內(nèi)陸核電廠冷端優(yōu)化分析

趙銀亮，李春曦，李達(dá)然，郭有

(1. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003；2. 國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100095)

內(nèi)陸核電廠冷端優(yōu)化分析

趙銀亮1，李春曦1，李達(dá)然2，郭有2

(1. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003；2. 國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100095)

根據(jù)內(nèi)陸AP1 000核電廠冷卻水系統(tǒng)的特點(diǎn)，為了確保在機(jī)組整個(gè)壽命期內(nèi)獲得最大效益，綜合考慮機(jī)組投資、運(yùn)行費(fèi)用及收益等因素，采用年費(fèi)用最小法，對三缸四排汽雙背壓機(jī)組和四缸六排汽三背壓機(jī)組進(jìn)行了冷端優(yōu)化，比較了兩種類型機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，并分析了冷凝管內(nèi)流速、冷卻倍率、凝汽器面積、冷卻塔面積和氣象條件等對冷端年總費(fèi)用的影響。結(jié)果表明：四缸六排汽三背壓機(jī)組經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于三缸四排汽雙背壓機(jī)組；兩種類型機(jī)組冷端年總費(fèi)用隨冷凝管流速及冷卻塔面積增加均呈先減后增的趨勢，端差接近2.8 ℃時(shí)的凝汽器面積對應(yīng)的年總費(fèi)用較低；與南方廠址相比，北方廠址年總費(fèi)用最小方案的冷卻倍率、凝汽器面積、冷卻塔面積及年總費(fèi)用均減小。

核電站；冷端優(yōu)化；年費(fèi)用最小法

0 引言

核電機(jī)組因排汽容量較大和帶基本負(fù)荷的特點(diǎn)，冷端條件對機(jī)組投資及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響較大，因此對核電汽輪機(jī)組進(jìn)行冷端優(yōu)化，選擇合適冷端參數(shù)具有非常重要的實(shí)際意義。

對于內(nèi)陸AP1 000核電機(jī)組，低壓缸數(shù)量和凝汽器型式對機(jī)組冷端年費(fèi)用影響較大。對于單背壓機(jī)組，由于端差限制，難以配置大容量凝汽器，并且凝汽器冷卻效率較低，致使其經(jīng)濟(jì)性受限。美國內(nèi)陸核電站多采用雙背壓或三背壓方案，國內(nèi)田灣核電、湖南桃花江核電擬采用三缸四排汽雙背壓機(jī)組，江西彭澤核電擬采用四缸六排汽三背壓機(jī)組。目前，已有學(xué)者[1～4]開展了內(nèi)陸核電廠冷端優(yōu)化研究，分析了不同低壓缸型式、凝汽器參數(shù)和冷卻塔型式對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響。

但對于雙背壓和三背壓兩種機(jī)組的冷端配置對比分析，以及氣象條件對冷端配置的影響研究尚不完善。因此，本文根據(jù)南方某典型內(nèi)陸廠址，采用年費(fèi)用最小法，對雙背壓和三背壓凝汽器型式的AP1 000核電機(jī)組進(jìn)行冷端優(yōu)化，確定合理冷端配置，分析冷凝管內(nèi)流速、冷卻倍率、凝汽器面積和冷卻塔面積對年總費(fèi)用的影響；探討不同氣象條件下，冷端配置方案及年總費(fèi)用的變化，為內(nèi)陸核電機(jī)組確定冷端最優(yōu)方案提供參考。

1 冷端系統(tǒng)優(yōu)化方法

冷端優(yōu)化的目的是結(jié)合廠址及機(jī)組運(yùn)行條件，通過對不同低壓缸型式、凝汽器型式和面積、冷卻倍率、循環(huán)水泵配置、供回水管道配置以及冷卻塔型式和淋水面積等冷端參數(shù)進(jìn)行組合，通過水力、熱力和經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，得出能夠保證機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并使機(jī)組冷端投資和系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用折算到年費(fèi)用最小的冷端設(shè)備配置方案[5～8]。

內(nèi)陸核電站冷端優(yōu)化范圍包括汽輪機(jī)末端和帶冷卻塔的二次循環(huán)供水系統(tǒng)，主要參數(shù)包括汽輪機(jī)低壓缸數(shù)量NLP、凝汽器型式、最佳背壓pb、冷卻倍率m、凝汽器面積A、冷凝管內(nèi)水流速vw、冷凝管管長L、冷凝管管徑d、凝汽器端差δt、凝汽器進(jìn)出口水溫tw1和tw2、冷卻塔數(shù)量Na和冷卻塔面積Fa等。冷端優(yōu)化范圍和參數(shù)之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 冷端系統(tǒng)簡圖

年費(fèi)用最小法是指把投資和生產(chǎn)成本及收益結(jié)合時(shí)間因素進(jìn)行計(jì)算，將各方案的建造和設(shè)備投資考慮復(fù)利因素，換算成經(jīng)濟(jì)適用年限內(nèi)，每年年末的等額償付成本，加上每年的運(yùn)行成本及收益，構(gòu)成各方案年費(fèi)用。年費(fèi)用最小方案為經(jīng)濟(jì)可取方案。

(1)總投資費(fèi)用

P=∑Pj

(1)

式中：P為總投資現(xiàn)值，萬元；Pj為各項(xiàng)土建和設(shè)備投資，萬元。

(2)循環(huán)水泵電費(fèi)

(2)

式中：μa1為年水泵耗電費(fèi)用，元；ρ為循環(huán)水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Hi各月循環(huán)水泵總揚(yáng)程，m；Qi為各月循環(huán)水泵水量，m3/s；ηd為循環(huán)水泵各月運(yùn)行效率；ηp為電動(dòng)機(jī)效率；Ti為各月循環(huán)水泵運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h；C1為電廠發(fā)電成本電價(jià)，元/kW·h。

(3)機(jī)組微增電費(fèi)

多壓凝汽器的飽和壓力由各汽室飽和蒸汽溫度的平均值來計(jì)算，計(jì)算遵循以下假設(shè)：汽輪機(jī)低壓缸排入多壓凝汽器各汽室的蒸汽量相等；各汽室熱負(fù)荷相等；各汽室冷卻水溫相等；各汽室冷卻面積相等[9]。

(3)

(4)

(5)

式中：n為多壓凝汽器汽室數(shù)量；twi為第i級凝汽器進(jìn)口水溫，℃；Δt為多壓凝汽器冷卻水溫升，℃；δti為第i級凝汽器端差，℃；tsi為各汽室飽和蒸汽溫度，℃；ts·m為多壓凝汽器平均飽和蒸汽溫度，℃；pk為多壓凝汽器飽和壓力，kPa。

各月水溫變化時(shí)需通過調(diào)整循環(huán)水泵運(yùn)行數(shù)量來調(diào)節(jié)循環(huán)水量，這將改變汽輪機(jī)背壓。一般地，假定汽輪機(jī)凝汽量和進(jìn)汽參數(shù)不變，進(jìn)而計(jì)算背壓改變引起的機(jī)組微增功率的變化。根據(jù)汽輪機(jī)制造廠提供的背壓對機(jī)組功率修正曲線求出機(jī)組功率的變化。

汽輪機(jī)背壓變化引起的機(jī)組微增電費(fèi)

μa2=-∑ΔNiC2Ti

(6)

式中：μa2為年微增電費(fèi)，元；ΔNi為各月微增出力，kW；C2為微增電價(jià)，元/kW·h；Ti為各月機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h。

(4)年運(yùn)行費(fèi)用

(7)

式中：μa為年運(yùn)行費(fèi)用，萬元。

(5)年總費(fèi)用

NF=P×AFCR+μa

(8)

式中：NF為年費(fèi)用值，萬元；AFCR為年固定費(fèi)用率。

2 冷端優(yōu)化算例

冷端優(yōu)化計(jì)算依托某南方內(nèi)陸濱河廠址進(jìn)行，依托廠址規(guī)劃建設(shè)4臺AP1000核電機(jī)組，采用帶自然通風(fēng)冷卻塔的二次循環(huán)供水系統(tǒng)，年平均氣溫21.8 ℃，相對濕度78 %，大氣壓100.87 kPa。

2.1 機(jī)組參數(shù)

圖2和圖3分別給出了主機(jī)廠提供的三缸四排汽雙背壓機(jī)組和四缸六排汽三背壓機(jī)組的背壓—功率變化曲線，表1為機(jī)組參數(shù)。

圖2 三缸四排汽雙背壓機(jī)組背壓—功率變化曲線

圖3 四缸六排汽三背壓機(jī)組背壓—功率變化曲線

機(jī)組類型三缸四排汽雙背壓四缸六排汽三背壓設(shè)計(jì)背壓/kPa6.05.2額定功率/MW1239.71253.5額定凝汽量/(t·h-1)3601.003569.08凝汽焓差/(kcal·kg-1)520.290517.935

2.2 冷端優(yōu)化方案

三缸四排汽雙背壓機(jī)組與四缸六排汽三背壓機(jī)組布置方案均為：一座逆流式自然通風(fēng)冷卻塔；一座循環(huán)水泵房，內(nèi)設(shè)四臺循環(huán)水泵；兩條循環(huán)水供水母管，兩條回水母管。參與比選的冷端方案如表2和表3所示。

表2 依托廠址雙背壓機(jī)組冷端方案組合

表3 依托廠址三背壓機(jī)組冷端方案組合

2.3 冷端優(yōu)化結(jié)果

分別針對兩種機(jī)型的80個(gè)冷端組合方案開展冷端優(yōu)化，根據(jù)HEI規(guī)定凝汽器端差應(yīng)不小于2.8 ℃，否則無法滿足凝汽器預(yù)期的傳熱性能[10]，排除凝汽器端差小于2.8 ℃的方案，將各自年總費(fèi)用最小的冷端方案列于表4中。

由表4可知，對于依托廠址，四缸六排汽三背壓機(jī)組的年固定費(fèi)用高于三缸四排汽雙背壓機(jī)組，但由于三背壓機(jī)組可配置較大面積的凝汽器，且三背壓凝汽器冷卻效率高于雙背壓凝汽器，使得四缸六排汽機(jī)組運(yùn)行背壓較低，機(jī)組出力較大，最終雙背壓機(jī)組年總費(fèi)用比三背壓機(jī)組多出1 546.94萬元?？梢姡瑢τ谝劳袕S址，四缸六排汽三背壓機(jī)組經(jīng)濟(jì)性要明顯優(yōu)于三缸四排汽雙背壓機(jī)組。

表4 依托廠址雙背壓機(jī)組與三背壓機(jī)組年總費(fèi)用最小方案

2.4 冷凝管內(nèi)流速的影響

冷凝管內(nèi)冷卻水流速對凝汽器傳熱性能和阻力特性有很大影響。提高冷凝管內(nèi)流速一方面可增強(qiáng)換熱效果，但同時(shí)也增大了流動(dòng)阻力，并且有可能引起管端沖蝕；流速過低則會(huì)造成懸浮物在管內(nèi)沉積，導(dǎo)致?lián)Q熱性能變差，并引起腐蝕。不銹鋼管和鈦管，設(shè)計(jì)流速取值范圍一般為2.1～2.4m/s，依托工程采用不銹鋼管TP316。

圖4為雙背壓機(jī)組(冷卻倍率42、凝汽器面積120 000 m2、冷卻塔面積22 000 m2)和三背壓機(jī)組(冷卻倍率42、凝汽器面積140 000 m2、冷卻塔面積22 000 m2)兩種類型機(jī)組的年總費(fèi)用隨冷凝管內(nèi)水流速的變化。

該圖表明，在流速1.8～2.3 m/s范圍內(nèi)，當(dāng)凝汽器面積和冷卻管長度不變時(shí)，隨流速升高，凝汽器基本總傳熱系數(shù)提高，換熱效果增強(qiáng)，由此凝汽器背壓降低、機(jī)組出力增大；另一方面，流速升高使得凝汽器水室、管端及冷凝管內(nèi)水阻變大，循環(huán)水泵功耗增大。當(dāng)流速提高到2.4 m/s時(shí)，凝汽器端差小于2.8 ℃，不再滿足設(shè)計(jì)要求。由圖4可知冷端年總費(fèi)用隨流速升高呈先減后增的趨勢，雙背壓與三背壓機(jī)組凝汽器經(jīng)濟(jì)流速在2.1～2.2 m/s之間。

圖4 年總費(fèi)用隨冷凝管內(nèi)水流速的變化

2.5 凝汽器面積的影響

圖5為雙背壓機(jī)組和三背壓機(jī)組冷卻塔面積為22 000 m2，不同冷卻倍率下年總費(fèi)用隨凝汽器面積的變化。

對于雙背壓和三背壓機(jī)組，在其他參數(shù)確定，僅增大凝汽器面積時(shí)：凝汽器造價(jià)上升；凝汽器端差減小，背壓降低，年微增電費(fèi)下降；水阻變大，水泵耗電費(fèi)用增加。僅冷卻倍率變大時(shí)：年固定費(fèi)用不變；凝汽器端差增大，背壓降低，年微增電費(fèi)下降；水量變大，水泵耗電費(fèi)用增加。當(dāng)凝汽器面積超過一定值，或冷卻倍率小于一定值時(shí)，凝汽器端差將小于2.8 ℃，不再滿足設(shè)計(jì)要求。表5給出了三背壓機(jī)組冷卻倍率為42，凝汽器面積變化時(shí)的優(yōu)化結(jié)果，由此可見，凝汽器面積變化時(shí)，年總費(fèi)用受年微增電費(fèi)影響較大。

綜合圖5及表5中的結(jié)果可知，凝汽器經(jīng)濟(jì)面積與凝汽器型式、冷卻倍率有關(guān)，通常是端差接近2.8 ℃時(shí)的凝汽器面積對應(yīng)的年總費(fèi)用較低。

圖5 不同冷卻倍率下年總費(fèi)用隨凝汽器面積的變化

凝汽器面積/m2端差/℃年固定費(fèi)用/萬元年微增電費(fèi)/萬元水泵耗電費(fèi)用/萬元年總費(fèi)用/萬元1300003.245492.892739.284062.8212294.991350002.965547.262561.734112.4412221.431400002.835601.642416.024161.4812179.14

2.6 冷卻塔面積的影響

圖6為雙背壓機(jī)組凝汽器面積為12 000 m2、三背壓機(jī)組凝汽器面積為14 000 m2，兩種類型機(jī)組的年總費(fèi)用在不同冷卻倍率下隨冷卻塔面積的變化。

圖6 不同冷卻倍率時(shí)年總費(fèi)用隨冷卻塔面積的變化

該圖表明，對于雙背壓和三背壓機(jī)組，在其他參數(shù)確定時(shí)，增大冷卻塔面積，將使冷卻塔造價(jià)上升；背壓降低，年微增電費(fèi)下降；水阻變大，水泵耗電費(fèi)用增加。表6給出了三背壓機(jī)組冷卻倍率為42，冷卻塔面積變化時(shí)的優(yōu)化結(jié)果，由此可見，冷卻塔面積變化時(shí)，年總費(fèi)用受年固定費(fèi)用和年微增電費(fèi)的影響均較大。

表6 冷卻塔面積變化時(shí)優(yōu)化結(jié)果

上述結(jié)果表明：冷卻塔經(jīng)濟(jì)面積與冷卻倍率關(guān)聯(lián)度較低，隨冷卻塔面積增加，年總費(fèi)用呈現(xiàn)先減后增的變化趨勢。

2.7 不同氣象條件的影響

氣象條件的變化將影響冷卻塔性能，進(jìn)而改變冷端最小年總費(fèi)用及其組合方案。表7給出了北方某廠址(年平均氣溫12.3 ℃、相對濕度72 %、大氣壓力101.47 kPa)冷端優(yōu)化的計(jì)算結(jié)果。

對比表4和表7可以看出：對于南方和北方廠址，雙背壓機(jī)組年總費(fèi)用比三背壓機(jī)組分別高出1 546.94萬元和1 576.23萬元，兩者相差很小，可見，四缸六排汽三背壓機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于三缸四排汽雙背壓機(jī)組，并且兩種類型機(jī)組年總費(fèi)用差值受南北方氣象因素影響較小。

表7 北方廠址雙背壓機(jī)組與三背壓機(jī)組年總費(fèi)用最小方案

雙背壓和三背壓機(jī)組年總費(fèi)用最小的冷端配置方案中，北方廠址與南方廠址相比，兩種類型機(jī)組的冷卻倍率、凝汽器面積和冷卻塔面積均下降，年固定費(fèi)用下降；年平均背壓均下降約1.3 kPa，機(jī)組出力增大，并且循環(huán)水系統(tǒng)水阻下降、水量減少，水泵耗電費(fèi)用減少，使得年運(yùn)行費(fèi)用減小，最終兩種類型機(jī)組年總費(fèi)用均減少約4 300萬元。

3 結(jié)論

(1) 四缸六排汽三背壓機(jī)組經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于三缸四排汽雙背壓機(jī)組，兩種類型機(jī)組年總費(fèi)用差值受氣象因素影響較小。

(2) 冷凝管內(nèi)流速對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性有一定影響，冷端年總費(fèi)用隨流速升高呈先減后增的趨勢，雙背壓與三背壓機(jī)組凝汽器經(jīng)濟(jì)流速為2.1～2.2 m/s。

(3) 對于雙背壓和三背壓機(jī)組，凝汽器經(jīng)濟(jì)面積與凝汽器型式、冷卻倍率有關(guān)，通常是端差接近2.8 ℃時(shí)的凝汽器面積對應(yīng)的年總費(fèi)用較低。冷卻塔經(jīng)濟(jì)面積與冷卻倍率關(guān)聯(lián)度較低，隨冷卻塔面積增加，年總費(fèi)用呈現(xiàn)先減后增的趨勢。

(4) 對于氣象條件差異較大的廠址，年總費(fèi)用最小的冷端配置方案將發(fā)生變化，與南方廠址相比，北方廠址年總費(fèi)用最小方案的冷卻倍率、凝汽器面積、冷卻塔面積及年總費(fèi)用均減小。

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Optimization of Cold-end System in an Inland Nuclear Power Plant

Zhao Yinliang1，Li Chunxi1，Li Daran2，Guo You2

(1.School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2.State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100095,China)

Considering the characteristics of the cooling water system in an inland AP1 000 nuclear power plant and the elements of investment, operating cost and benefit, the cold-end systems of the nuclear steam turbine using three-cylinder four-exhaust, double back pressure and four-cylinder six-exhaust, triple back pressure were optimized with minimum annual expense method. The system is considered to be able to ensure the maximum benefit during the wholelife of the unit.The economy of the two types of the units was compared and the effects of flow velocity inside the condenser tube, cooling rate, condenser area, cooling tower area and meteorological condition on the annual expense were investigated. The results show that the economy of the steam turbine unit with four-cylinder six-exhaust, triple back pressure is much better than that with three-cylinder four-exhaust, double back pressure. Both of the annual expenses of the two types of the units decrease at the early stage and then increase with the increase of the flow velocity inside the condenser tube or cooling tower area. The annual expense of the condenser area with the terminal temperature difference close to 2.8 ℃ is relatively low. In the scheme suggested by minimum annual expense method, the cooling rate, condenser area, cooling tower area and total annual expense in a northern power plant are less than those in a southern power plant.

nuclear power plant; optimization of cold-end system; minimum annual expense method

2015-07-25。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(13MS98)。

趙銀亮(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娬緹崃ο到y(tǒng)及設(shè)備，E-mail：zhaoyinliang30@163.com。

TK264.1

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.09.003