650 MW核電機(jī)組凝汽器單側(cè)冷卻下汽機(jī)旁排投運(yùn)分析

嚴(yán) 瀚 丁劍陽 顧洪波

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

650 MW核電機(jī)組凝汽器單側(cè)冷卻下汽機(jī)旁排投運(yùn)分析

嚴(yán) 瀚 丁劍陽 顧洪波

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

本文主要通過對(duì)中核運(yùn)行2廠1/2號(hào)650MW核電機(jī)組的GCT-C旁排閥及減溫減壓裝置熱力過程的介紹，分析在失去一列CRF水時(shí)，即凝汽器在失去一列冷卻水，在單側(cè)冷卻的情況下汽機(jī)旁排投運(yùn)，此時(shí)相關(guān)熱工參數(shù)是否仍能滿足凝汽器設(shè)計(jì)要求。

GCT-C；汽機(jī)旁排；單側(cè)冷卻；熱力分析

1 蒸汽旁排減溫減壓過程熱力分析

本文只考慮650MW核電機(jī)組單根汽機(jī)蒸汽凝汽器旁排（GCT-C）排放管線全流量排放的情況。根據(jù)調(diào)試報(bào)告單根GCT-C最大排放流量約為351 t/h，《汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)手冊(cè)》說明每臺(tái)旁路閥額定工況下容量為276.5 t/h。在蒸發(fā)器二回路側(cè)蒸汽達(dá)到最高壓力8.6MPa(a)時(shí)，單只旁路閥的最大排放蒸汽量不超過388.8 t/h。為保守起見，本節(jié)假設(shè)GCT-C排放流量為400t/h。

1.1 減溫水投入時(shí)GCT-C排放熱力過程

GCT-C蒸汽排放至凝汽器首先經(jīng)GCT調(diào)節(jié)閥下游消音器及減溫減壓裝置進(jìn)行減溫減壓，然后進(jìn)入凝汽器擴(kuò)容，最終進(jìn)入凝汽器鈦管被冷凝成水。其過程可分為以下兩個(gè)熱力過程，實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)目的：

（1）減溫?cái)U(kuò)容：GCT-C蒸汽經(jīng)排放管線在與凝汽器上側(cè)空間接口處進(jìn)行噴水減溫?cái)U(kuò)容后變成低壓低溫蒸汽；

（2）釋放潛熱：低壓低溫蒸汽進(jìn)入凝汽器，經(jīng)鈦管冷卻成冷凝水；具體過程如下焓熵圖。

圖1 焓熵圖

a點(diǎn)為經(jīng)GCT-C排放管線的新蒸汽參數(shù)點(diǎn)（7.6MPa、290.5℃、2765KJ/KG），b1、b2、b3點(diǎn)為蒸汽進(jìn)入凝汽器上部空間擴(kuò)容降壓后的可能參數(shù)點(diǎn)，c點(diǎn)為蒸汽經(jīng)凝汽器鈦管冷凝后的參數(shù)點(diǎn)（6kPa、36.2℃、167KJ/KG）。

由于噴水減溫投入，故ab過程為焓降膨脹過程，在該過程中在膨脹初期蒸汽先進(jìn)入濕蒸汽區(qū)，后由于壓力不斷下降最終可能進(jìn)入過熱區(qū)b1，也可能一直處于飽和蒸汽區(qū)b2、b3，b點(diǎn)落在哪里取決于其冷卻水量。

假設(shè)噴淋冷卻水溫為36.2℃（對(duì)應(yīng)6kPa飽和汽壓）、GCT-C排放蒸汽流量400t/h，經(jīng)噴淋冷卻后蒸汽溫度與對(duì)應(yīng)冷卻流量關(guān)系如下表1：

可見，噴淋冷卻水對(duì)蒸汽的降溫效果非常明顯，少量的噴淋冷卻水即可達(dá)到很顯著的降溫幅度，但對(duì)蒸汽焓降影響并不大。

表1 經(jīng)噴淋冷卻后蒸汽溫度與對(duì)應(yīng)冷卻流量關(guān)系表

汽機(jī)旁排時(shí)經(jīng)過了擴(kuò)容膨脹、噴水減溫、鈦管冷卻三個(gè)過程。下表2為蒸汽流量351 t/h、冷卻水25t/h時(shí)各過程中蒸汽溫度及焓值的變化。

表2 蒸汽溫度及焓值的變化表

上表直觀的說明了：GCT-C排放蒸汽溫度的下降絕大部分是在擴(kuò)容及噴水減溫過程中降低的，鈦管冷卻僅降低了蒸汽溫度12.9℃，只占總溫度下降值的4.9%。因此在GCT-C排放時(shí)只要噴淋冷卻水投入，汽機(jī)低壓缸及凝汽器將不會(huì)受到高溫蒸汽的沖擊，從溫度角度來講是安全的。

1.2 最低旁排噴淋冷卻流量

650MW核電機(jī)組《凝汽器技術(shù)規(guī)格書》指出凝汽器蒸汽溫度允許最高溫度為80℃。當(dāng)凝汽器冷卻管泄漏或單臺(tái)循泵運(yùn)行時(shí)，凝汽器需要單側(cè)運(yùn)行，此時(shí)汽輪機(jī)允許最大負(fù)荷為額定功率70%，此時(shí)應(yīng)保證凝汽器壓力不大于15kPa，排汽溫度不超過54℃。

以下按照《汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)手冊(cè)》蒸汽在最高壓力8.6MPa(a)下，按照排放溫度不大于80℃及54℃的要求，計(jì)算出在實(shí)際最大工況及設(shè)計(jì)最大工況下計(jì)算出最低旁排減溫水流量如下表3：

表3 實(shí)際最大工況及設(shè)計(jì)最大工況下計(jì)算出最低旁排減溫水流量表

因此理論上要求凝汽器雙列冷卻時(shí)旁排減溫水流量應(yīng)大于15.50 t/h，凝汽器單列冷卻時(shí)旁排減溫水流量應(yīng)大于23.62 t/h，即可滿足凝汽器要求，旁排減溫水總流量應(yīng)大于23.62*12=283.4 t/h。那么我廠旁排減溫水是否滿足上述理論要求呢？下表為1/2號(hào)機(jī)減溫減壓器設(shè)計(jì)參數(shù)：

表4 1/2號(hào)機(jī)減溫減壓器設(shè)計(jì)參數(shù)表

可以看到，1/2號(hào)機(jī)減溫減壓蒸汽流量設(shè)計(jì)偏小，只占額定負(fù)荷的75%Pn，未達(dá)到旁排設(shè)計(jì)85%Pn負(fù)荷要求。按照上表1/2號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)蒸汽及噴水流量，可計(jì)算出1/2號(hào)機(jī)減溫減壓器出口蒸汽溫度為59℃。這一溫度已經(jīng)超過凝汽器單側(cè)冷卻時(shí)最高溫度不能超過54℃要求，但仍滿足凝汽器雙列運(yùn)行不高于80℃要求?？梢?/2號(hào)機(jī)噴水量設(shè)計(jì)值明顯偏小。

2 凝汽器單側(cè)冷卻時(shí)蒸汽旁排對(duì)凝汽器的影響

旁排蒸汽對(duì)凝汽器的影響，主要分兩個(gè)方面，一是溫度的影響、二是壓力的影響。

對(duì)于溫度的影響在上節(jié)中我們已經(jīng)分析了，旁排蒸汽溫度滿足凝汽器雙側(cè)運(yùn)行設(shè)計(jì)要求（盡管1/2號(hào)機(jī)溫度裕度已為0）。1/2號(hào)機(jī)旁排蒸汽溫度超過凝汽器單側(cè)冷卻設(shè)計(jì)溫度，但這并不完全表明1/2號(hào)機(jī)旁排在凝汽器單側(cè)時(shí)不可運(yùn)行，具體分析見本節(jié)第三小節(jié)。

2.1 旁排蒸汽對(duì)凝汽器的沖擊

現(xiàn)場布置上，旁排管線布置在低壓缸排汽口下部，接管位置標(biāo)高約2m。而凝汽器鈦管布置在-7m層，目測旁排排汽口最下側(cè)距鈦管最頂端垂直距離至少3m。查看相關(guān)圖紙低壓缸排汽口至凝汽器鈦管上部這一巨大腔室內(nèi)除布置有1/2號(hào)低加外，并未設(shè)置用于左右間隔的隔板，即內(nèi)部處處是相通的。旁排的排汽應(yīng)該能夠象低壓缸排汽那樣很順暢地流向左右任一循泵對(duì)應(yīng)的鈦管冷卻區(qū)。因此個(gè)人覺得旁排管線與CRF循環(huán)水泵沒有特別嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

旁排進(jìn)入凝汽器的汽流方向與鈦管呈水平關(guān)系，且水平間距至少3m，這樣旁排蒸汽與鈦管之間并不存在直接的作用力。

這里還要考慮旁排蒸汽流速的問題，旁排蒸汽是以臨界噴射狀態(tài)進(jìn)入凝汽器的，其速度很高，達(dá)到音速。通常熱工蒸汽設(shè)計(jì)流速小于60 m/s，因此該流速相當(dāng)驚人。但實(shí)際上音速的流速僅出現(xiàn)在減溫減壓器出口孔板處，一旦進(jìn)入凝汽器腔室該速度將急劇下降。理由如下：

（1）凝汽器在旁排方向的截面積是減溫減壓器截面積的數(shù)十倍，根據(jù)質(zhì)量流量守恒原理，蒸汽進(jìn)入凝汽器后速度將很快下降。

（2）旁排蒸汽高速進(jìn)入凝汽器后，在運(yùn)動(dòng)方向上受凝汽器內(nèi)原有蒸汽沿運(yùn)動(dòng)方向反作用力，根據(jù)力學(xué)原理，此時(shí)蒸汽速度下降與蒸汽的質(zhì)量有很大關(guān)系，質(zhì)量越大，速度衰減的越慢。由于旁排蒸汽比容很大，單位質(zhì)量很小，因此蒸汽流速也將很快下降。

如上述分析旁排蒸汽進(jìn)入凝汽器后流速并不高且蒸汽密度很低，其動(dòng)能也很低，對(duì)凝汽器的壓力沖擊應(yīng)該可以接受。

還有一個(gè)問題，即新蒸汽降壓冷卻后處于過熱狀態(tài)，其比容應(yīng)該比低壓缸排汽濕飽和蒸汽要大，從而可能影響凝汽器壓力，經(jīng)查6KPa、120℃的過熱蒸汽對(duì)應(yīng)比容為30.22m3/Kg，而正常低壓缸排汽比容為23.73m3/Kg，兩都相差不算太大，在15%負(fù)荷附近，對(duì)凝汽器真空影響應(yīng)該較小，可以不考慮。

2.2 凝汽器單側(cè)冷卻原理

650MW核電機(jī)組凝汽器為單背壓、三殼體、單流程、對(duì)分表面式凝汽器。蒸汽流道采用上寬下窄布置，使得蒸汽能以合適的流速與鈦管發(fā)生熱交換。隨著蒸汽自上而下的流動(dòng)，在流動(dòng)過程中蒸汽不斷的被冷凝，因此越往凝汽器下側(cè)蒸汽量越小，為保證合適的蒸汽流速，蒸汽流道逐漸變窄。鈦管區(qū)兩側(cè)及底部設(shè)計(jì)了許多小的蒸汽分支流道，該設(shè)計(jì)是為了保證空間各處蒸汽所被冷卻的鈦管數(shù)量大致相等，避免出現(xiàn)局部蒸汽過度冷卻變成過冷水的情況。

管束中部設(shè)置有擋汽板隔出的空氣冷卻區(qū)，以使汽氣混合物及其非凝結(jié)氣體通過該區(qū)再次冷卻，冷卻后的不凝汽體通過空冷區(qū)的頂部由CVI真空泵抽走。設(shè)計(jì)上管束中部空氣冷卻區(qū)，比凝汽器入口壓力下的飽和溫度要低約4℃。

鈦管中間區(qū)是在整個(gè)凝汽器壓力最低區(qū)域，實(shí)際上蒸汽并非僅從鈦管上側(cè)進(jìn)入鈦管區(qū)進(jìn)行冷凝，而是由鈦管外側(cè)各個(gè)方向均勻地向鈦管中間區(qū)運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)力來自蒸汽自身冷凝形成的壓差。

兩列鈦管區(qū)是并列布置在凝汽器中的，之間未設(shè)置任何隔板，如果一列鈦管失去冷卻水，此時(shí)該列鈦管外側(cè)與中間區(qū)將無法形成冷凝壓差，蒸汽在該列形成汽塞無法流動(dòng)，這樣兩列鈦管區(qū)將形成一個(gè)持續(xù)的壓差，所有蒸汽將向正常列鈦管中間區(qū)流動(dòng)并冷凝，從而維持凝汽器處于真空狀態(tài)。同時(shí)由于單列鈦管冷卻有限，因此只能維持70%汽機(jī)功率。

2.3 旁排在凝汽器單側(cè)時(shí)可運(yùn)行性分析

由于旁排設(shè)計(jì)噴水流量偏小，在設(shè)計(jì)最大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)減溫減壓器出口蒸汽溫度為79.9℃。已經(jīng)超過凝汽器單側(cè)冷卻時(shí)最高溫度不能超過54℃要求。但這并不表明凝汽器單側(cè)時(shí)旁排完全不可運(yùn)行。

《凝汽器技術(shù)規(guī)格書》中指出凝汽器單側(cè)冷卻時(shí)排汽溫度不超過54℃的要求并非出于對(duì)鈦管的要求，而是為了保證各列凝汽器低壓缸之間的溫差不至過大，否則將導(dǎo)致形變過大，危急設(shè)備主要設(shè)備的安全。設(shè)計(jì)上采用了汽側(cè)平衡管，保證了各排汽口之間的溫差＜17℃。為達(dá)到這一要求，汽側(cè)平衡管截面設(shè)計(jì)得非常大2750mm*1750mm。

汽機(jī)旁排蒸汽進(jìn)入凝汽器后還存在三種可能的輔助冷卻措施：

（1）低壓缸排汽冷卻旁排蒸汽；

（2）CAR低壓缸末級(jí)葉片噴淋水冷卻旁排蒸汽；

（3）凝汽器水幕保護(hù)水冷卻旁排蒸汽。

我廠汽機(jī)轉(zhuǎn)速只要超過600rpm后，第1、2種方式至少存在一種，或者都存在。溫度超過這樣可以保證排汽口溫度低于54℃，在此工況下凝汽器單側(cè)冷卻時(shí)旁排運(yùn)行是可行的。

問題是當(dāng)汽機(jī)轉(zhuǎn)速低于600rpm時(shí)，上述兩種可能的輔助冷卻措施均不可用。這種情況將會(huì)發(fā)生在機(jī)組啟動(dòng)期間，反應(yīng)堆已功率運(yùn)行，處于GCT-C運(yùn)行，而汽機(jī)尚末沖轉(zhuǎn)的情況下。此時(shí)凝汽器幾乎只存在旁排這一唯一的進(jìn)汽，即以79.9℃溫度向凝汽器排汽，這勢必導(dǎo)致凝汽器低壓缸排汽口溫度超過54℃。

此時(shí)的輔助冷卻措施只有第3種方式，即凝汽器水幕保護(hù)。但凝汽器水幕保護(hù)投運(yùn)是靠凝汽器溫度高ST觸發(fā)投運(yùn)的，其定值為80℃，也即正常凝汽器雙側(cè)投運(yùn)時(shí)的允許運(yùn)行溫度，其ST定值設(shè)計(jì)并末考慮單側(cè)運(yùn)行的情況。

因此對(duì)于1/2號(hào)機(jī)來講汽機(jī)沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)期間是一個(gè)相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較高的狀態(tài)，此時(shí)若跳一臺(tái)CRF泵，將很可能導(dǎo)致凝汽器溫度超限。為了避免這種風(fēng)險(xiǎn)，建議只要GCT-C開啟即在DCS中強(qiáng)制開啟水幕保護(hù)閥，保證旁排溫度滿足要求。還應(yīng)密切關(guān)注凝汽器真空、汽機(jī)參數(shù)，尤其需要確認(rèn)低壓缸排汽口溫度＜54℃、半側(cè)解列凝汽器與其相連接的低壓缸＜17℃。

如無參數(shù)超限，可保持運(yùn)行。當(dāng)然保守起見，也可跳機(jī)后，手動(dòng)降核功率至P10以下，并切至GCT-A控制。

3 總結(jié)

基于本文分析，有以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）1/2號(hào)機(jī)旁排減溫水設(shè)計(jì)流量明顯偏低。該流量設(shè)計(jì)只考慮了最高負(fù)荷時(shí)的凝汽器溫度要求，但未考慮到凝汽器單側(cè)冷卻時(shí)的溫度要求，導(dǎo)致單側(cè)冷卻時(shí)排汽嚴(yán)重超溫；

（2）凝汽器水幕保護(hù)定值設(shè)計(jì)太高，不滿足凝汽器單側(cè)冷卻要求，建議由80℃修改為54℃；

（3）建議對(duì)1/2號(hào)實(shí)際的旁排噴淋流量進(jìn)行測量，以便確認(rèn)實(shí)際的旁排蒸汽溫度，并基于此提出針對(duì)性的措施；

（4）建議1/2號(hào)機(jī)一旦GCT-C帶負(fù)荷，即強(qiáng)制水幕保護(hù)閥門開啟。或者修改邏輯為GCT-C聯(lián)動(dòng)水幕保護(hù)投運(yùn)。以防止CRF泵跳閘后，凝汽器、低壓缸列間溫差過大，導(dǎo)致重要設(shè)備損壞。

［1］汽機(jī)旁排閥技術(shù)規(guī)格書[Z].Technical Specification for Turbine Bypass Valve.

［2］汽機(jī)旁排系統(tǒng)GCT手冊(cè)[Z].Turbine Bypass System(GCT)Manual.

［3］凝汽器技術(shù)規(guī)格書[Z].Technical Specification for650MWNuclear Power Condenser.

［4］SPEC 上海動(dòng)力設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)圖,1998 年版,圖號(hào)97702-0-0[Z].Design Drawing No. 97702-0-0, 1998, Shanghai Power Equipment Co, Ltd (SPEC)[Z].

Turbine Bypass Valve Operation Analysis under the Condition of Unilateral Cooling for 650MW Nuclear Power Condenser

YAN han DING Jian-yang GU Hong-bo
(CNNC Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.， Haiyan Zhejiang 314300，China)

Based mainly on the introduction to the structure of GCT-C bypass valve and pressure&temperature reducing device as well as the thermal process at Qishan 2-1/2,this paper analyzes whether the related thermal parameters can still meet the condenser design requirements in case of loss of a train of Circulating Water(CRF),that is a train of condenser cooling water is lost and the turbine bypass is put into operation under the condition of unilateral cooling.

GCT-C；Turbine bypass；Unilateral cooling；Thermal analysis

嚴(yán)瀚（1981—），男，上海人，本科，工程師，核電廠運(yùn)行工作。

丁劍陽（1978—），男，浙江人，本科，高級(jí)工程師，核電廠運(yùn)行工作

顧洪波（1978—）女，江西人，本科，工程師，經(jīng)驗(yàn)反饋/人因工程師。

鄧麗麗］