核電項(xiàng)目三家汽輪機(jī)廠商熱力方案計(jì)算匯總表

2)H 公司和D 公司的熱力方案相比，相對(duì)理想功率和當(dāng)量流量大，其原因是:D 公司采用高中壓合缸方案，高中壓缸前軸封漏汽量大。H 公司的理想焓降小，原因是背壓高。

3)D 公司和S 公司的熱力方案相比，當(dāng)量流量小，其主要原因是:D 公司的熱力方案再熱蒸汽壓力低、壓降小，連續(xù)三級(jí)低壓加熱器采用疏水泵方式疏水，加熱器取端差小，抽汽管道壓損小;但D 公司方案的理想焓降大，主要原因是其選取背壓低。兩個(gè)方案的理想功率相當(dāng)，其主要是:D 公司采用高中壓合缸方式，高壓缸前軸封漏汽量大，與上述收益相抵消。

4 結(jié)論

本文針對(duì)核電站汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)特點(diǎn)，介紹了核電汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)分析與評(píng)審的主要內(nèi)容，推導(dǎo)了濕蒸汽區(qū)有疏水和無(wú)疏水級(jí)段蒸汽焓值的計(jì)算方法，提出了汽輪機(jī)理想功率、理想焓降、當(dāng)量流量三項(xiàng)熱力性能指標(biāo)，該方法計(jì)算快捷、分析準(zhǔn)確，并已廣泛用于核電工程項(xiàng)目汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)計(jì)算、分析與評(píng)審，已解決了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題。

核電汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)分析與評(píng)審可用于指導(dǎo)核電工程項(xiàng)目汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)，還可以用于對(duì)機(jī)組設(shè)備的現(xiàn)狀進(jìn)行切合實(shí)際的評(píng)價(jià)。本文可為核電企業(yè)在自主設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、維護(hù)業(yè)主利益等方面起到積極的推進(jìn)作用。

［1］中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì).火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè):第二卷 汽輪機(jī)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［2］蔡頤年.蒸汽輪機(jī)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1988.

［3］徐大懋，儲(chǔ)品昌，傅小生.蒸汽循環(huán)電站主設(shè)備的容量匹配［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(20):25-29.

［4］中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì).火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè):第四卷 火電站系統(tǒng)與輔機(jī)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［5］汪禮彪.壓水堆核電站大型濕蒸汽汽輪機(jī)的性能比較［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，1981(5):33-47，71.