核電廠汽輪機(jī)功率背壓特性分析

吳其方，王志強(qiáng)

（福建福清核電有限公司，福建 福清 350318）

核電廠汽輪機(jī)功率背壓特性分析

吳其方，王志強(qiáng)

（福建福清核電有限公司，福建 福清 350318）

文章采用通用計(jì)算法對某核電廠投標(biāo)廠家所提供的汽輪機(jī)功率背壓特性曲線進(jìn)行了校核分析。通過功率背壓特性曲線的分析對比，論證該核電廠汽輪機(jī)冷端優(yōu)化，判斷在該核電廠現(xiàn)有廠址條件下汽輪發(fā)電機(jī)組投標(biāo)方案中凝汽器面積設(shè)置的合理性。

核電廠；汽輪機(jī)；功率背壓特性；分析

核電廠與火電廠的蒸汽熱力系統(tǒng)相比，核電廠的初參數(shù)低且濕度大，核電機(jī)組蒸汽參數(shù)低為略帶濕度的飽和蒸汽，這比常規(guī)火電發(fā)電機(jī)組初參數(shù)低得多；核電汽輪機(jī)有效焓降僅為常規(guī)火電汽輪機(jī)的50%左右， 所以汽輪機(jī)的進(jìn)汽量和容積流量大，同等電功率核電汽輪機(jī)的進(jìn)汽量是火電汽輪機(jī)組的2倍，而容積流量則為4～6倍，因此核電廠投資費(fèi)用比較高［1］。核反應(yīng)堆的熱功率高，相對應(yīng)的汽輪機(jī)設(shè)計(jì)容量通常很大，單機(jī)功率高；與火電機(jī)組相比，核電機(jī)組的啟停速度慢而且功率調(diào)節(jié)能力較差，因此核電機(jī)組在電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)中通常為大功率機(jī)組，承擔(dān)電網(wǎng)的基本負(fù)荷。常規(guī)島的汽輪發(fā)電機(jī)應(yīng)盡可能地選擇最大的功率輸出，即最大限度地將核反應(yīng)堆熱功率轉(zhuǎn)換為電站輸出的有用功率（電功率），以提高核電廠的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。另一方面，壓水堆核電站的熱效率較低，一般為30%～35%；核反應(yīng)堆的堆功率和主蒸汽參數(shù)等相對固定，反應(yīng)堆型號確定后，與之相匹配的汽輪機(jī)功率等級也就確定；為使其熱力系統(tǒng)達(dá)到最佳狀況，提高其熱效率，可通過改進(jìn)汽輪機(jī)的通流部分結(jié)構(gòu)、對回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、優(yōu)化汽輪機(jī)冷端參數(shù)等措施，來盡可能地增大汽輪機(jī)的出力。

大功率機(jī)組末級長葉片發(fā)出的功率約占機(jī)組總功率的10%，汽輪機(jī)的通流部分結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要指增大末級葉片，以增加排汽面積，減少余速損失。末級葉片的研發(fā)與生產(chǎn)受到材料及制造工藝的制約，一種新的末級長葉片的設(shè)計(jì)制造周期很長，所以制造廠一般采用已經(jīng)成熟的定型產(chǎn)品，不會為某個核電廠專門設(shè)計(jì)制造新型號葉片［7］。核電站二回路的汽水分離再熱加7級抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)過世界上絕大多數(shù)的核電機(jī)組運(yùn)行證明是成熟、可靠、經(jīng)濟(jì)的，改進(jìn)提高的空間很小。對新建核電廠來說，結(jié)合電廠址自身?xiàng)l件對汽輪機(jī)的冷端參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是提高電廠經(jīng)濟(jì)性的最有效途徑之一。

1　 功率背壓特性

汽輪機(jī)功率背壓特性指的是末級葉片在背壓微小變化情況下，機(jī)組功率與之對應(yīng)發(fā)生的變化，功率與背壓的變化曲線是汽輪機(jī)冷端優(yōu)化的重要參考，也稱為微增出力曲線［3］。在高于阻塞背壓范圍內(nèi)，隨著汽輪機(jī)背壓降低，汽輪機(jī)出力隨之增大，為保證換熱充分，凝汽器的冷卻面積隨之增大。

在變工況計(jì)算中，通常認(rèn)為調(diào)節(jié)級和末級變化較大，而其他壓力級組在工況變化不大時，效率基本不變；但當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度不變，調(diào)節(jié)級通流面積不變時，可認(rèn)為調(diào)節(jié)級相對內(nèi)效率基本不變，也就是說，背壓變化將主要影響末級相對內(nèi)效率，因而只核算末級工況變化引起機(jī)組功率變化就足夠。對凝汽式汽輪機(jī)，背壓微小變化時，末級相對內(nèi)效率的變化主要是由于末級余速損失的變化引起的，其他損失較小可以忽略。當(dāng)不計(jì)排汽缸的損失和凝汽器喉部的阻力損失時，則認(rèn)為凝汽器壓力等于汽輪機(jī)的背壓，在正常運(yùn)行時，可認(rèn)為凝汽器壓力變化對機(jī)組運(yùn)行功率的影響等同于汽輪機(jī)背壓變化對機(jī)組功率的影響。

采用通用汽輪機(jī)微增出力計(jì)算汽輪機(jī)背壓變化時的功率所發(fā)生的變化，圖1為通用計(jì)算法示意圖，以下3個公式為功率變化計(jì)算公式。

式中：G——通過末級葉片的蒸汽流量；

i——焓值；

ζ——余速損失系數(shù)取0.85；

hc——末級后無擴(kuò)壓器時的余速損失；

F——末級排汽面積；

Ca——末級排汽軸向速度；

r——代表額定工況；

s——代表夏季工況。

利用汽輪機(jī)微增出力的通用計(jì)算方法不僅可以實(shí)時計(jì)算出汽輪機(jī)冷端參數(shù)變化時汽輪機(jī)功率的變化值，可在缺少廠商提供的微增出力曲線的情況下對冷端系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)優(yōu)化，同時采用這組公式可以簡單地計(jì)算功率背壓變化曲線，反過來也可以對廠家提供的曲線進(jìn)行校核，以判斷設(shè)備選取情況是否合理［2］。

2　 汽輪機(jī)組背壓特性

汽輪發(fā)電機(jī)組采購招標(biāo)時，常規(guī)島設(shè)計(jì)單位按技術(shù)規(guī)格書的要求提供了機(jī)組參數(shù)表及熱力系統(tǒng)平衡圖。廠家通過熱力平衡和通流截面的計(jì)算，給出了汽輪發(fā)電機(jī)組的功率背壓特性曲線圖（見圖2）。由于受廠址條件前期?；治龅南拗?，在技術(shù)規(guī)格書中已經(jīng)要求TMCR工況時的凝汽器真空為5.1 kPa，海水循環(huán)冷卻水的流量限定為59 m3/s［5］。

3　 采用通用計(jì)算方法校核

該核電廠汽輪發(fā)電機(jī)招標(biāo)時已經(jīng)確定了最大循環(huán)冷卻水量，也確定了TMCR的凝汽器壓力，汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率是決定發(fā)電機(jī)組功率的關(guān)鍵。某汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組廠家提供了末級排汽面積，同時也提供TMCR及夏季工況（CCR）下的熱力平衡圖，因此可以采用通計(jì)算方法對廠家的CCR工況進(jìn)行微增出力計(jì)算，并對CCR工況進(jìn)行背壓曲線校核。經(jīng)過計(jì)算，通用算法下CCR工況約降低功率6.68 %。

經(jīng)過校核后的功率背壓特性曲線如圖3所示。

圖1　功率背壓通用計(jì)算示意圖Fig.1　General-purpose computing of power back-pressure

圖2　汽輪發(fā)電機(jī)組的功率背壓特性曲線圖Fig.2　Characteristic curve of turbine power back-pressure

4　 結(jié)論

循環(huán)冷卻水建立了凝汽器真空，在蒸汽初參數(shù)不變情況下，凝汽器壓力的高低對機(jī)組出力影響很大。在凝汽器壓力降到阻塞壓力前，隨著真空的降低，末級葉片蒸汽焓降不斷大，汽輪機(jī)出力增加。冷端優(yōu)化簡單地說就是對汽輪發(fā)電機(jī)組的凝汽器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性最大化的原則，找到設(shè)計(jì)的最佳背壓和冷卻系統(tǒng)的最佳配置。在凝汽器熱力設(shè)計(jì)時，在汽輪機(jī)的排汽量、排汽焓（汽輪機(jī)的熱力特性）確定后，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，綜合地確定凝汽器壓力、冷卻面積、冷卻水量的最佳值［6］。在制造廠末級葉片型號已經(jīng)確定的情況下，核電廠冷端優(yōu)化主要因素為冷卻水量及溫升、凝汽器換熱面積、背壓。冷端優(yōu)化的目的就是對機(jī)組設(shè)計(jì)背壓、機(jī)組微增功率、凝汽器換熱面積、循環(huán)水冷卻倍率及凝汽器進(jìn)水溫度等參數(shù)進(jìn)行多方案比選。

以上采用通用算法進(jìn)行校核，廠家提供的功率背壓曲線在CCR工況下的數(shù)值要低于校核的數(shù)據(jù)。也就是說在背壓升高時，微增出力的變化實(shí)際上應(yīng)該是平緩一些，理論上驗(yàn)證了結(jié)合循環(huán)冷卻水量可以進(jìn)一步優(yōu)化TMCR工況時所選定的背壓。在現(xiàn)有廠址冷卻水條件下，增大凝汽器面積，在適當(dāng)?shù)姆秶档捅硥?，有利于盡可能地提高單個核電汽輪機(jī)組的功率。從電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的角度來說，與所增加的設(shè)備及工程投資相比，后期運(yùn)行產(chǎn)生的效益顯然可觀［4］。

圖3　校核后汽輪發(fā)電機(jī)組的功率背壓特性曲線圖Fig.3　Characteristic curve of turbine power back-pressure (After checking)

［1］ 王世勇，柯嚴(yán)，徐大懋.核電站汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)優(yōu)化［J］.熱力透平，2008，37（4）：230-234.（WANG Shi-yong，KE Yan，XU Da-mao. Optimization for the Cold End System of Nuclear Power Plant Turbine［J］. Thermal Turbine， 2008，37（4）， 230-234.）

［2］ 徐大懋，柯嚴(yán)，等.汽輪機(jī)微增出力通用計(jì)算方法及應(yīng)用研究［J］.熱能動力工程，2010，25（6）：605－608.（XU Da-mao， KE Yan. Common Calculation Method and Applied Study for Turbine Slight Increasing Output［J］. Thermal Power Engineering， 2010， 56（6）， 605-608.）

［3］ 林湖，周蘭欣，等.背壓變化對汽輪機(jī)功率影響的計(jì)算修正［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2004，46（1）：18-20.（LIN Hu， ZHOU Lan-xin， et al. Calculation Correction for Backpressure Changes on Steam Turbine Power［J］. Turbine Technology， 2004，46（1）， 18-20.）

［4］ 羌成仁，歐陽仲華.核電站汽輪機(jī)冷端優(yōu)化［J］.能源技術(shù)，2005，26（3）：131-133.（QIANG Cheng-ren， OUYANG Zhong-hua. Optimization of the Cold End of Nuclear Power Plant Turbine［J］. Energy Technology， 2005， 26（3）， 131-133.）

［5］ 黃家運(yùn)，夏云，等.ACP1000汽輪發(fā)電機(jī)技術(shù)規(guī)范書［R］，上海：華東電力設(shè)計(jì)院，2 0 1 0.（HUANG Jia-Yun， XIA Yun et. al. Technical Specifications for ACP1000 Turbo-generator［R］，Shanghai：East China Electric Power Design Institute， 2012.）

［6］ 王世超.換熱器類型在核電廠中的應(yīng)用研究［J］. 中國核電，2008，1（3）：270-275.（WANG Shi-Chao. Applied Study on Various Types of Heat Exchanger in Nuclear Power Plan［J］， China Nuclear Power， 2008， 1（3）， 270-275.）

［7］ Philippe Anglaret.半速機(jī)技術(shù)能使嶺澳二期多提供8%的可靠電力［J］.中國核電，2012，5（1）：98-99.（Philippe Anglaret. Semi-speed Turbine Technology Providing Ling Ao Ⅱ with Additional 8% Reliable Power Supply［J］， China Nuclear Power， 2012， 5（1）， 98-99.）

Analysis on the Characteristics of Steam Turbine Power Back Pressure in Nuclear Power Plant

WU Qi-fang，WANG Zhi-qiang
（Fujian Fuqing Nuclear Power Co.， Ltd.， Fuqing of Fujian Prov. 350318， China）

This paper uses a common calculation method to check and analyze the characteristic curves of steam turbine power back pressure for a nuclear power plant， which was offered by the tender manufacturers. By analyzing and comparing the power back pressure characteristic curves， the paper discusses the optimization of nuclear power plant steam turbine cold end， and concludes the rationality of turbine condenser area settings in the tender manufacturer bidding program， under the existing site conditions of the nuclear power plant.

nuclear power plant； steam turbine； characteristics of power back pressure；analysis

TL623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）02-0117-04

TL623

A

1674-1617（2016）02-0117-04

2016-03-15

吳其方（1975—），男，福建壽寧人，工程師，工學(xué)學(xué)士，從事核電廠常規(guī)島設(shè)計(jì)管理工作。