核電站1 000 MW汽輪機(jī)快速冷卻方案探究

何偉男，王兆彪，吳曉東，丁皓姝，鄒 迪

(1. 中廣核工程有限公司，深圳 518000； 2. 東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 132000)

核電站為降低汽輪機(jī)停機(jī)后的整體溫度，多采用滑參數(shù)停機(jī)的方式來達(dá)到汽輪機(jī)冷卻的目的，在機(jī)組冷卻過程中，選擇機(jī)組在空載平臺(tái)運(yùn)行或廠用電平臺(tái)運(yùn)行，缸體溫降效果也不相同[1]。核電機(jī)組在完成了滑參數(shù)冷卻過程，執(zhí)行汽輪機(jī)解列及打閘操作后的自然冷卻階段時(shí)間過長(zhǎng)，參考國(guó)內(nèi)600 MW汽輪機(jī)自然降溫到423 K以下大約需要7天，對(duì)核電站而言，這樣的耗時(shí)限制了汽輪機(jī)的檢修效率，給核電生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性帶來巨大影響。

本文結(jié)合火電機(jī)組快速冷卻經(jīng)驗(yàn)，通過創(chuàng)建缸體溫降的模型，分析影響溫降的因素，提出一套適用于核電站汽輪機(jī)機(jī)組快速降溫的控制方案。本方案以保障機(jī)組設(shè)備為前提，縮減核電站缸體溫降耗時(shí)，保證機(jī)組檢修計(jì)劃如期執(zhí)行。本方案的提出可為國(guó)內(nèi)其他核電機(jī)組的缸體溫降控制提供參考和借鑒。

1 汽輪機(jī)冷卻技術(shù)存在的問題

目前國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)快速冷卻技術(shù)雖已成熟，但不同電廠的汽輪機(jī)冷卻效果不盡相同，具體分析見下文。

1.1 滑參數(shù)過程調(diào)節(jié)方式不同

各電廠大多采用滑參數(shù)停機(jī)來降低停機(jī)時(shí)汽缸的溫度水平，但滑參數(shù)停機(jī)時(shí)，主蒸汽溫度控制較為困難，蒸汽溫度的大幅波動(dòng)甚至?xí)l(fā)汽輪機(jī)部件損傷的事故。通過降溫建模分析可知，初始溫度相同的情況下，通過在允許范圍內(nèi)提高降負(fù)荷速率，可以增加壁面換熱降溫效果。同時(shí)，在降溫過程中選擇合適的功率平臺(tái)，持續(xù)對(duì)汽缸進(jìn)行低負(fù)荷蒸汽吹掃冷卻，也可以在保證低能耗的情況下提高降溫速率。綜上，滑參數(shù)速率調(diào)節(jié)及持續(xù)吹掃的平臺(tái)選擇不同，將導(dǎo)致不同的降溫效果。

1.2 停機(jī)后自然冷卻時(shí)間過長(zhǎng)

容量大、參數(shù)高、尺寸大的汽輪機(jī)高壓缸普遍采用硅酸鈣、硅酸鋁等優(yōu)質(zhì)保溫材料來進(jìn)行保溫，其會(huì)在停機(jī)后造成自然冷卻速度減慢。以國(guó)產(chǎn)200 MW機(jī)組為例，汽輪機(jī)停機(jī)后要使缸溫自然冷卻到揭缸溫度，即423 K以下，約需4～6天的時(shí)間。

由于汽輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行功率越高，其自然冷卻所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，而功率均在1 000 MW以上的核電站汽輪發(fā)電機(jī)組，自然冷卻耗時(shí)會(huì)更長(zhǎng)。此外，汽輪機(jī)機(jī)組檢維修均使機(jī)組經(jīng)歷多次的自然冷卻，降溫消耗的時(shí)間嚴(yán)重影響了機(jī)組可用率和機(jī)組檢修及整組啟動(dòng)的進(jìn)度。

2 汽輪機(jī)快速冷卻問題的分析

2.1 滑參數(shù)降溫過程分析

對(duì)常規(guī)火電機(jī)組滑參數(shù)冷卻過程問題梳理后發(fā)現(xiàn)，決定核電廠汽輪發(fā)電機(jī)組滑參數(shù)冷卻效率的因素主要有三方面，即不同汽輪機(jī)功率下的蒸汽溫度、不同汽輪機(jī)負(fù)荷下降速率及保持持續(xù)吹掃的不同功率平臺(tái)。

2.1.1 不同汽輪機(jī)功率下的蒸汽溫度

根據(jù)CPR1000機(jī)組反應(yīng)堆溫度及功率控制原理，結(jié)合理論設(shè)計(jì)趨勢(shì)線可知，調(diào)節(jié)閥開度的增加降低了蒸汽通過閥門時(shí)的局部損失，進(jìn)而提高了蒸汽的壓力和流量，提高了進(jìn)汽溫度，最終提高了汽輪機(jī)機(jī)組的功率。換言之，汽輪機(jī)功率越高，對(duì)應(yīng)做功的蒸汽壓力和溫度就越高。

物體被冷卻時(shí)的對(duì)流換熱基本計(jì)算公式如下：

q=h(tf-tw)

(1)

式中：q為單位面積的固體表面與流體之間在單位時(shí)間內(nèi)交換的熱量，W/m2；h為表面對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2·K)；tf為流體溫度，K；tw為壁面溫度, K。

由式(1)可知，當(dāng)高中壓缸缸體溫度不變，要獲得更好的冷卻效果，就要選擇溫度盡量低的流體進(jìn)行換熱。由汽輪機(jī)負(fù)荷和進(jìn)汽溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，汽輪機(jī)負(fù)荷越低，則進(jìn)汽溫度越低，冷卻效果越好。

2.1.2 汽輪機(jī)降負(fù)荷速率及持續(xù)吹掃平臺(tái)選擇

在初始條件確定的情況下，功率下降速率直接影響降溫速率，若想達(dá)到更快的降溫效果，就要在合理的范圍內(nèi)盡可能選擇大的降功率速率。

汽輪機(jī)空載工況下蒸汽參數(shù)低，可以達(dá)到較好的降溫效果。空載工況下蒸汽濕度較大，對(duì)汽輪機(jī)的運(yùn)行和葉片安全會(huì)產(chǎn)生較大危害，此時(shí)汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)第1組閥門處于壓力調(diào)節(jié)模式，如果使閥門開度持續(xù)變化以平衡一、二回路壓力，就會(huì)對(duì)閥門盤根及執(zhí)行機(jī)構(gòu)造成頻繁的磨損，影響閥門壽命，所以汽輪機(jī)不適宜長(zhǎng)時(shí)間在空載狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。

通過對(duì)比某核電站一期工程2臺(tái)機(jī)組的汽輪機(jī)快速冷卻試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合二期3號(hào)機(jī)快速冷卻方案，決定以3 MW/min的速率執(zhí)行機(jī)組降負(fù)荷,這樣可以滿足核電站運(yùn)行技術(shù)規(guī)范中降負(fù)荷速率不大于5 MW/min的要求，同時(shí)可以保持機(jī)組在空載階段運(yùn)行，直到高中壓缸溫度降至滿足汽輪機(jī)打閘的要求。

2.2 打閘停機(jī)后缸溫冷卻過程分析

通過分析及對(duì)比火電機(jī)組的汽缸冷卻經(jīng)驗(yàn)[2]，認(rèn)為停機(jī)自然冷卻階段采用內(nèi)冷卻方式對(duì)于高中壓缸的冷卻效果最為明顯，常見的冷卻方法有3種：

1)自然冷卻。在盤車轉(zhuǎn)速下停運(yùn)汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)及真空抽取系統(tǒng)，使汽輪機(jī)進(jìn)行自然冷卻。此方法屬于內(nèi)部調(diào)節(jié)，投運(yùn)主盤車對(duì)缸溫進(jìn)行冷卻，投資為零，且容易實(shí)現(xiàn)，但由于汽輪機(jī)軸端處進(jìn)入的環(huán)境空氣溫度和高中壓缸內(nèi)部溫度相差較大，容易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，影響汽輪機(jī)軸系參數(shù)。

2)蒸汽冷卻。保持汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)中的某個(gè)轉(zhuǎn)速平臺(tái)，將轉(zhuǎn)速限定在300～1 000 r/min區(qū)間，保持蒸汽通流對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行冷卻。此方法也屬內(nèi)部調(diào)節(jié)，投入不大，但由于蒸汽參數(shù)低，過熱度不夠，無法避免局部凝結(jié)現(xiàn)象。該方案會(huì)對(duì)汽輪機(jī)安全造成很大影響。

3)壓縮空氣冷卻。將凈化和加熱后的壓縮空氣通入汽輪機(jī)，進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱冷卻，缸體內(nèi)壁與壓縮空氣的溫差由熱應(yīng)力水平而定，冷卻速度通過空氣通流量調(diào)節(jié)。由于空氣比熱容小，對(duì)流傳熱系數(shù)小且無相變換熱，冷卻過程可控且安全。

對(duì)于以上3種冷卻方式，國(guó)內(nèi)廣泛采用蒸汽冷卻的方式，在自然冷卻階段，使用快速冷卻裝置可以大大提升降溫速度。

3 汽輪機(jī)快速冷卻建模分析

3.1 功率平臺(tái)與冷卻效果的建模分析

國(guó)內(nèi)某1 000 MW核電機(jī)組在停機(jī)過程中，選擇在15%滿功率(Full Power，F(xiàn)P)平臺(tái)保持穩(wěn)定運(yùn)行，待溫度降至蒸汽參數(shù)的下降不會(huì)導(dǎo)致相變產(chǎn)生的工況后，繼續(xù)降低功率，直至空載狀態(tài)。下面將針對(duì)選擇功率平臺(tái)保持穩(wěn)定運(yùn)行這一方案進(jìn)行建模分析。

3.1.1 無對(duì)應(yīng)功率平臺(tái)的方案建模分析

無對(duì)應(yīng)功率平臺(tái)建模，即以不同的降功率速率使汽輪機(jī)降至空載狀態(tài)，將每個(gè)降負(fù)荷速率標(biāo)準(zhǔn)下溫度云圖的分布情況作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。為進(jìn)行更為全面的驗(yàn)證，分別采集了0.2 K/min、0.5 K/min、0.7 K/min、1.0 K/min降溫速率下的溫度云圖，如圖1至圖4所示。

圖1 無功率平臺(tái)蒸汽溫降速率0.2 K/min溫度云圖

圖2 無功率平臺(tái)蒸汽溫降速率0.5 K/min溫度云圖

圖3 無功率平臺(tái)蒸汽溫降速率0.7 K/min溫度云圖

圖4 無功率平臺(tái)蒸汽溫降速率1.0 K/min溫度云圖

通過對(duì)比無功率平臺(tái)的溫度云圖可以看出，在蒸汽溫降速率不同的情況，側(cè)視圖的換熱缸體整體的內(nèi)部速度分布存在較大差異。如圖1至圖4所示，在降溫速率較低時(shí)，缸體近壁面處蒸汽流速較小，小流速的蒸汽對(duì)壁面的吹掃較弱，從而導(dǎo)致壁面換熱效果較差，而提升蒸汽溫降速率之后，近壁面小流速的蒸汽明顯減少，加強(qiáng)了壁面換熱。所以，降負(fù)荷速率的增加對(duì)壁面換熱降溫是有利的。

同時(shí)，溫度云圖顯示，在低降溫速率的工況下，壁面表面的溫度分布不均，存在溫差較大的區(qū)域，這證明在低降溫速率工況下，壁面會(huì)存在散熱不均的情況，這也會(huì)影響整體缸體溫降。

3.1.2 有功率平臺(tái)的方案建模分析

假定機(jī)組存在某個(gè)特定的功率平臺(tái)，該平臺(tái)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定工況蒸汽流動(dòng)可以使缸體換熱效果達(dá)到最優(yōu)。機(jī)組降至這個(gè)特定的功率平臺(tái)維持運(yùn)行，加以不同的蒸汽溫降速率，可以得到不同的溫度分布云圖，如圖5至圖8所示。

圖5 有功率平臺(tái)蒸汽溫降速率0.2 K/min溫度云圖

圖6 有功率平臺(tái)蒸汽溫降速率0.5 K/min溫度云圖

圖7 有功率平臺(tái)蒸汽溫降速率0.7 K/min溫度云圖

圖8 有功率平臺(tái)蒸汽溫降速率1.0 K/min溫度云圖

對(duì)比有功率平臺(tái)不同蒸汽溫降速率的溫度云圖可見，不同溫降速率對(duì)應(yīng)的溫度云圖比無功率平臺(tái)分布更為均勻，沒有出現(xiàn)無功率平臺(tái)下蒸汽回流不暢的現(xiàn)象，可知在同等溫降速率的條件下，有功率平臺(tái)的換熱效果要略優(yōu)于無功率平臺(tái)的換熱效果。同時(shí)，有功率平臺(tái)的溫度分布更為均勻，這證明缸體表面的換熱情況比無功率平臺(tái)情況更好，更利于缸體冷卻。

3.2 降功率速率與冷卻效果的建模分析

不同功率平臺(tái)下蒸汽溫度不同，當(dāng)機(jī)組功率較低時(shí)，其蒸汽溫度也較低，因此在冷卻過程中，應(yīng)該盡可能讓功率下降，從而使用更低參數(shù)的蒸汽對(duì)汽輪機(jī)高中壓缸進(jìn)行冷卻，不同的降負(fù)荷速率對(duì)冷卻也有著不同的影響。

在有功率平臺(tái)運(yùn)行和無功率平臺(tái)運(yùn)行的建模模擬過程中，在蒸汽溫降速率0.2～1.2 K/min的范圍內(nèi)以不同的蒸汽溫降速率冷卻缸體溫度，獲得如圖9及圖10所示的結(jié)果。通過對(duì)圖9的分析可知，當(dāng)蒸汽溫降速率較低時(shí)，靠近冷卻壁面較近處蒸汽流速小，蒸汽對(duì)壁面的吹掃作用較弱，而溫降速率提升時(shí)，近壁面處低速區(qū)范圍減小，利于缸體降溫。與圖9分布相比，圖10沿流動(dòng)方向蒸汽流速分布均勻，橫截面蒸汽速度變化較小，且低速區(qū)范圍小，更利于缸體降溫。

圖9 無功率平臺(tái)蒸汽速度云圖

圖10 有功率平臺(tái)蒸汽速度云圖

無功率平臺(tái)和有功率平臺(tái)溫度-時(shí)間總圖如圖11、圖12所示。圖11和圖12內(nèi)各曲線的斜率代表蒸汽溫降速率的快慢。由圖11中蒸汽溫降速率為0.2 K/min和0.5 K/min對(duì)比可見，缸體溫度逐漸下降，且在蒸汽溫降速率為0.5 K/min時(shí)下降比0.2 K/min更快。而在蒸汽溫降速率為0.7～1.2 K/min溫度下降曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)前斜率大于拐點(diǎn)后斜率，這說明在某一時(shí)間點(diǎn)后，蒸汽溫降速率的提升并不會(huì)使缸體溫度下降更多。同時(shí)，當(dāng)蒸汽溫降速率從0.2 K/min升至0.7 K/min時(shí)，三條曲線在溫降試驗(yàn)進(jìn)行至4 200 s時(shí)從500 K分別降至473 K、463 K、453 K。從時(shí)間點(diǎn)4 200 s開始，溫降曲線出現(xiàn)交點(diǎn)。以0.7 K/min與1.0 K/min交于4 200 s左右為例，時(shí)間點(diǎn)4 200 s之前，蒸汽溫降速率1.0 K/min下的缸體溫降比0.7 K/min更多，4 200 s后在蒸汽溫降速率0.7 K/min下的缸體溫降比1.0 K/min多。

圖11 無功率平臺(tái)溫度-時(shí)間總圖

圖12 有功率平臺(tái)溫度-時(shí)間總圖

綜上所述，以蒸汽溫降速率表征機(jī)組降負(fù)荷速率，某核電站在進(jìn)行汽輪機(jī)冷卻過程中，選擇以3 MW/min對(duì)汽輪機(jī)執(zhí)行降功率，不大于5 MW/min，是滿足要求的，且得到建模論證的。

4 汽輪機(jī)快冷裝置的應(yīng)用總結(jié)

前文已經(jīng)證明，汽輪機(jī)打閘停機(jī)后自然冷卻階段使用凈化及加熱的壓縮空氣冷卻，是最佳冷卻方案。國(guó)內(nèi)某核電站初步實(shí)踐應(yīng)用了汽輪機(jī)快速冷卻裝置[3]，并取得了良好的試驗(yàn)效果。

4.1 汽輪機(jī)快冷裝置設(shè)計(jì)方案

結(jié)合某核電站汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通入壓縮空氣，以順流的形式快速冷卻高壓缸。冷卻氣流動(dòng)如圖13及圖14所示，冷卻空氣經(jīng)調(diào)門進(jìn)入主蒸汽管道，由主蒸汽管道通過高壓缸中部上下進(jìn)口流入高壓缸，冷卻空氣進(jìn)入高壓缸后，在高壓缸內(nèi)部以順流的方式流動(dòng)。

圖13 冷卻空氣進(jìn)氣流動(dòng)示意圖

圖14 高壓缸冷卻空氣排氣流動(dòng)示意圖

通過4個(gè)主汽門調(diào)門上的快冷裝置接口注入冷卻空氣,冷卻時(shí)需同時(shí)打開4個(gè)快冷接口，快冷裝置接口位置如圖15和圖16所示。然后冷卻空氣通過高壓缸排汽口排至汽水分離再熱器殼側(cè)，經(jīng)汽水分離疏水箱流入凝汽器，最后由凝汽器汽側(cè)人孔排入大氣。

圖15 主調(diào)節(jié)閥快冷接口法蘭位置示意圖

圖16 調(diào)閥本體上的快冷接口圖紙

4.2 汽輪機(jī)快冷裝置投運(yùn)方案

某核電站快冷裝置投運(yùn)方案如下：

1)汽輪機(jī)打閘后，凝汽器真空被破壞，主機(jī)保持盤車運(yùn)行狀態(tài)，打開高壓缸進(jìn)汽主調(diào)閥門，打開1號(hào)凝汽器汽側(cè)人孔門；

2)快冷裝置運(yùn)行1 h，高壓缸進(jìn)氣量為40 m3/min，設(shè)定快冷裝置出口溫度為323 K，壓力為0.4～0.6 MPa，保持快冷裝置運(yùn)行1 h；

3)快冷裝置運(yùn)行47 h，高壓缸進(jìn)氣量為80 m3/min，設(shè)定快冷裝置出口溫度為323 K，壓力為0.4～0.6 MPa，保持快冷裝置運(yùn)行47 h。

4.3 汽輪機(jī)快冷裝置投運(yùn)對(duì)比總結(jié)

2015年3月31日，此核電站一期工程2號(hào)機(jī)組8:22發(fā)電機(jī)電功率由1 099 MW降至1 030 MW；4月1日23:00汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在低速盤車狀態(tài)(2 r/min)和高壓缸轉(zhuǎn)子溫度396.8 K狀態(tài)點(diǎn)開始投入汽輪機(jī)快冷裝置；4月3日7:00按照快冷設(shè)計(jì)要求(當(dāng)高壓轉(zhuǎn)子溫度低于363 K且無明顯回升，則可結(jié)束強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻)，現(xiàn)場(chǎng)控制汽輪機(jī)高壓缸轉(zhuǎn)子溫度,使其降至358.6 K。汽輪機(jī)經(jīng)過快冷降溫后達(dá)到盤車停運(yùn)條件，汽輪機(jī)快冷實(shí)際總計(jì)用時(shí)32 h，實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)快冷設(shè)計(jì)預(yù)期結(jié)果，滿足了汽輪機(jī)從機(jī)組打閘至盤車投運(yùn)時(shí)間控制在48 h之內(nèi)的要求。

5 結(jié) 論

本文通過介紹國(guó)內(nèi)某1 000 MW核電站汽輪機(jī)高中壓缸快速冷卻過程建模試驗(yàn)，分析了不同蒸汽溫降速率、不同汽輪機(jī)保持運(yùn)行的功率平臺(tái)對(duì)缸體溫降速度的影響，探究出一套適用于該核電站汽輪機(jī)加快缸體溫降速率的冷卻方案。

該汽輪機(jī)冷卻方案以1 000 MW核電站實(shí)際冷卻過程數(shù)據(jù)為參考，通過專業(yè)軟件建立冷卻模型模擬缸體溫降。結(jié)合核電站功率控制要求，提出降負(fù)荷速率及維持運(yùn)行的功率平臺(tái)等建議，并通過在運(yùn)機(jī)組驗(yàn)證方案，確認(rèn)該方案相比于以往的冷卻方案有很大改進(jìn)。該方案具備了建模分析研究的科學(xué)性，能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)1 000 MW核電機(jī)組缸體溫度冷卻提供借鑒。