關(guān)于方家山核電常規(guī)島除氧器改造的討論

羅山

【摘 要】除氧器是電站運行的中不可或缺的設(shè)備之一，其對于給水供應(yīng)的持續(xù)性和可靠性具有關(guān)鍵的作用。其性能將直接影響電站的安全穩(wěn)定運行。方家山核電站除氧器是參照參考核電站，以及火電站的除氧器運行經(jīng)驗后進行相關(guān)改進設(shè)計后，國內(nèi)核電站首例僅利用沸騰管除氧的除氧器。其成功應(yīng)用將會簡化系統(tǒng)和運行操作，并提升經(jīng)濟效益。但是由于在制造過程中的種種問題導(dǎo)致其不能很好的滿足核電站整體啟動的要求，故由華東電力設(shè)計院、上海電氣集團電站輔機廠、調(diào)試共同討論進行相關(guān)的改造。經(jīng)過多個方案的討論，比較每一個方案的優(yōu)缺點和相應(yīng)的施工難度，以及對調(diào)試進度的影響，最終選擇增加除氧再循環(huán)泵的方案。

【關(guān)鍵詞】除氧器;沸騰管;除氧再循環(huán)泵;耙管;蒸汽

中圖分類號： F426.23;F426.61 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）06-0054-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.019

【Abstract】Deaerator is one of the indispensable equipment in the nuclear plant operating process， it plays a key role in water supplying continuity and reliability. Whether it function well determines the power plant can operate safely and steady. The Fangjiashan nuclear power plant deaerator is the first case in China which only use boiling tube to deoxidizing after improving design refer to the reference nuclear power plant and thermal power station. If it successfully applied will decrease some equipment and operation control， and improve the economic benefit of the plant in addition. However， it can not satisfy the demand of nuclear power plant initial starting as there are so many problem in the process of construction， so the Fangjiashan commissioning department of CNNO ask the designer（EPEPDI[中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院]） and manufacturer[上海電氣集團電站輔機廠] to reconstruct the deaerator. After discussion and consideration of advantage， disadvantage， and the implement difficulty of each scheme， The Fangjiashan commissioning department of CNNO finally choose to add a deoxygenated recirculating pump for the deaerator. Structural

【Key words】Deaerator; Boiling tube; Deoxygenated recirculating pump; Sparger steam pipes; Steam

1 核電站除氧器簡介

除氧器是熱力發(fā)電廠運行過程中不可或缺的一個重要設(shè)備之一，通過回熱蒸汽加熱給水提高朗肯循環(huán)的熱效率，其主要作用是去除凝結(jié)水中氧及二氧化碳等非凝結(jié)性氣體，為主給水泵和啟動給水泵提供合格的除氧水（氧含量低于5ppb），并儲存足夠的水量以滿足蒸發(fā)發(fā)生器所需的水量和凝汽器供水量不匹配時的瞬態(tài)工況，并且還有在停機階段接受新蒸汽等功能。同時其性能的好壞在核電站調(diào)試的二回路水壓試驗成功完成具有很關(guān)鍵的作用。

在核電機組的運行中，凝結(jié)水泵從凝汽器熱阱中取水，然后依次通過各低壓加熱器，再通過除氧器中的噴嘴進入除氧器加熱除氧后，由主給水泵（啟動給水泵）將合格的給水送入蒸發(fā)器，給水在蒸發(fā)器中接受一回路熱量蒸發(fā)后送入汽輪機做工后排入凝汽器冷凝成凝結(jié)水，由此構(gòu)成一個完整的二回路閉式循環(huán)。具體的流程如圖1：

2 核電站除氧器結(jié)構(gòu)與除氧方式

80年代初從美國引進的300MW和600MW機組的除氧器通常都是由除氧頭，給水箱，除氧再循環(huán)泵三部分組成，例如秦山核電站330MW機組和秦山聯(lián)營核電站670MW機組（以下稱秦山二期）都是采用此種結(jié)構(gòu)，如圖2秦山二期除氧器示意圖。

但是隨著技術(shù)的發(fā)展，以及我國設(shè)計的有頭除氧器在給水箱中設(shè)置了大量的再沸騰裝置，加熱除氧效果良好，除氧器冷態(tài)啟動時間在加熱氣源充足的情況下一般需要3～5小時，已經(jīng)不成為機組啟動的關(guān)鍵路徑，不少火電廠為了節(jié)約廠用電以及簡化系統(tǒng)與操作，逐步使用再沸騰管取代除氧再循環(huán)泵。

80年代中期隨著無頭除氧器的引進以及90年代初我國內(nèi)置式無頭除氧器的研制成功，無頭除氧器在國內(nèi)大量應(yīng)用，設(shè)計和運行的經(jīng)驗越來越多，由于內(nèi)置式無頭除氧器下部儲水設(shè)置了大量再沸騰管，加熱除氧效果良好，加熱速度也更快，最快只需約2小時。因此近年我國設(shè)計的600MW和1000MW超臨界，超臨界火電機組都不再設(shè)置除氧再循環(huán)泵，除氧器冷態(tài)啟動時間通常在3～5小時之間，滿足機組的啟動要求。

按照我國1991年頒布《電站壓力式除氧器安全技術(shù)規(guī)定》第2.2.6條，當除氧器采用啟動循環(huán)泵或給水泵前置泵加熱方式時，除氧器中可不設(shè)置沸騰管。反之，應(yīng)設(shè)置沸騰管。沸騰管用汽直接在除氧器進汽壓力調(diào)節(jié)閥的下游。沸騰用汽管道的布置，應(yīng)避免給水箱中的給水通過沸騰管、沸騰用汽管和抽汽管倒入汽輪機。所以近年設(shè)計的大型機組（火電）的除氧器分為兩種形式，一種為沸騰管式（無除氧再循環(huán)泵）無頭除氧器，另一種為除氧再循環(huán)泵（無沸騰管）式無頭除氧器。

這兩種選型各有優(yōu)勢，選擇沸騰管式一方面較為經(jīng)濟，按照火電站除氧器結(jié)構(gòu)的布置方式，通常是在除氧器底部布置一根母管，輔助蒸汽和主蒸汽都通往這一根母管，在母管上再布置大量的打孔的支管加熱給水。另一方面沸騰管無需其他操作，節(jié)省了人力且由于火電廠廠房空間緊湊，沸騰管相對于增加除氧再循環(huán)泵也更節(jié)省廠房空間。所以現(xiàn)在基本上國內(nèi)的600MW以上的運行和在建機組都是采用這樣的結(jié)構(gòu)。但是這種結(jié)構(gòu)有一個問題是除氧器振動較大。因為加熱蒸汽母管是埋在除氧器底部的給水中，當除氧器冷啟動時，蒸汽通入還是水實體的母管中時，由于鼓泡效應(yīng)會產(chǎn)生劇烈振動，所以要求在運行時需要運行人員在開啟蒸汽供應(yīng)閥門時要緩慢，且在振動最劇烈時加大蒸汽供應(yīng)量，以此將母管中的水全部沖出。而后振動將會逐漸消失。而選擇除氧再循環(huán)泵的方式，雖然較沸騰管式費用更高，且增加了運行人員的操作，但是其不會造成除氧器的過度振動，且在冷啟動時加熱更均勻，可能會節(jié)省一定的啟動時間。特別是在調(diào)試期間二回路水壓試驗時對于除氧器內(nèi)給水的溫度均勻有很好的作用。

3 方家山核電站除氧器的選型

方家山核電站是中國核工業(yè)集團出資營建的商業(yè)性核電站，采用法國引進的M310堆型的技術(shù)路線，華東電力設(shè)計院負責常規(guī)島的設(shè)計工作，其技術(shù)設(shè)計主要參考中國廣東核電集團嶺澳核電站。參考電站的常規(guī)島設(shè)計方是廣東電力設(shè)計院，其選擇的除氧器形式為無頭無沸騰管，有除氧再循環(huán)泵的除氧器，制造方亦為上海電站輔機廠。但是華東電力設(shè)計院根據(jù)我國火電發(fā)電廠的啟動運行經(jīng)驗，為了簡化系統(tǒng)，降低并減少投資和運行成本，通過相關(guān)技術(shù)論證還是決定取消除氧再循環(huán)泵（參見《常規(guī)島取消啟動除氧再循環(huán)泵的專題報告》），而采取再沸騰管式的除氧器。雖然國內(nèi)核電站還沒有采用此種形式設(shè)計的先例，但是華東電力設(shè)計院經(jīng)過理論計算和火電廠的運行經(jīng)驗，認為這是滿足核電站運行的需要的。

4 方家山核電站除氧器的問題與改造

根據(jù)華東電力設(shè)計院的設(shè)計方案，方家山核電站除氧器委托生產(chǎn)方上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機廠（下稱輔機廠）采用荷蘭STORK公司的技術(shù)，其設(shè)計的思路與國內(nèi)火電除氧器有一定區(qū)別，首先其將輔助蒸汽和主蒸汽供氣母管設(shè)置在除氧器上部（正常水位之上），然后在母管上焊接耙管（耙管結(jié)構(gòu)圖見圖3）。

并在耙管上開孔將蒸汽供應(yīng)到除氧器底部。另一方面其將輔助蒸汽母管與主蒸汽母管相分離，各自獨立。兩套大的主加熱耙管在正常運行、瞬態(tài)運行和及低負荷時運行，小的輔助蒸汽加熱耙管在冷態(tài)啟動時使用。蒸汽通過耙管上的小孔進入低低水位以下的給水中，然后上升穿過水面與凝結(jié)水完成除氧過程。這樣的結(jié)構(gòu)相對于火電廠除氧器將供氣母管埋在水下的優(yōu)勢是振動降低，但是在機組啟動時，由于其主蒸汽、抽汽母管與輔助蒸汽母管是分離的，且輔助蒸汽的供氣母管在除氧器內(nèi)部的長度只有除氧器中部一段（長度為10391mm，除氧器總長為50000mm），但是主蒸汽、抽汽供氣母管是貫穿整個除氧器內(nèi)部的。所以在冷啟動時除氧器的水很難加熱均勻，即使投上啟動給水泵再循環(huán)（再循環(huán)流量40t/h），按照冷啟動1000mm的水位計，當時的除氧器內(nèi)的水量約為100t，也至少需要2.5小時才能將除氧器內(nèi)的水循環(huán)一遍。且由于啟動給水泵的取水在除氧器靠近封頭處，而再循環(huán)管道連接在除氧器中部，所以靠啟動給水泵再循環(huán)除氧器內(nèi)的全部給水很難實現(xiàn)。另一方面，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，由于啟動給水泵小流量循環(huán)運行時，其出口壓力達到了12Mpa，管道的振動較大，在方家山核電站和福清核電上都出現(xiàn)了將固定支架震脫落的現(xiàn)象。而按照中核運行二廠的運行反饋，一般情況下是不允許啟動給水泵小流量循環(huán)長時間運行的，這對泵的性能也有一定影響。而方家山核電由于取消了除氧再循環(huán)泵，相應(yīng)的加藥管線也移至啟動給水泵進水口，為使得加藥均勻啟動給水泵就必須長期運行，這對于設(shè)備和管道都提出了更高的要求。

同時對比秦山二期除氧器發(fā)現(xiàn)其輔助蒸汽和抽汽最終是匯在一根母管上，但是因為其是有頭除氧器和方家山核電的結(jié)構(gòu)有區(qū)別，不用考慮蒸汽投入后的管道振動問題，這種設(shè)計不能用在方家山除氧器設(shè)計中。而同為上海電站輔機廠制造，用于廣核集團的嶺澳二期和陽江一號機組的除氧器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和方家山核電的除氧器內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致，但是華東院經(jīng)過理論計算把除氧再循環(huán)泵取消后，上海電站輔機廠并未根據(jù)此變更進行除氧器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計改變。

基于這樣的情況，為了滿足方家山核電機組在冷啟動時除氧器內(nèi)給水能夠快速加熱不影響以后機組啟動時主線時間，同時能夠使得除氧器內(nèi)給水加熱均勻，由方家山調(diào)試提出改造要求。經(jīng)調(diào)試隊、華東院、輔機廠多方協(xié)商共提出6種解決方案。如下表1（見下頁）。

經(jīng)過多次開會討論，最終主要集中在方案3和方案6上的選擇。其他方案由于都不能真正解決問題，或者不可靠而被否決。

如果增加除氧再循環(huán)泵需面對的一個問題是除氧再循環(huán)泵的進出水接口位置取在什么位置。由于之前在對除氧器改造——《常規(guī)島取消啟動除氧再循環(huán)泵的專題報告》，上海電站輔機廠已經(jīng)將除氧循環(huán)泵的取水口取消，沒有在筒體上留備用口，那么需要上海電站輔機廠到現(xiàn)場進行相應(yīng)的開孔工作?；蛘咴诔跗鞣潘聊鞯墓芫€上進行開孔，接除氧再循環(huán)泵進口管線，出口接至凝結(jié)水進除氧器逆止閥ADG003VL閥后。

如果實施方案6，根據(jù)STORK公司提供的技術(shù)圖紙和上海電站輔機廠提供的具體施工方案，施工有一定難度，首先要將原有的輔助蒸汽加熱管線割除從除氧器人孔運出，然后將用料再從人孔運至除氧器內(nèi)部相應(yīng)位置進行焊接等工作，如果是在工廠內(nèi)實施這樣的工作可能還是比較容易，但是在現(xiàn)場要實施這樣的工作難度較大，且還涉及到通電，通風等等問題，相關(guān)的施工成本將是巨大的。還有一個重要的問題就是除氧器的清潔度難以保證。

經(jīng)過多次討論和協(xié)商，方家山調(diào)試還是認為增加除氧循環(huán)泵的實施方案較為合理。因為從運行的角度出發(fā)，首先考慮的是設(shè)備性能的穩(wěn)定與可靠性，而嶺澳二期和陽江一號機組提供了很好的經(jīng)驗保證。雖然取消循環(huán)泵的設(shè)計是滿足設(shè)計要求，且是一項創(chuàng)新，但是由于核電站沒有使用先例，運行效果無法通過實際驗證。且此次設(shè)計與制造商之間沒有很好的協(xié)調(diào)導(dǎo)致取消除氧循環(huán)泵后內(nèi)部設(shè)計沒有變更，如果在一個制造完成且已經(jīng)安裝完畢的容器內(nèi)進行改造施工然后再次使用，因為沒有在調(diào)試階段對它進行驗證，無法保證改造后一定滿足除氧器的性能要求，而方家山核電一號機組即將進入裝料階段，這樣的不可控風險是不能承擔的。

5 結(jié)論

方家山核電站除氧器改造最終方案回歸了最初的設(shè)計，即與嶺澳二期和陽江一號機組一樣構(gòu)造。雖然沒有了之前取消除氧循環(huán)泵的創(chuàng)新，但是至少保證了除氧器運行的可靠性。可能在之后核電站項目的除氧器設(shè)計中還是會采用沒有除氧再循環(huán)泵的方案，但前提一定要保證設(shè)計方與設(shè)備制造方的良好溝通，當出現(xiàn)設(shè)計變更時其對設(shè)備的性能的影響以及是否需要制造方進行相應(yīng)的更改要做好充分的論證工作，以防止類似方家山項目的情況再次發(fā)生。

【參考文件】

[1]方家山給水除氧器系統(tǒng)手冊，中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院，2011， Fangjiashan feed water deaerator system manual， China electricity engineer consulting group East-China electric power design institute.2012.

[2]常規(guī)島取消啟動除氧再循環(huán)泵的專題報告，中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院，2012，The special report about canceling deoxygenated recirculating pump in conventional island of Fangjiashan nuclear power plant， China electricity engineer consulting group East-China electric power design institute.2012.