AP1000核電凝汽器的技術(shù)特點(diǎn)

胡偉卿

中電投電力工程有限公司

AP1000核電凝汽器的技術(shù)特點(diǎn)

胡偉卿

中電投電力工程有限公司

凝汽器是核電常規(guī)島的重要設(shè)備。凝汽器工作性能的好壞直接影響著整個(gè)機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性和安全性。因此，掌握凝汽器的工作原理和技術(shù)特點(diǎn)十分必要。AP1000核電凝汽器為三殼體、單流程、單背壓表面式凝汽器。本文簡(jiǎn)要介紹了凝汽器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、接口系統(tǒng)、試驗(yàn)項(xiàng)目。對(duì)凝汽器的技術(shù)特點(diǎn)充分認(rèn)識(shí)和理解的基礎(chǔ)上，對(duì)凝汽器的運(yùn)行注意事項(xiàng)提出建議，為AP1000凝汽器的調(diào)試和運(yùn)行提供幫助。

AP1000；常規(guī)島；凝汽器；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；運(yùn)行

0 概述

AP1000是引進(jìn)美國(guó)的第三代核電技術(shù)，采用先進(jìn)的非能動(dòng)壓水堆核電技術(shù)，每臺(tái)AP1000核電機(jī)組配置一臺(tái)百萬(wàn)兆瓦汽輪發(fā)電機(jī)組。凝汽器是核電機(jī)組常規(guī)島的重要設(shè)備之一，它是將汽輪機(jī)低壓缸排汽冷凝為水的一種表面式換熱器，是整個(gè)熱力循環(huán)中的冷源。凝汽器的主要功能是在汽輪機(jī)排汽口建立并維持一定的真空，使蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹至指定的壓力，以提高汽輪機(jī)的可用焓降，同時(shí)除去凝汽器中溶解的不凝結(jié)氣體，為凝結(jié)水的循環(huán)使用提供保障。

AP1000核電汽輪機(jī)有一個(gè)高壓缸、三個(gè)低壓缸，每個(gè)凝汽器連接至一個(gè)汽輪機(jī)低壓缸排汽口，凝汽器布置于汽輪機(jī)低壓缸下部，接收低壓缸排汽，被流經(jīng)鈦管的海水冷卻成凝結(jié)水，匯集至凝汽器底部的熱阱，再通過(guò)熱阱底部的連通管供給凝結(jié)水泵，經(jīng)凝結(jié)水泵升壓后依次流經(jīng)第1～4級(jí)的低壓加熱器初步加熱，進(jìn)入除氧器除氧和加熱，作為電動(dòng)給水泵的水源，經(jīng)電泵升壓，流經(jīng)各2臺(tái)并列布置的第6、7級(jí)高壓加熱器后，進(jìn)入核島的蒸汽發(fā)生器，形成一個(gè)蒸汽的閉環(huán)。

1 凝汽器的設(shè)計(jì)特性

1.1 凝汽器設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1)AP1000核電汽輪機(jī)的凝汽器為三殼體、單流程、單背壓、表面式的熱交換器。

2)凝汽器水平放置、冷卻介質(zhì)為海水，循環(huán)水進(jìn)出水管方向?yàn)椋簭钠啓C(jī)向發(fā)電機(jī)看，循環(huán)水從右側(cè)進(jìn)入，左側(cè)排出。

3)AP1000凝汽器設(shè)計(jì)考慮了防異物沖擊。在鈦管區(qū)上方布置有兩排位置交錯(cuò)的實(shí)心碳鋼棒，“品”字形分布，防止蒸汽夾帶的較大異物直接沖擊到鈦管上。

4)凝汽器與低壓缸采用橡膠補(bǔ)償節(jié)柔性連接，凝汽器與基礎(chǔ)的連接采用剛性支撐。在低壓缸與凝汽器中間殼體過(guò)渡段之間，安裝橡膠膨脹節(jié)，用以吸收運(yùn)行期間的熱應(yīng)力。該膨脹節(jié)通過(guò)固定在內(nèi)側(cè)殼體的上下壓板固定，壓板外側(cè)有3 mm厚的保護(hù)鐵板，鐵板通過(guò)螺栓固定在上半壓板，防止蒸汽的沖刷。

5)第1級(jí)和第2級(jí)抽汽管道以及第1級(jí)和第2級(jí)低壓給水加熱器布置在凝汽器內(nèi)部，每段抽汽管道上設(shè)置1個(gè)不銹鋼波紋狀膨脹節(jié)，用以吸收管道的應(yīng)力，抽汽管道不設(shè)置逆止閥、隔離閥等，抽汽由低壓缸直接進(jìn)入1、2級(jí)低壓加熱器內(nèi)，因此第1、2級(jí)的低壓加熱器不能在機(jī)組運(yùn)行時(shí)進(jìn)行維護(hù)。

6)凝汽器A、B、C之間設(shè)計(jì)有平衡管，用以平衡汽側(cè)壓力。每相鄰的凝汽器汽側(cè)通過(guò)直徑2.0m的平衡管連通，用以平衡蒸汽側(cè)壓力。

7)凝汽器設(shè)計(jì)了一套檢漏裝置，監(jiān)視凝汽器鈦管的泄漏情況。為了快速檢測(cè)冷卻管束、前、后管板的密封焊泄漏情況，將每臺(tái)凝汽器底部的熱阱，分隔成6個(gè)區(qū)域，每一區(qū)域各有單獨(dú)的檢漏接口引出管。

8)凝汽器設(shè)計(jì)兩組真空測(cè)量管用于性能試驗(yàn)及性能監(jiān)測(cè)。每個(gè)凝汽器有6個(gè)真空性能試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)和4個(gè)真空性能監(jiān)測(cè)測(cè)量點(diǎn)。

1.2 凝汽器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)和材質(zhì)

2.凝汽器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

凝汽器本體由殼體、水室、冷卻水管、熱阱及附屬設(shè)備組成。如圖1所示。

圖1 凝汽器結(jié)構(gòu)圖

2.1 殼體

AP1000凝汽器的殼體主要由主殼體、中間殼體(裙板殼體)組成。

主殼體：主殼體由冷卻管束、管板、管束支撐板、疏水盤、熱阱等組成。正常運(yùn)行時(shí)凝汽器內(nèi)部處于真空狀態(tài)，使用型鋼和加強(qiáng)管來(lái)增強(qiáng)殼體承受真空的能力。此外，還設(shè)有眾多的疏水接口，接收其它系統(tǒng)疏水。

中間殼體：為了有效利用空間，凝汽器中間殼體布置1#、2#低壓加熱器各一臺(tái)，同時(shí)還布置有抽汽管組。中間殼體內(nèi)部還布置有縱橫交錯(cuò)的的加固管、型鋼等。運(yùn)行期間，凝汽器內(nèi)部呈真空狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)的殼體能承受真空負(fù)壓。

2.2 水室

凝汽器的水室是循環(huán)海水的管路連接凝汽器冷卻管管板的中間部分。水室內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)支撐管，兩根抽空氣管橫穿水室。水室配有人孔以便于檢查，每個(gè)水室上下各有兩個(gè)人孔，下部人孔為檢修用人孔，上部人孔為通風(fēng)使用。水室內(nèi)表面和內(nèi)部管件全部襯有3mm厚的耐腐蝕橡膠。水室的水位通過(guò)翻板式液位計(jì)進(jìn)行觀察。在出口側(cè)的水室上部設(shè)置水側(cè)磁翻板液位計(jì)，用以觀察后水室上部有無(wú)空氣。水室的分隔布置允許凝汽器單側(cè)關(guān)閉時(shí)，仍能維持汽輪機(jī)連續(xù)運(yùn)行。

凝汽器水室在地下室中，凝汽器水室的安裝高度由電廠廠坪標(biāo)高和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案綜合決定。合理選擇凝汽器安裝高度，有助于在凝汽器出口管建立虹吸以節(jié)

省循環(huán)水泵耗能。

2.3 管束

AP1000凝汽器的冷卻管，應(yīng)用了抗腐蝕性能最好的鈦管，但同時(shí)鈦管無(wú)毒，較適宜海生物的生長(zhǎng)和繁殖。

每臺(tái)凝汽器的鈦管外徑為25.4 mm，有效長(zhǎng)度為18000 mm，有兩種規(guī)格，分別為壁厚為0.05 mm的21220根和壁厚為0.07 mm的1800根，薄壁鈦管在管束內(nèi)側(cè)，外2層包繞著稍厚的鈦管，可以防止蒸汽的沖刷；每流程的管束分上下2層布置，管束布置如圖2所示，上下層管束中間設(shè)有抽不凝結(jié)氣體的空氣管，這種設(shè)計(jì)可以較高提高了鈦管的熱交換能力；鈦管通過(guò)脹管和密封焊的形式固定在兩端管板上，脹管長(zhǎng)度為26 mm。

圖2 凝汽器管束布置圖

2.4 管板及管束支撐板

管板(復(fù)合板)布置在凝汽器主殼體前后端最外側(cè)，只有兩塊，均為雙層鋼的復(fù)合板，前后管板直接與水室以法蘭方式連接，外表面的鈦板層直接與海水接觸。

管束支撐板主要起支撐、加固冷卻管束和防止管束振動(dòng)的作用。沿鈦管縱向布置有27塊厚度為16mm的碳鋼支撐板，管束支撐板的管孔數(shù)與管板相同，孔徑略大，穿管時(shí)，臨時(shí)不安裝前管板，全部管束穿完后，再就位前管板，將管束回穿過(guò)前管板，這種設(shè)計(jì)和安裝大大降低了鈦管的磨損，主要防止安裝時(shí)對(duì)鈦管的劃傷。

2.5 熱阱

每個(gè)凝汽器設(shè)置有兩個(gè)熱阱，每個(gè)熱阱均設(shè)置不銹鋼濾網(wǎng)，可以防止雜質(zhì)流入凝結(jié)水泵。另外設(shè)計(jì)了豎立的磁力棒，用以吸附金屬雜質(zhì)，防止金屬雜質(zhì)流入給水系統(tǒng)和凝結(jié)水泵內(nèi)。每個(gè)凝汽器的熱阱都設(shè)有就地液位計(jì)用來(lái)檢查水位。另外，凝汽器C熱阱安裝了水位遠(yuǎn)傳液位變送器。通過(guò)正常補(bǔ)水管路，將水位控制在運(yùn)行水位。

3 凝汽器的調(diào)試、運(yùn)行

3.1 凝汽器的接口系統(tǒng)

與凝汽器接口的系統(tǒng)主要有凝汽器管側(cè)的循環(huán)水系統(tǒng)，殼側(cè)的真空系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、主蒸汽系統(tǒng)及疏排水系統(tǒng)。

1)抽真空系統(tǒng)。低壓缸排汽在凝汽器內(nèi)部被冷卻成凝結(jié)水，但還有不凝結(jié)氣體聚集在凝汽器內(nèi)部，必將影響凝汽器的效率，因此在上下管束中間各設(shè)計(jì)了抽空氣管將此類氣體抽出并排至凝汽器之外。另外，凝汽器的工作壓力很低，即有很高的真空度，這就要求凝汽器本體及真空系統(tǒng)具有高度的嚴(yán)密性，以防止空氣漏入，影響凝汽器內(nèi)換熱條件，降低真空和污染凝結(jié)水。因此，凝汽器汽側(cè)設(shè)置了3臺(tái)水環(huán)式真空泵，抽空氣管沿海水流動(dòng)方向，每段的開(kāi)孔數(shù)量呈逐漸減少趨勢(shì)。

2)主蒸汽系統(tǒng)。AP1000主蒸汽旁排的設(shè)計(jì)容量為額定容量的40%，每個(gè)凝汽器布置兩路旁排管線。汽輪機(jī)旁排管線用來(lái)防止旁排蒸汽直接沖刷凝汽器鈦管。旁排管采用雙層套管結(jié)構(gòu)，內(nèi)層管汽孔沿管四周對(duì)稱布置，外層管汽孔布置在管中心線的下部?jī)蓚?cè)?？紤]到旁路蒸汽溫度較高，支架與管束之間不允許焊接。

當(dāng)汽輪機(jī)旁排蒸汽流入時(shí)，噴淋管線向凝汽器內(nèi)噴入噴淋水來(lái)降低旁排蒸汽溫度。三菱新的設(shè)計(jì)將噴淋頭安裝在管線上部，有效避免了原設(shè)計(jì)引起的空氣積聚在管線上部易引起水擊的現(xiàn)象。

3)疏排水系統(tǒng)。與火電機(jī)組相比，核電機(jī)組疏排水較多。除汽輪機(jī)本體疏水和高、低加疏水外，核電機(jī)組還有汽水分離再熱器MSR疏水，汽水分離再熱器疏水由MSR殼側(cè)疏水、一級(jí)再熱器疏水和二級(jí)再熱器疏水；這些疏水都設(shè)置了相互獨(dú)立的疏水系統(tǒng)，加大了凝汽器疏水管線的布置難度。

3.2 凝汽器的試驗(yàn)

凝汽器的試驗(yàn)主要有管側(cè)的注水查漏試驗(yàn)、殼側(cè)的凝汽器灌水試驗(yàn)及真空嚴(yán)密性試驗(yàn)。

1)凝汽器管側(cè)的注水查漏試驗(yàn)主要是對(duì)凝汽器循環(huán)水側(cè)水室法蘭、人孔及各連接管道的焊縫進(jìn)行查漏。關(guān)閉凝汽器循環(huán)水出、入口蝶閥，分別向出、入口蝶閥間的管道注水，檢查有無(wú)泄漏。

2)殼側(cè)的灌水試驗(yàn)在凝汽器通循環(huán)水前完成，向凝汽器殼側(cè)注入除鹽水，灌水高度為膨脹節(jié)上部300 mm，靜置24小時(shí)，檢查凝汽器鈦管、與凝汽器相連接的管道、閥門等有無(wú)滲漏。AP1000凝汽器為剛性支撐，設(shè)計(jì)有灌水支撐，因此在灌水試驗(yàn)時(shí)不需再對(duì)凝汽器進(jìn)行加固。

3)凝汽器真空嚴(yán)密性試驗(yàn)有啟動(dòng)前的真空嚴(yán)密性試驗(yàn)和在機(jī)組帶80%額定負(fù)荷以上進(jìn)行的嚴(yán)密性試驗(yàn)。前者通過(guò)三臺(tái)真空泵在軸封系統(tǒng)投運(yùn)情況下對(duì)凝汽器及其相連的設(shè)備、管道進(jìn)行抽真空，一般達(dá)到90kPa即可。而后者是在機(jī)組帶80%額定負(fù)荷以上情況下，停運(yùn)所有真空泵，檢查凝汽器真空的下降情況；真空下降率小于0.13kPa為優(yōu)秀，小于0.27kPa為良好，小于0.40kPa為合格；若真空下降速度大于0.67kPa則應(yīng)停機(jī)查找原因。

3.3 凝汽器的半邊運(yùn)行

當(dāng)凝汽器的冷卻水管臟污需要進(jìn)行半邊清理或凝汽器冷卻水管泄漏需要進(jìn)行堵管操作時(shí)將機(jī)組負(fù)荷降至額定負(fù)荷的75%左右(根據(jù)凝汽器真空帶負(fù)荷)，凝汽器循環(huán)水側(cè)半邊停運(yùn)隔離。

4 結(jié)束語(yǔ)

凝汽器設(shè)備龐大、接口系統(tǒng)多、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，充分認(rèn)識(shí)AP1000核電凝汽器的技術(shù)特點(diǎn)有助于指導(dǎo)汽輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在后續(xù)凝汽器的運(yùn)行中需要注意以下幾點(diǎn)：

1)每根抽汽管道有一個(gè)不銹鋼材料的膨脹節(jié)，膨脹節(jié)至汽輪機(jī)以上的抽汽管道為不銹鋼，膨脹節(jié)以下的抽汽管道為碳鋼材料，現(xiàn)場(chǎng)焊接注意異種鋼焊接。如果檢修期間需要更換抽汽管道，注意需要距離膨脹節(jié)處500 mm以上距離進(jìn)行焊接。

2)AP1000汽輪機(jī)在低壓缸與凝汽器中間殼體之間采用橡膠膨脹節(jié)連接，未設(shè)置密封水，隨著機(jī)組啟停及運(yùn)行期間的熱膨脹，橡膠膨脹節(jié)存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，影響機(jī)組的真空，運(yùn)行中應(yīng)引起重視。

3)凝汽器管束布置結(jié)構(gòu)的特殊性，抽氣管線從管束中間伸出，穿過(guò)凝汽器水室后連接至真空泵。雖然抽空氣管使用襯膠防腐，但由于襯膠工藝要求高，一般難以保證其襯膠厚薄均勻、無(wú)氣孔， 此方法防腐很難使抽空氣管保持長(zhǎng)久不受海水腐蝕，因此在運(yùn)行中應(yīng)引起重視，加強(qiáng)抽空氣管的檢查，以便及時(shí)處理。

4)機(jī)組運(yùn)行中要做好凝汽器的防腐、防垢監(jiān)督；保持循環(huán)水加藥系統(tǒng)運(yùn)行正常，控制好循環(huán)水中的氯離子含量；利用機(jī)組大小修機(jī)會(huì)對(duì)凝汽器水室、管板、支撐構(gòu)件等部件的結(jié)垢、腐蝕和微生物滋生情況進(jìn)行檢查處理。

[1] 廖亞民. AP1000核電廠常規(guī)島系統(tǒng)初級(jí)運(yùn)行[M]. 北京.中國(guó)原子能出版?zhèn)髅接邢薰?2011.9

[2] 吳文龍等. 凝汽器腐蝕與結(jié)垢控制技術(shù)[M]. 北京. 中國(guó)電力出版社. 2011.12

胡偉卿(1984—)，女，山西陽(yáng)泉人，工程師，碩士學(xué)位?，F(xiàn)從事AP1000核電調(diào)試工作。