ADG除氧器啟動(dòng)期間兩側(cè)溫差較大的原因和解決方案

陳家慶

【摘 要】方家山核電工程的ADG除氧器，在機(jī)組熱試期間啟動(dòng)階段發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)除氧器兩端溫差較大，主控室顯示兩端溫度相差近四十度，本文詳細(xì)經(jīng)過詳細(xì)分析，確認(rèn)導(dǎo)致溫差的原因并提出多種解決方案，經(jīng)多方論證對(duì)比，最終采取增加除氧器再循環(huán)泵的解決方案，成功解決了啟動(dòng)階段溫差問題。

【關(guān)鍵詞】除氧器；ADG；再循環(huán)泵；溫差大

0 概述

目前國(guó)內(nèi)核電廠常見的除氧器主要有內(nèi)置噴霧除氧器、淋水盤有頭式除氧器和淋水盤一體化除氧器，3種形式的除氧器均是通過噴嘴將凝結(jié)水霧化，通過蒸汽加熱至除氧器工作壓力的飽和溫度，析出其中溶解的不凝結(jié)氣體。

方家山核電項(xiàng)目采用的是一體化大流量噴嘴，內(nèi)置噴霧式除氧器，蒸汽通過鼓泡管引入水箱下部，水箱中的給水參與換熱和除氧過程。由于內(nèi)置噴霧式除氧器沒有除氧頭，可降低設(shè)備高度、節(jié)約土建成本，避免水箱上部大的集中載荷，筒體應(yīng)力減小，降低產(chǎn)生應(yīng)力裂紋的可能等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為除氧器發(fā)展的趨勢(shì)。但在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)該除氧器存在啟動(dòng)期間兩側(cè)溫差大，兩側(cè)溫差最大達(dá)到近四十度。

1 原因分析及整改方案對(duì)比選擇

1.1 原因分析及危害

1.1.1 原因分析

為什么在啟動(dòng)階段兩端溫度相差會(huì)如此之大，為了確認(rèn)調(diào)查產(chǎn)生問題的根本原因，進(jìn)行深入檢查，從除氧器外部尺寸、設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造、外部管線布置、除氧器內(nèi)部水循環(huán)及加熱蒸汽等方面入手，初步分析，確認(rèn)造成此問題的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）除氧器尺寸比較大，長(zhǎng)度為49.56米。

（2）啟動(dòng)階段除氧器內(nèi)水依靠APD泵的再循環(huán)管線進(jìn)行攪混，而APD泵的再循環(huán)流量?jī)H40m3/小時(shí)，相對(duì)于除氧器有效容積410 m3來說，再循環(huán)流量小。

（3）APD泵的接口位置不合理，APD泵入口接管在第一段，而對(duì)應(yīng)的再循環(huán)口在第二段，距離太近，無法起到對(duì)整個(gè)除氧器內(nèi)水打循環(huán)，僅能對(duì)部分除氧器內(nèi)水打循環(huán)（如圖1所示）。

在第三段和第四段存在一個(gè)較長(zhǎng)的死區(qū)，該死區(qū)內(nèi)的水無法循環(huán)，只能靠蒸汽和水凝結(jié)換熱加熱，導(dǎo)致該區(qū)段水溫較低。

（4）該除氧器是由上海輔機(jī)廠制造，采用的是荷蘭STORK公司的設(shè)計(jì)，在設(shè)備說明里明確描述該型除氧器在啟動(dòng)階段需要除氧器再循環(huán)泵，但實(shí)際機(jī)組并未配備除氧器在循環(huán)泵。

（5）加熱蒸汽耙長(zhǎng)較短，除氧器在用抽汽加熱時(shí)耙長(zhǎng)約47米，而啟動(dòng)階段用輔助蒸汽加熱時(shí)耙長(zhǎng)僅9米，位置在除氧器中部。造成加熱只在除氧器局部進(jìn)行，無法對(duì)除氧器整體加熱。如圖2所示

（6）SER補(bǔ)水接口位置在APD泵進(jìn)出口管線之間，同時(shí)SER從水箱中部進(jìn)入水箱，導(dǎo)致SER低溫補(bǔ)水未經(jīng)足夠加熱就流向APD入口，影響除氧效果。

1.1.2 危害

綜合以上原因，導(dǎo)致在啟動(dòng)階段除氧器內(nèi)溫差較大，而溫差較大的情況下肯定對(duì)除氧效果有不良影響，同時(shí)長(zhǎng)期較大的溫差也會(huì)導(dǎo)致較大的熱應(yīng)力，也不利于設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 初步整改方案及各方案優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比

1.2.1 初步確定整改方案

與上海華東設(shè)計(jì)院和設(shè)備制造廠家進(jìn)行了多次溝通，從產(chǎn)生問題的原因來分析，各方都提出了整改方案可以分別有以下幾種處理方案

（1）輔助蒸汽加熱耙管加長(zhǎng)；

（2）將輔助蒸汽接至抽氣加熱耙管；

（3）改善循環(huán)狀態(tài)，將APD泵的進(jìn)出口設(shè)在除氧器兩端；

（4）增設(shè)除氧器再循環(huán)泵；

1.2.2 各方案優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比

1）輔助蒸汽加熱耙管加長(zhǎng)

針對(duì)輔助蒸汽耙管長(zhǎng)度僅9米，可以加長(zhǎng)輔助蒸汽耙管，這樣在使用輔助蒸汽加熱的時(shí)候可以對(duì)除氧器進(jìn)行整體加熱，減少溫度不平均的現(xiàn)象，這種處理方式可以從根本上解決問題，但此方案也存在明顯的缺點(diǎn)。

（1）首先，除氧器是采用分段加工，現(xiàn)場(chǎng)組裝的方式加工的，現(xiàn)在已無法進(jìn)行拆解，只能在除氧器內(nèi)部進(jìn)行施工，內(nèi)部空間狹窄，施工難度非常大；

（2）其次，可靠性難以保證，將耙管加長(zhǎng)后，其固定方式需要重新設(shè)計(jì)計(jì)算，在除氧器筒壁上焊接相應(yīng)的支架，加長(zhǎng)的耙長(zhǎng)運(yùn)行中是否安全可靠很難保證。

（3）此方案沒有相應(yīng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

2）將輔助蒸汽接至抽氣加熱耙管

除氧器內(nèi)部利用抽氣加熱的耙管長(zhǎng)約47米，基本布滿除氧器內(nèi)部，可以考慮將輔助蒸汽的耙管接在抽氣加熱的耙管上。具體連接方式有兩種：

（1）一種可以在除氧器內(nèi)部改造，將兩套耙管連接在一起。此方法的優(yōu)點(diǎn)是改動(dòng)較小，只在除氧器內(nèi)部合并兩套蒸汽耙管即可，缺點(diǎn)是降低了系統(tǒng)操作的靈活性，同時(shí)由于抽氣加熱耙管管徑比輔助蒸汽耙管管徑大許多，將輔助蒸汽接至抽氣耙管，會(huì)導(dǎo)致蒸汽流速較低，同時(shí)輔助蒸汽流量較小，蒸汽可能無法流到除氧器兩端，加熱時(shí)的均勻度恐怕難以預(yù)測(cè)。

（2）第二種方法可以在除氧器外部改造，將進(jìn)入除氧器的輔助蒸汽管線和抽氣管線連接在一起，并增加相應(yīng)閥門。此方法的優(yōu)點(diǎn)是除氧器本體不需進(jìn)行任何改動(dòng)，缺點(diǎn)是增加了控制系統(tǒng)難度，同時(shí)輔助蒸汽管備用功能失效。

但以上兩種方案存在一個(gè)很大的風(fēng)險(xiǎn)，在機(jī)組啟動(dòng)階段除氧器可能會(huì)出現(xiàn)異常的振動(dòng)。比如國(guó)內(nèi)某發(fā)電公司670MW機(jī)組，在啟動(dòng)初期曾出現(xiàn)數(shù)次振動(dòng)現(xiàn)象，甚至造成除氧器基礎(chǔ)產(chǎn)生裂痕損傷。而振動(dòng)的原因是除氧器內(nèi)輔助蒸汽加熱管和機(jī)組四段抽汽加熱管不在同一水平高度上，當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)使用輔助蒸汽加熱時(shí)，如果聯(lián)絡(luò)電動(dòng)門打開，輔助蒸汽通過聯(lián)絡(luò)門進(jìn)入四段抽氣管，上部與下部不在同一高度的兩根加熱管同時(shí)進(jìn)汽加熱，冷熱流體發(fā)生對(duì)沖，導(dǎo)致除氧器振動(dòng)，關(guān)閉輔助蒸汽與四段抽汽的聯(lián)絡(luò)電動(dòng)閥后，振動(dòng)消失。

我們的除氧器結(jié)構(gòu)類似，如果將輔助蒸汽耙管與抽氣加熱的耙管連接，同樣會(huì)存在導(dǎo)致除氧器異常震動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

3）改善循環(huán)狀態(tài)，將APD泵的進(jìn)出口設(shè)在除氧器兩端

對(duì)于APD泵進(jìn)出口接管的位置不盡合理，也可以通過更改APD泵再循環(huán)接管位置來改善，可以通過在除氧器內(nèi)部延長(zhǎng)APD泵再循環(huán)管至除氧器第四筒節(jié)，此方案簡(jiǎn)單易行，見效快，或在除氧器第四節(jié)筒體上重新開孔，將APD再循環(huán)水由外部接至第四節(jié)。

缺點(diǎn)同樣顯而易見：由于APD再循環(huán)流量較小，不能解決根本問題，同時(shí)內(nèi)部改造同樣存在管系振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。如果再除氧器筒體上開孔，改造難度大，且改造完成后必須對(duì)除氧器重新進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

4）增加除氧器再循環(huán)泵

如果增加再循環(huán)泵，通過再循環(huán)泵抽水進(jìn)噴嘴，噴霧除氧，該方案既解決溫差問題又優(yōu)化除氧效果，并且同紅沿河和嶺澳均設(shè)有除氧器再循環(huán)泵，有成熟的應(yīng)用業(yè)績(jī)。

此方案缺點(diǎn)也很明顯，由于設(shè)計(jì)上取消了再循環(huán)泵，所以除氧器本體沒有預(yù)留相應(yīng)的接口，在除氧器本體開口的話，需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行熱處理，加工難度大，并且需要增加泵和管道閥門等相關(guān)費(fèi)用，相對(duì)價(jià)格較高。

2 最終解決方案

對(duì)以上方案對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，采用增加除氧器再循環(huán)泵的方案有明顯的優(yōu)勢(shì)。

（1）嶺澳二期、陽江1號(hào)機(jī)采用同型號(hào)除氧器，均設(shè)有除氧器再循環(huán)泵，目前運(yùn)行穩(wěn)定，不存在溫差大的問題

（2）一體化除氧器的工作原理是首先給水流經(jīng)大流量噴嘴后對(duì)水進(jìn)行霧化，然后霧化水與蒸汽混合換熱除氧，完成95%以上的除氧換熱過程，然后在鼓泡管的作用下進(jìn)行鼓泡換熱，從除氧效果來看，也需要設(shè)置再循環(huán)泵將除氧器水循環(huán)打回除氧器噴嘴，再除氧水經(jīng)噴嘴霧化后與蒸汽充分混合換熱，這樣才能滿足除氧效果。

（3）加長(zhǎng)除氧器輔助蒸汽管線或合并輔助蒸汽和抽氣管線，在現(xiàn)有情況下沒有相關(guān)核電應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，存在不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)，并且與加再循環(huán)泵相比缺少了除氧水經(jīng)過大流量噴嘴霧化的過程，除氧效果肯定沒有加再循環(huán)泵的效果好。

（4）此類型除氧器的原設(shè)計(jì)方為荷蘭STORK公司，咨詢STORK公司設(shè)計(jì)專家，他們認(rèn)為增設(shè)除氧器再循環(huán)泵簡(jiǎn)單易行，且有成熟的經(jīng)驗(yàn)，同樣建議增加再循環(huán)泵

核文化要求”保守決策”，對(duì)于核電站設(shè)備，我們應(yīng)盡可能選用成熟可靠和已經(jīng)經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)備。

經(jīng)過對(duì)幾種改造方案的反復(fù)對(duì)比論證，同時(shí)參考同類電站設(shè)計(jì)，最終決定采用增加除氧器再循環(huán)泵的解決方案。

3 泵安裝位置和參數(shù)的確定

3.1 接口位置和泵安裝位置

因原設(shè)計(jì)已取消再循環(huán)泵，除氧器筒體未留相應(yīng)接口

（1）方案一，在除氧器本體重新開口，施工難度較大，改造完成后除氧器需要重新進(jìn)行水壓試驗(yàn)。優(yōu)點(diǎn)是接口的位置選擇余地大，可以盡可能靠近除氧器端部，對(duì)改善除氧器內(nèi)水循環(huán)有利。

（2）方案二，利用除氧器排水至凝氣器的管線，該管線直徑323.8mm，可在下游合適位置引管線至再循環(huán)泵入口，缺點(diǎn)是接口位置距離除氧器端部仍有一段距離，可能導(dǎo)致除氧器死角位置水循環(huán)不足。

綜合考慮施工難度及工期等問題，最終將排水管線下游彎頭改為三通，接一條管線至再循環(huán)泵入口。

回水口位置選擇相應(yīng)簡(jiǎn)單，參考紅沿河電站，接在最后一個(gè)噴嘴上游，并在接口上游凝結(jié)水管線上增加一個(gè)隔離閥。

3.2 泵參數(shù)確定

嶺澳電站的再循環(huán)泵安裝在除氧器平臺(tái)，但考慮到如果泵安裝在除氧器平臺(tái)，除氧器僅略高于泵入口，泵的凈正吸入壓頭難以保證，存在汽蝕風(fēng)險(xiǎn)，將安裝標(biāo)高降低相對(duì)安全，設(shè)計(jì)院經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查后，確認(rèn)泵安裝在汽機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平臺(tái)。為了不對(duì)其他已安裝設(shè)備帶來不利影響，將安裝位置設(shè)在MX廠房8號(hào)立柱與9號(hào)立柱之間。

嶺澳電站的再循環(huán)泵流量375m3/h，紅沿河電站再循環(huán)泵設(shè)計(jì)流量260 m3/h，再循環(huán)流量通常選擇噴嘴額定流量的10～30%，加上考慮到除氧器內(nèi)部有效容積的大小，以及管道和噴嘴的壓降，選擇泵流量為375 m3/h，揚(yáng)程30m，設(shè)計(jì)溫度壓力取除氧器正常運(yùn)行溫度壓力，設(shè)計(jì)溫度180℃，設(shè)計(jì)壓力1.6MPa。同時(shí)考慮到泵基礎(chǔ)承重的問題，泵組的總重不超過3噸。

4 結(jié)束語

改造完成后，在機(jī)組啟動(dòng)階段，除氧器加熱過程中保持再循環(huán)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，泵兩端溫差僅4℃左右，解決了除氧器兩端溫差大的問題。

雖然經(jīng)歷了許多困難，也走了多彎路，設(shè)計(jì)制造運(yùn)行等各方人員多次交流溝通，彌補(bǔ)了各自的短板，查清了問題的根本原因，并最終得到解決。但此事件值得我們反思。盡量避免類似情況的發(fā)生，核電和火電在設(shè)計(jì)理念和設(shè)備參數(shù)及安全標(biāo)準(zhǔn)等方面存在較大差異，不能簡(jiǎn)單套用火電的技術(shù)改進(jìn)，設(shè)計(jì)與設(shè)備是不是獨(dú)立的，設(shè)計(jì)修改必須考慮設(shè)備是否滿足，加強(qiáng)多方信息的溝通反饋。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]