核電汽機甩負(fù)荷后除氧器的瞬態(tài)分析

佟寶玉，張福君，張明寶

0　概述

汽輪機的甩負(fù)荷運行，主要可分兩種情況。當(dāng)電網(wǎng)提供的有效功率小于系統(tǒng)需要的有用功率時，汽輪機主動甩掉部分不重要的負(fù)荷，以提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量。或者，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，汽輪機將被動地甩負(fù)荷。例如，由發(fā)電機主開關(guān)跳閘或汽機主汽門脫扣引發(fā)的故障，從而使汽輪機甩負(fù)荷運行。

由于核電機組的特殊性，當(dāng)汽輪機甩負(fù)荷時，機組突然甩去大量負(fù)荷，二回路的蒸汽流量急劇下降，致使一回路冷卻劑溫度和壓力迅速上升。因此，反應(yīng)堆必須進行降負(fù)荷運行，才能確保反應(yīng)堆的安全。隨著反應(yīng)堆功率的下降，蒸汽發(fā)生器的給水量和蒸汽量也隨之逐漸下降，最終維持在不停堆的低負(fù)荷運行工況下。此時，低壓加熱器、高壓加熱器及除氧器的加熱汽源全部失去。為了保證蒸發(fā)器設(shè)備的安全，要求除氧器向蒸發(fā)器供水的水溫必須達到要求值，以確保整個核電機組的安全運行。

1　甩負(fù)荷時對除氧器的運行要求

汽輪機甩負(fù)荷時，除氧器的汽源將被切斷。此時，除氧器內(nèi)的水處于飽和狀態(tài)，由于低壓加熱器失去了加熱汽源，所以無法通過低壓加熱器提升給水溫度，進入除氧器的水溫基本上就是凝汽器出口處的給水溫度。為了確保反應(yīng)堆的安全運行，反應(yīng)堆的功率將按一定速率逐漸下降，從而使蒸發(fā)器二回路側(cè)的所需水量不斷地下降，蒸發(fā)器的給水量也隨之下降。此時，蒸發(fā)器的入口水溫也在緩慢下降，最終穩(wěn)定在低負(fù)荷下的運行狀態(tài)。為了使系統(tǒng)在低負(fù)荷下安全穩(wěn)定地運行，針對該時除氧器的運行狀態(tài)，將由蒸發(fā)器引來的主蒸汽經(jīng)過降壓后，通入除氧器內(nèi)進行保壓，利用保壓蒸汽的熱能，使給水溫度滿足蒸發(fā)器的供水要求。

除氧器失去汽源后，保壓蒸汽不能即刻進入除氧器。此時，溫度較低的冷凝水還在不斷地進入除氧器內(nèi)，導(dǎo)致除氧器內(nèi)的介質(zhì)溫度和壓力持續(xù)下降。因此，要求除氧器在保壓蒸汽尚未通入前，仍具有一定的給水溫度。并且，在保壓蒸汽通入后，要求除氧器能在低負(fù)荷下維持穩(wěn)態(tài)運行。

2　盤式除氧器的結(jié)構(gòu)

2.1　除氧器的結(jié)構(gòu)

該型除氧器采用了盤式的除氧模塊單元及噴嘴。在除氧器內(nèi)，對應(yīng)在每只噴嘴的下方，設(shè)置了多組除氧盤。加熱蒸汽由汽空間進入，與冷凝水在除氧器單元內(nèi)進行熱交換，冷凝水被加熱至飽和狀態(tài)，從而完成給水的除氧過程。除氧器的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　盤式除氧器的結(jié)構(gòu)

2.2　除氧器的結(jié)構(gòu)特點

與鼓泡式噴嘴的除氧器相比，盤式除氧器具有很多特點。

(1)采用多個噴嘴的結(jié)構(gòu)形式。噴嘴在整個除氧器殼體上均勻布置，當(dāng)冷凝水進入時，冷凝水的分布比鼓泡式除氧器更加均勻。

(2)采用汽空間的進汽方式。熱交換在汽空間的除氧單元內(nèi)部完成，而不是在液相空間內(nèi)完成。當(dāng)汽輪機甩負(fù)荷時，可有效防止內(nèi)部水的倒吸現(xiàn)象。

(3)均勻地布置了出水口位置。因為已在汽空間內(nèi)完成了加熱，所以內(nèi)部水的溫度較為均勻。在設(shè)備的液相空間內(nèi)，各處的出水溫度基本相同。

2.3　甩負(fù)荷時除氧器從瞬態(tài)達到穩(wěn)態(tài)的過程

在甩負(fù)荷瞬間，各設(shè)備失去了加熱汽源。除氧器運行在甩負(fù)荷工況下，冷凝水溫度很快下降至冷凝器的出口溫度。大量冷凝水通過噴嘴和除氧盤進入除氧器內(nèi)。由于失去加熱汽源，且低溫水還在不斷注入，除氧器內(nèi)的壓力在持續(xù)下降，除氧器下部的飽和水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^飽和狀態(tài)。在汽化潛熱的作用下，下部的水溫降低至相應(yīng)壓力下的飽和溫度。蒸汽閃蒸出來補充汽空間，并與上部的冷凝水混合換熱，最終達到新壓力下的飽和狀態(tài)，再落入水空間。在整個過程中，由于冷凝水的流量在不斷變化，所以整體換熱處在一個瞬態(tài)變化的狀態(tài)中。當(dāng)?shù)蜏厮粩噙M入除氧器，除氧器內(nèi)部的水溫也不斷地下降。

經(jīng)過一段時間后，控制系統(tǒng)將發(fā)出電控信號，讓經(jīng)過減壓的主蒸汽進入除氧器，對除氧器進行保壓操作。此時，除氧器的壓力將較為緩慢地下降，直至低負(fù)荷運行的穩(wěn)定狀態(tài)，最終在穩(wěn)態(tài)條件下運行。因為汽輪機甩負(fù)荷，高壓加熱器及低壓加熱器均被停用，所以，要求除氧器的出水溫度，必須達到蒸發(fā)器入口給水溫度的要求。

3　針對甩負(fù)荷工況的瞬態(tài)計算

3.1　甩負(fù)荷時進入除氧器的流體參數(shù)

在甩負(fù)荷瞬間，設(shè)備失去了加熱汽源。將此時定為初始工作狀態(tài)，除氧器內(nèi)的壓力為0.97 MPa，凝結(jié)水的溫度為178.6℃。當(dāng)凝結(jié)水持續(xù)進入后，隨著負(fù)荷的不斷下降，溫度約為33.4℃，壓力約2.2 MPa。凝結(jié)水的流量在30 s內(nèi)，由4 104 t/h線性變化至1 295 t/h，最終流量穩(wěn)定在1 295 t/h。由于電控閥門需得到除氧器的壓力信號才開始動作，且整個反饋系統(tǒng)中由多個閥門聯(lián)動完成保壓蒸汽的接入操作，完成整個動作的時間約為90～120 s。所以，需要確定在該段時間內(nèi)除氧器內(nèi)部的溫度和壓力變化，是否滿足整體控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。設(shè)置除氧器的出水量，需按除氧器水位不降低的原則，根據(jù)液位調(diào)節(jié)后的出口流量，應(yīng)保證進口和出口流量的一致，才能控制水位不變。保壓蒸汽的壓力為1.011 MPa、溫度為188℃、流量為240 t/h。

3.2　按90 s后接入保壓蒸汽的瞬態(tài)進行建模和計算3.2.1　建立模型

根據(jù)低負(fù)荷穩(wěn)態(tài)的熱平衡狀態(tài)，計算初始30 s進入除氧器冷凝水的水量變化，并分析除氧器內(nèi)壓力和溫度的變化。

建模時，將整個過程分解成細(xì)小的時間段(時間段定義為每秒)，根據(jù)流量的線性變化情況，以每秒為時間段，對整個換熱段進行核算。利用模型計算熱交換后的溫度和壓力。

在式(1)中:

ΔG－單位時間內(nèi)冷水流量的減少量，t/(h·s－1);

G0－初始時的流量，t/h;

G80－第30秒時的流量，t/h;

t－時間，0＜τ＜30，s。

在式(2)中:

Gt－第 t秒內(nèi)的平均流量，t/h。

經(jīng)過第1 s流體換熱后的焓值:

在式(3)中:

H1－第1s后換熱后焓值，kJ/kg;

H0－水箱內(nèi)的飽和水焓值，kJ/kg;

H－進入除氧器的冷凝水焓值，kJ/kg;

m－水箱內(nèi)的飽和水的質(zhì)量，按4.21×105kg;

t－按 1 s計算。

試取飽和溫度的值，查取飽和溫度的焓值，使該值等于或接近計算所得的焓值，從而確定飽和溫度，并可得到飽和狀態(tài)下的工作壓力和飽和溫度。

P1=0.962 MPa，T1=178.2℃。

第2 s流體換熱后焓值為:

式(4)中:

H2－第2秒水箱內(nèi)的飽和水焓值，kJ/kg。

同樣，試取飽和溫度值，并試取飽和溫度對應(yīng)的焓值，得到飽和狀態(tài)下的工作壓力和飽和溫度。

按式(5)，核算出H3～H30的各個數(shù)據(jù)。

H30－第30秒水箱內(nèi)的飽和水焓值，kJ/kg。

重復(fù)試取飽和溫度值，得到飽和狀態(tài)下的工作壓力和飽和溫度。

通過計算30組數(shù)據(jù)，整理后得到0～30 s內(nèi)除氧器壓力與溫度的變化曲線。壓力與溫度的變化曲線，如圖2所示。

圖2　0～30 s除氧器內(nèi)壓力與溫度的變化曲線

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行了線性擬合，得到了溫度與壓力變化的線性函數(shù)。

3.2.2對保壓蒸汽接入前運行溫度和壓力的計算

此時冷凝水流量不再變化，穩(wěn)定在1 295 t/h，而保壓蒸汽還沒有進入。水溫仍在不斷下降。后續(xù)第31秒所對應(yīng)的平均焓值為:

同樣，通過試取，以接近計算所得的焓值，從而得到飽和狀態(tài)下的工作壓力和飽和溫度。

G終－后續(xù)每秒對應(yīng)的穩(wěn)定流量:1 295 t/h。

t－時間，取 1 s。

按式(5)，核算出H31－H90的各個數(shù)據(jù)。

……

得到飽和狀態(tài)下的工作壓力和飽和溫度。P90=0.695 MPa，T90=164.65℃。

通過計算60組數(shù)據(jù)，整理后得到30～90 s內(nèi)除氧器壓力和溫度的變化曲線。壓力與溫度的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3　30～90 s除氧器內(nèi)壓力與溫度的變化曲線

通過數(shù)據(jù)的線性擬合，得到溫度與壓力的線性函數(shù)。

3.3　后除氧器內(nèi)的瞬態(tài)分析

3.3.1保壓蒸汽接入前的運行溫度和壓力

按式(5)的計算方法，獲得H31～H120的各個數(shù)據(jù)。根據(jù)H(t)試取飽和溫度，查取試取飽和溫度的焓值，使該值等于或接近的計算得到的焓值，得到飽和溫度，從而得到H(t)下的工作壓力Pt和飽和溫度Tt。在120 s時，最終參數(shù)為:

通過計算90組數(shù)據(jù)，得到30～120 s的壓力與溫度的變化曲線。壓力與溫度的變化曲線，如圖4所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和線性擬合，得到了溫度與壓力的線性函數(shù)。

P(t)=0.002 T(t)－2.298(31 s≤t≤120 s)(11)

圖4　30～120 s除氧器內(nèi)壓力與溫度的變化曲線

3.4　除氧器低負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運行的傳熱計算

3.4.1甩負(fù)荷后至低負(fù)荷穩(wěn)態(tài)熱平衡計算

汽輪機甩負(fù)荷后，經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)整，保壓蒸汽被接入除氧器，并維持在低負(fù)荷下的穩(wěn)態(tài)運行。在最終狀態(tài)下，利用保壓蒸汽與凝結(jié)水換熱，將凝結(jié)水加熱到相應(yīng)壓力下的飽和溫度，使除氧器達到穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。根據(jù)熱平衡計算，可獲得穩(wěn)態(tài)運行時的參數(shù)。

式(12)中:

H－進入除氧器的冷凝水焓值，kJ/kg;

H低負(fù)荷穩(wěn)態(tài)－穩(wěn)態(tài)時飽和水焓值，kJ/kg;

H低壓蒸汽－保壓蒸汽焓值，kJ/kg;

G低壓蒸汽－保壓蒸汽流量，t/h;

G凝結(jié)水－凝結(jié)水最終流量，1 295 t/h。

通過試取飽和溫度和計算，得到穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下的工作壓力和飽和溫度。

計算除氧器的換熱能力:

整個除氧器換熱空間的有效換熱容積為:

V=56.1 m3

容積熱負(fù)荷為:

式(14)中:

C=2.29×106kCal/m3·h

除氧器最大允許容積熱負(fù)荷可以達到5×106kCal/m3·h(經(jīng)驗數(shù)據(jù)，依據(jù)前蘇聯(lián)汽水接觸換熱試驗的結(jié)論)。由于 C小于5×106kCal/m3·h，所以，除氧器完全能在該工況下穩(wěn)態(tài)運行。

4　結(jié)語

在甩負(fù)荷工況下，通過計算，獲得了除氧器在保壓蒸汽接入前的瞬態(tài)壓力及溫度的變化曲線。根據(jù)該曲線，獲得了除氧器在保壓蒸汽接入前的最低出水溫度。

在90 s時，通入保壓蒸汽前除氧器的最低出水溫度為 164.65℃，瞬態(tài)工作壓力為 0.695 MPa。

在120 s時，通入保壓蒸汽前除氧器的最低出水溫度為 161.35℃，瞬態(tài)工作壓力為 0.635 MPa。

通過傳熱計算，獲得了除氧器在穩(wěn)態(tài)運行時的溫度和壓力。穩(wěn)態(tài)出水溫度為132.53℃，穩(wěn)態(tài)工作壓力為 0.291 MPa。

在保壓蒸汽接入后，分別對90 s和120 s時間段的除氧器運行狀態(tài)進行計算，并對數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到壓力與溫度的變化規(guī)律。

當(dāng)汽輪機甩負(fù)荷時，通過系統(tǒng)調(diào)整，除氧器能快速進入低負(fù)荷下的穩(wěn)態(tài)運行。

盤式除氧器可在瞬態(tài)條件下，隨負(fù)荷變化達到新的動態(tài)平衡。在甩負(fù)荷工況下，確保除氧器的出水溫度高于蒸發(fā)器所需的最低供水溫度，滿足蒸發(fā)器安全運行的要求。

通過對某核電機組除氧器瞬態(tài)過程的分析計算，確定了該型除氧器可在汽輪機甩負(fù)荷工況下穩(wěn)定運行，整體設(shè)備的設(shè)計是安全可靠的。