核電凝汽器抽真空設(shè)備的選型與配置

鮑旭東

(中核核電運(yùn)行管理有限公司， 浙江海鹽 314300)

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核電凝汽器抽真空設(shè)備的選型與配置

鮑旭東

(中核核電運(yùn)行管理有限公司， 浙江海鹽 314300)

介紹了某1089MW核電機(jī)組凝汽器抽真空設(shè)備的選型、配置方案優(yōu)選和應(yīng)用效果。分析了水環(huán)真空泵加裝大氣噴射器的必要性和凝汽器真空設(shè)備方案優(yōu)選的影響因素，給出了凝汽器抽真空設(shè)備的設(shè)計要求和3×100%、3×50%與3×75%容量的抽真空設(shè)備的配置方案。分析結(jié)果和應(yīng)用效果均表明：3×75%容量的選型方案相對經(jīng)濟(jì)合理。

核電凝汽器； 水環(huán)真空泵； 設(shè)備選型； 工程應(yīng)用

核電站常規(guī)島凝汽器抽真空系統(tǒng)的功能是在機(jī)組啟動前，將凝汽器及其相關(guān)設(shè)備和汽水管路中的空氣抽出，為沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī)創(chuàng)造條件；在機(jī)組正常運(yùn)行期間，將凝汽器空冷區(qū)中不凝結(jié)氣體抽出，改善管束的傳熱效果，維持凝汽器設(shè)計真空，以保證汽輪機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。凝汽器抽真空設(shè)備是保證核電汽輪發(fā)電機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要設(shè)備。按照常規(guī)島設(shè)計要求，抽真空設(shè)備的運(yùn)行性能要滿足汽輪機(jī)在各種負(fù)荷工況下抽出凝汽器內(nèi)的空氣及不凝結(jié)氣體的需要，而且在機(jī)組啟動前可將凝汽器的真空度提高到一定程度，并且抽真空時間能夠滿足機(jī)組啟動要求。在機(jī)組正常運(yùn)行中，若抽氣設(shè)備不能及時將凝汽器中積聚的空氣抽出，會使管束傳熱惡化，凝汽器真空下降，機(jī)組的熱耗率增大。若發(fā)生抽真空設(shè)備故障引發(fā)凝汽器真空急劇下降，會造成汽輪機(jī)低壓缸的排汽溫度快速上升，易發(fā)生汽輪發(fā)電機(jī)組振動、動靜部件碰摩等設(shè)備故障。

筆者針對某1089MW核電機(jī)組進(jìn)行凝汽器抽真空設(shè)備選型，論證了采用水環(huán)真空泵的依據(jù)，并闡述了該核電機(jī)組加裝水環(huán)真空泵大氣噴射器的必要性。通過多個方案的比較，找到既經(jīng)濟(jì)又滿足機(jī)組要求的選型方案。

1 凝汽器抽真空設(shè)備的選型

1.1凝汽器抽真空設(shè)備的類型

電站凝汽器抽真空設(shè)備主要有機(jī)械式(如水環(huán)真空泵)和射流式(如射水式和射汽式)抽氣器兩類。早期在國內(nèi)電廠小型機(jī)組中幾乎都采用射流式抽氣器，而現(xiàn)在300MW以上汽輪發(fā)電機(jī)組配套設(shè)計中都選用了機(jī)械水環(huán)真空泵。從抽真空設(shè)備運(yùn)行特性上看，機(jī)械水環(huán)真空泵在低真空下的抽吸能力較額定工況大得多，機(jī)組啟動前建立真空所需時間遠(yuǎn)少于使用射流式抽氣器所需的時間。在設(shè)計工況下機(jī)械水環(huán)真空泵維持高真空的抽吸空氣量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于射流式抽氣器，因此機(jī)械水環(huán)真空泵運(yùn)行特性更適應(yīng)電站凝汽器運(yùn)行工況變化的要求?；痣姾秃穗娬镜膶嶋H應(yīng)用都已證明機(jī)械水環(huán)真空泵的設(shè)備設(shè)計和制造技術(shù)是成熟的，運(yùn)行是安全可靠的。

1.2水環(huán)真空泵的機(jī)組特點

水環(huán)真空泵示意圖見圖1。水環(huán)真空泵體中裝有適量的水作為工作液；葉輪與泵體呈偏心位置，兩端由側(cè)蓋封住，側(cè)蓋端面上開有吸氣口和排氣口，分別與泵的入口和出口相通。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時，水在離心力的作用下被葉輪拋向四周，在泵體內(nèi)部和葉輪之間形成一個旋轉(zhuǎn)的、近似于等厚度的封閉水環(huán)，此時葉輪輪轂與水環(huán)之間形成一個月牙形空間，而這一空間又被葉輪分成葉片數(shù)目相等的若干個互不相通的封閉小腔。在葉輪的前半轉(zhuǎn)(吸入側(cè))，小腔的容積逐漸增大，氣體經(jīng)吸氣口被吸入到小腔中；在葉輪的后半轉(zhuǎn)(排出側(cè))，小腔容積逐漸減小，氣體被壓縮，壓力升高，然后經(jīng)排氣口排出?？梢娝h(huán)真空泵是靠泵腔容積的變化來實現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣的，屬于變?nèi)菔秸婵毡?。在泵體中的工作液體除傳遞能量作用外，還起密封工作腔和冷卻氣體的作用。

水環(huán)真空泵加裝大氣噴射器示意圖見圖2。大氣噴射器安裝在水環(huán)真空泵的入口管段上，是利用真空泵負(fù)壓與大氣壓形成壓差而產(chǎn)生空氣射流，大氣噴射器可以獲得比真空泵更低的抽吸壓力。啟動水環(huán)真空泵，此時大氣噴射器的旁路閥打開，入口閥關(guān)閉，從凝汽器來的氣體經(jīng)過旁路閥被真空泵抽出。當(dāng)真空抽到一定值時，打開大氣噴射器的入口閥，旁路閥關(guān)閉，在大氣壓力作用下空氣從噴嘴進(jìn)入，經(jīng)噴嘴收縮得到加速，形成高速噴射流，在混合室形成高真空，將凝汽器來的被抽氣體吸入混合室內(nèi)?；旌蠚怏w進(jìn)入擴(kuò)壓管后速度降低，壓力升高，最后達(dá)到大氣噴射器排氣壓力，即水環(huán)真空泵吸氣壓力，再由水環(huán)真空泵把氣體吸入，排出泵外。

水環(huán)真空泵的制造技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展和改進(jìn)，其設(shè)計已更為合理，更能適應(yīng)電站凝汽器運(yùn)行工況變化的要求。對于電動機(jī)驅(qū)動的機(jī)械式水環(huán)真空泵組通過簡單的儀表控制就可實現(xiàn)泵組的自動化控制，可主控室遠(yuǎn)方遙控，可自動聯(lián)鎖啟動，運(yùn)行操作簡單，提高了抽真空系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和自動化程度。

1.3水環(huán)真空泵加裝大氣噴射器的必要性

水環(huán)真空泵用水作為工作介質(zhì)，當(dāng)真空泵吸入?yún)^(qū)域的絕對壓力接近水溫對應(yīng)的飽和蒸汽壓時, 水將出現(xiàn)汽化，此時在吸入?yún)^(qū)域會產(chǎn)生大量的氣泡, 當(dāng)進(jìn)入封閉小腔內(nèi)的壓縮過渡區(qū)域, 水中氣泡被壓縮會發(fā)生破裂，氣泡的破裂會對葉輪金屬表面產(chǎn)生汽蝕損壞。水環(huán)真空泵的汽蝕損壞和離心式水泵的汽蝕損壞原理是一樣的，如果水環(huán)真空泵長時間處于汽蝕狀態(tài)運(yùn)行，在氣泡產(chǎn)生和破裂的部位，金屬表面會出現(xiàn)點蝕，造成葉輪出現(xiàn)蜂窩狀或裂紋損壞，需要對葉輪進(jìn)行維修或更換。同時，當(dāng)真空泵的工作介質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重汽化時，汽蝕會導(dǎo)致水環(huán)真空泵噪聲劇增和發(fā)生振動故障。如果氣體充滿葉輪流道，還會造成真空泵的抽氣能力明顯下降，進(jìn)而導(dǎo)致凝汽器的真空不能達(dá)到設(shè)計要求。

依據(jù)文獻(xiàn)[1]要求，電站抽真空設(shè)備的設(shè)計壓力為3.38kPa，或者為凝汽器設(shè)計壓力，但還需綜合考慮在各種工況下凝汽器運(yùn)行可能達(dá)到的真空度，來選擇確定抽真空設(shè)備的設(shè)計壓力值。為了防止水環(huán)真空泵發(fā)生汽蝕，運(yùn)行中要求水環(huán)真空泵抽氣口處壓力必須比工作水溫對應(yīng)的飽和壓力高。同時為了保證從凝汽器抽取一定量的氣汽混合物，還需考慮凝汽器汽阻和從凝汽器到真空泵抽氣口處的壓降，因此水環(huán)真空泵抽氣口處壓力要比凝汽器壓力略低一些。以某核電廠1089MW核電機(jī)組常規(guī)島設(shè)計為例，凝汽器設(shè)計工況壓力為5.1kPa，夏季工況壓力為8.1kPa，閉式冷卻水的設(shè)計溫度為25℃(最高溫度為38℃)。假設(shè)水環(huán)真空泵設(shè)計壓力按標(biāo)準(zhǔn)取3.38kPa，其對應(yīng)的飽和溫度為26.1℃，若此時閉式冷卻水設(shè)計溫度為25℃，因為換熱器存在傳熱端差約2K，則水環(huán)真空泵組內(nèi)部工作液的溫度約為27℃，所以在3.38kPa壓力下工作，水環(huán)真空泵會出現(xiàn)汽蝕；或者以凝汽器壓力為設(shè)計值來考慮，因從凝汽器到抽真空設(shè)備入口處管道存在壓降，在夏季工況時，水環(huán)真空泵吸入口壓力應(yīng)低于凝汽器設(shè)計壓力8.1kPa(其對應(yīng)的飽和溫度為41.77℃)，而此時閉式冷卻水溫度為38℃，則工作液的溫度約為40℃，接近41.77℃，因而此工況點下水環(huán)真空泵運(yùn)行極易產(chǎn)生汽蝕。

為避免水環(huán)真空泵在上述狀態(tài)下運(yùn)行，最佳的方案是水環(huán)真空泵加裝大氣噴射器。加裝大氣噴射器后，水環(huán)真空泵的抽吸壓力在12kPa以上，此抽吸壓力對應(yīng)的飽和溫度約為50℃以上，這樣水環(huán)真空泵在各種工況下，工作液溫度都會低于抽吸壓力所對應(yīng)的飽和溫度，且有一定的裕量，可以完全避免汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生而輕易達(dá)到凝汽器要求的抽吸壓力。當(dāng)然由于投入大氣噴射器運(yùn)行，會增加真空泵泵組的功耗，引起電動機(jī)輸出的軸功率升高，但相對而言增加了大氣噴射器后，泵組更能適應(yīng)電站凝汽器抽真空設(shè)備運(yùn)行特性要求，還有利于泵組降低噪聲，改善振動，并完全避免了汽蝕對泵的危害，因此水環(huán)真空泵增設(shè)大氣噴射器是利大于弊。

2 凝汽器抽真空設(shè)備配置方案優(yōu)選

2.1設(shè)計要求

該機(jī)組的凝汽器設(shè)備為單背壓、雙殼體、單流程結(jié)構(gòu)，采用海水直接冷卻。凝汽器設(shè)計工況壓力為5.1kPa (在海水平均溫度19.4℃時)，夏季工況壓力為8.1kPa。汽輪機(jī)最大連續(xù)工況(TMCR)時凝汽器接受排汽量為2953.99t/h，閥門全開工況(VWO)時排汽量為3033.79t/h。設(shè)備設(shè)計規(guī)范書要求凝汽器抽真空設(shè)備的選型要符合HEI標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。根據(jù)該機(jī)組汽輪機(jī)和凝汽器設(shè)備在TMCR工況下的設(shè)計參數(shù)，在HEI標(biāo)準(zhǔn)條件下，即在壓力3.38kPa、溫度22℃時，確定凝汽器抽真空設(shè)備的抽干空氣能力為82kg/h，同時還需考慮抽出水蒸氣量為180kg/h，所以機(jī)組在運(yùn)行時，從凝汽器中抽出的是空氣與水蒸氣的混合物，總量為262kg/h。HEI標(biāo)準(zhǔn)還要求機(jī)組啟動前凝汽器抽真空設(shè)備全部投入時，從大氣壓力抽至33.86kPa時的抽空時間不大于30min。設(shè)計院在設(shè)備規(guī)范書中提出單臺抽真空設(shè)備的抽氣量要達(dá)到100%能力的要求，即每臺機(jī)組抽真空設(shè)備配置要求為3×100%設(shè)計。

對于抽真空設(shè)備的冷卻水水源設(shè)計問題，若選擇開式循環(huán)水(海水)作為設(shè)備冷卻水，由于某核電廠工程廠址的海水中泥沙含量高，運(yùn)行中若水流速慢，易發(fā)生泥沙沉積造成流道堵塞，若水流速高，則海水管道易產(chǎn)生沖刷和腐蝕，維修更換費用高。而常規(guī)島閉式工業(yè)水系統(tǒng)水質(zhì)為除鹽水，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗該核電廠項目選擇了閉式工業(yè)水(除鹽水)系統(tǒng)為抽真空設(shè)備提供冷卻用水。

2.2影響方案優(yōu)選的因素

在設(shè)備采購階段，對設(shè)備供貨方案進(jìn)行評價時，需要考慮以下影響凝汽器抽真空設(shè)備選型的因素：

(1) 設(shè)備外形尺寸對廠房布置的影響。通常凝汽器抽真空設(shè)備布置在汽輪機(jī)廠房的底層，由于受設(shè)備層平面布置空間的限制，因而對抽真空設(shè)備設(shè)計的外形尺寸有一定要求。

(2) 設(shè)備采購?fù)顿Y費用的高低。不同的設(shè)備設(shè)計方案對設(shè)備的制造成本影響很大，確定設(shè)備選型方案時必須考慮設(shè)備采購性價比，以減少工程投資費用。

(3) 泵組冷卻水耗用量的大小。常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)設(shè)計對用戶耗水量有一定的限制，因不同的水環(huán)真空泵組冷卻水耗用量有所差異，選型時需要考慮對常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)生的影響。

(4) 設(shè)備運(yùn)行時耗用廠用電的多少。凝汽器抽真空設(shè)備是長期連續(xù)運(yùn)行設(shè)備，水環(huán)真空泵配套電動機(jī)的功率對廠用電消耗有直接影響，因而設(shè)備選型電動機(jī)的功率應(yīng)盡可能小，降低電廠設(shè)計廠用電率。

(5) 抽真空時間是否滿足機(jī)組啟動要求。機(jī)組啟動前凝汽器抽真空時間的長短直接影響到汽輪機(jī)組的啟動時間。如果能夠縮短抽真空時間，機(jī)組就可盡早并網(wǎng)發(fā)電，為電廠創(chuàng)造直接的經(jīng)濟(jì)效益。

(6) 設(shè)備容量配置對運(yùn)行方式的影響。凝汽器抽真空設(shè)備的容量配置方案是電廠運(yùn)行最關(guān)心的問題之一，許多電廠設(shè)計要求凝汽器抽真空設(shè)備容量為3×100%，即一臺運(yùn)行兩臺備用；也有電廠選擇了3×50%，即兩臺運(yùn)行一臺備用。在電廠的實際運(yùn)行中，由于凝汽器及真空相關(guān)系統(tǒng)的嚴(yán)密性好壞存在不確定性，容易受到機(jī)組設(shè)備狀況、維修水平和運(yùn)行操作等諸多因素的影響，因而一般都要求凝汽器抽真空設(shè)備必須提供足夠大的抽吸空氣的能力，以確保在各種運(yùn)行工況下維持凝汽器真空達(dá)到設(shè)計值。

2.3比較配置方案

針對該機(jī)組凝汽器抽真空設(shè)備的設(shè)計要求，某設(shè)備供應(yīng)商提供了帶大氣噴射器的水環(huán)真空泵機(jī)組的三種配置方案(見表1)。

表1 抽真空設(shè)備的方案比較

以上三種方案的水環(huán)真空泵組的運(yùn)行特點如下：

(1) 對于3×100%配置方案，每臺真空泵出力為82kg/h，正常運(yùn)行時只需1臺真空泵即可完全滿足HEI標(biāo)準(zhǔn)要求?！耙贿\(yùn)兩備”的運(yùn)行方式非常靈活，但設(shè)備出力裕量過大，設(shè)備閑置。

(2) 對于3×50%配置方案，每臺真空泵出力為45kg/h，因此2臺真空泵同時運(yùn)行時完全可以滿足HEI標(biāo)準(zhǔn)要求，“兩運(yùn)一備”的運(yùn)行方式靈活，但真空泵設(shè)計出力裕量較小，在凝汽器真空系統(tǒng)嚴(yán)密性不好的情況下，可能需投入第3臺泵運(yùn)行。

(3) 對于3×75%配置方案，每臺真空泵出力為61.2kg/h，因此2臺真空泵同時運(yùn)行時完全可以滿足HEI標(biāo)準(zhǔn)要求，真空泵設(shè)計出力有足夠大的裕量。即使在凝汽器真空系統(tǒng)嚴(yán)密性不好的情況下，也不需投入第3臺泵運(yùn)行；而在嚴(yán)密性很好的情況下，可以只運(yùn)行1臺泵。此方案真空泵的運(yùn)行方式靈活，可靠性高。

綜上所述，真空泵3×75%選型方案是相對合理和經(jīng)濟(jì)的。

3 凝汽器抽真空設(shè)備應(yīng)用效果

凝汽器抽真空系統(tǒng)在電站正常運(yùn)行期間是連續(xù)運(yùn)行的。該核電廠1089MW核電機(jī)組的每臺機(jī)組配置了3臺水環(huán)真空泵組，每臺水環(huán)真空泵組由真空泵、電動機(jī)、大氣噴射器、換熱器、分離器、氣動控制閥及儀表控制裝置等設(shè)備組成(見圖3)。

單臺水環(huán)真空泵與大氣噴射器采用的是并聯(lián)連接方式，電站計算機(jī)控制系統(tǒng)控制真空泵組設(shè)備的啟動或停運(yùn)。當(dāng)水環(huán)真空泵啟動時，真空泵入口壓力達(dá)到23kPa時自動關(guān)閉大氣噴射器入口閥，旁通閥打開，此時大氣噴射器退出運(yùn)行，水環(huán)真空泵單獨運(yùn)行；當(dāng)水環(huán)真空泵入口壓力達(dá)到13kPa時，自動打開大氣噴射器入口閥，關(guān)閉旁通閥，投入大氣噴射器運(yùn)行，水環(huán)真空泵只是為噴射器提供驅(qū)動氣源，通過大氣噴射器將凝汽器中被抽氣體抽出。在正常運(yùn)行時，壓力高于15kPa聯(lián)鎖啟動備用泵，低于8kPa聯(lián)鎖停止備用泵。經(jīng)過設(shè)備安裝單體調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試，該核電廠項目的真空泵機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲、振動都正常。2015年2月21日在該項目調(diào)試階段的一次機(jī)組啟動前抽真空中，3臺75%真空泵全部投入后大約在30min內(nèi)抽真空到32.5kPa，達(dá)到了HEI的標(biāo)準(zhǔn)要求，而此數(shù)據(jù)恰好能夠說明，如果真空泵配置采用3×50%方案，則很難達(dá)到HEI標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)機(jī)組啟動前抽真空時間不大于30min的要求(見圖4)。

該核電廠項目的2臺機(jī)組在首個燃料循環(huán)的0～100%額定功率啟動過程中，每臺機(jī)組都只需保持1臺真空泵運(yùn)行，就能夠維持凝汽器壓力在5～6kPa穩(wěn)定。夏季高溫季節(jié)機(jī)組帶滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，海水溫度在31～33℃變化，閉式工業(yè)水溫為33～35℃時，1號機(jī)組凝汽器壓力維持在8.3～8.69kPa，2號機(jī)組凝汽器壓力維持在7.8～8.78kPa。真空泵實際運(yùn)行采用“一運(yùn)兩備”方式，單臺帶大氣噴射器的水環(huán)真空泵組運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，性能良好，具有很好的運(yùn)行適應(yīng)性。

4 結(jié)語

(1) 凝汽器抽真空設(shè)備是對汽輪發(fā)電機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有直接影響的重要輔機(jī)設(shè)備，其設(shè)計選型和容量配置需考慮核電廠常規(guī)島的設(shè)計條件、凝汽器設(shè)備運(yùn)行特性、設(shè)備投資費用，以及設(shè)備運(yùn)行方式和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等諸多方面因素。

(2) 該核電廠1089MW核電機(jī)組在凝汽器抽真空設(shè)備設(shè)計選型時，通過對多個方面影響因素的分析，對比三種不同容量配置方案，用戶最終選擇了3×75%容量配置的帶大氣噴射器的水環(huán)真空泵組。

(3) 經(jīng)過安裝調(diào)試與運(yùn)行驗證，設(shè)備運(yùn)行性能達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計要求，可以選擇多種的運(yùn)行方式。工程實踐證明，該機(jī)組凝汽器抽真空設(shè)備選型及容量配置的選擇是合理的，對同類機(jī)組具有借鑒意義。

[1] Heat Exchange Institute. Standards for steam surface condensers[M]. 10th ed. Cleveland Ohio: HEI, 2006.

Configuration Optimization and Application Effect of the Condenser Vacuum Pump in a Nuclear Power Station

Bao Xudong

(CNNP Nuclear Power Operation Management Co., Ltd., Haiyan 314300, Zhejiang Province, China)

An introduction is presented to the equipment selection, configuration optimization and application effect of the condenser vacuum pump in a 1089MW nuclear power station, including an analysis on the necessity of adding air ejector to the water-ring vacuum pump and on the factors influencing the configuration optimization of the condenser vacuum pump. Meanwhile, design requirements and configuration schemes of 3×100%, 3×50% and 3×75% capacity were proposed for the condenser vacuum pump. Analysis and application results show that the scheme of 3×75% capacity is relatively reasonable and economical.

condenser of nuclear power unit; water-ring vacuum pump; equipment selection; practical application

2016-05-04

鮑旭東(1966—)，男，高級工程師，現(xiàn)從事核電站設(shè)備可靠性管理工作。

E-mail: baoxd@cnnp.com.cn

TM623.4

A

1671-086X(2016)06-0407-05