核電廠汽輪發(fā)電機(jī)組夏季工況出力分析及優(yōu)化研究

王紅福，高鈺文，劉愛明，熊樹欽

（山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265116）

0 引言

電廠常規(guī)汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)被廣泛用于技術(shù)改造或運(yùn)行方式指導(dǎo)，適用于不需要最小不確定度的熱力性能指標(biāo)為目的的場(chǎng)合。通過(guò)測(cè)量蒸汽、給水和疏水的壓力、溫度、流量等參數(shù)，準(zhǔn)確獲得汽輪機(jī)的熱力性能數(shù)據(jù)，以進(jìn)行精確的實(shí)際熱平衡計(jì)算。目前國(guó)內(nèi)核電廠汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)多采用ASME PTC 6簡(jiǎn)化規(guī)程試驗(yàn)方法。

隨著夏季的來(lái)臨，海水溫度逐漸升高，凝汽器冷卻能力下降，機(jī)組出力會(huì)逐漸下降。為響應(yīng)國(guó)家提出的節(jié)能減排、降低汽輪機(jī)組熱耗率水平、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的號(hào)召，有必要對(duì)運(yùn)行機(jī)組的出力水平進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。因此本文采用常規(guī)汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)方法，對(duì)某核電公司1號(hào)和2號(hào)機(jī)組的夏季工況出力進(jìn)行分析和計(jì)算，了解機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行狀況，查看機(jī)組是否滿足設(shè)計(jì)保證值要求，發(fā)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行中存在的異常和故障，為提升機(jī)組出力提供優(yōu)化建議。

1 夏季機(jī)組出力現(xiàn)狀

提取2019年5月初至7月底每日 14∶00-16∶00的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到發(fā)電機(jī)出口電功率、核島熱功率隨時(shí)間的變化曲線，如圖1所示。

從圖1可以看出，核島熱功率一直維持在設(shè)計(jì)值的99.5%～100%之間，但機(jī)組出力從5月中旬開始逐漸下降，主要原因?yàn)?月中旬循環(huán)水溫（海水溫度）達(dá)到17.5℃，凝汽器背壓無(wú)法維持設(shè)計(jì)值。隨著循環(huán)水溫進(jìn)一步升高，凝汽器背壓逐漸增大，凝汽器冷卻能力下降，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出口電功率逐漸下降。凝汽器背壓、循環(huán)水溫隨日期的變化曲線如圖2所示。

圖1 發(fā)電機(jī)出口電功率和核島熱功率隨日期的變化

圖2 機(jī)組凝汽器背壓和循環(huán)水溫隨日期的變化

從圖1和圖2中可以看出，發(fā)電機(jī)出口電功率與循環(huán)水溫負(fù)相關(guān)，凝汽器背壓與循環(huán)水溫正相關(guān)。通過(guò)擬合得到機(jī)組出力隨循環(huán)水溫變化的擬合曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 1號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)出口電功率與循環(huán)水溫的擬合曲線

圖4 2號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)出口電功率與循環(huán)水溫的擬合曲線

將發(fā)電機(jī)出口電功率測(cè)量值的擬合曲線與設(shè)計(jì)曲線對(duì)比，如圖5所示。從圖5可知，發(fā)電機(jī)出口電功率與設(shè)計(jì)曲線變化趨勢(shì)一致，且實(shí)際值均小于設(shè)計(jì)值。在循環(huán)水溫較低時(shí)發(fā)電機(jī)出口電功率與設(shè)計(jì)值偏差較小，隨著循環(huán)水溫逐漸升高，偏差越來(lái)越大。

圖5 發(fā)電機(jī)出口電功率隨循環(huán)水溫的變化

2 出力修正計(jì)算及分析

2.1 試驗(yàn)方法介紹

核電廠發(fā)電過(guò)程中的熱功轉(zhuǎn)換是通過(guò)水蒸氣的熱力循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。蒸汽發(fā)生器、高壓缸、汽水分離再熱器、低壓缸、凝汽器、低壓加熱器、除氧器、高壓加熱器等一些主要設(shè)備及其連接管道構(gòu)成了核電站二回路主循環(huán)，如圖6所示。

常規(guī)汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)方法，需要在機(jī)組二回路中布置壓力、溫度、流量等測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置見圖6中標(biāo)示位置，以保證采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算能夠得到所需要的試驗(yàn)結(jié)果，且計(jì)算結(jié)果的精度滿足要求。本次試驗(yàn)為常規(guī)性能試驗(yàn)，因此較全面性能試驗(yàn)減少了大量試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的布置。

圖6 核電廠二回路循環(huán)簡(jiǎn)圖

2.2 計(jì)算公式

機(jī)組凈出力可用下式計(jì)算［1］：

式中：Wnet為機(jī)組凈出力；Wg為發(fā)電機(jī)出口電功率；Wexc為勵(lì)磁變消耗電功率。

計(jì)算中修正系數(shù)可按下式確定：

式中：Ctotal為總修正系數(shù)；Ci為各參數(shù)修正系數(shù)。

修正后的機(jī)組凈出力計(jì)算公式：

式中：Wcorrected為修正后的機(jī)組凈出力；Wnet為測(cè)量的機(jī)組凈出力。

2.3 試驗(yàn)計(jì)算與分析

為了分析當(dāng)前夏季工況下機(jī)組出力是否滿足設(shè)計(jì)保證值，提取機(jī)組正常運(yùn)行期間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算修正到設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行分析［2］。機(jī)組設(shè)計(jì)工況及保證值如表1所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)采集得到機(jī)組滿功率正常運(yùn)行2 h的數(shù)據(jù)，通過(guò)整理和計(jì)算得到熱平衡計(jì)算所需的機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，如表2所示。

通過(guò)修正曲線，對(duì)影響汽輪機(jī)性能的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修正，包括主蒸汽濕度、凝汽器真空、加熱器疏水端差、補(bǔ)水率、老化、蒸發(fā)器排污、核島熱功率等。修正系數(shù)見表3，修正后的機(jī)組凈出力見表4。

表1 機(jī)組設(shè)計(jì)工況及保證值

表2 機(jī)組各測(cè)點(diǎn)運(yùn)行參數(shù)

表3 機(jī)組凈出力修正系數(shù)

表4 機(jī)組凈出力修正值 （MWe）

從表4中可知，1號(hào)和2號(hào)機(jī)組凈出力由運(yùn)行狀況修正到額定工況及夏季工況時(shí)，能夠滿足機(jī)組保證值要求。表3中列出1號(hào)和2號(hào)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的修正系數(shù)，正值是對(duì)機(jī)組有利的影響因素，負(fù)值為對(duì)機(jī)組不利的影響因素，修正系數(shù)絕對(duì)值越大，對(duì)機(jī)組運(yùn)行影響越大。其中凝汽器真空、補(bǔ)水率、蒸發(fā)器排污率、核島熱功率對(duì)機(jī)組影響較大，且產(chǎn)生較大的不利影響。

3 機(jī)組優(yōu)化建議

根據(jù)上述修正計(jì)算結(jié)果可知，在機(jī)組運(yùn)行期間影響機(jī)組發(fā)電出力的主要因素有凝汽器背壓、補(bǔ)水率、排污率、核島熱功率、閥門內(nèi)漏等［3］，由此提出優(yōu)化建議。

3.1 降低凝汽器背壓

設(shè)計(jì)工況下凝汽器背壓每提升1 kPa，機(jī)組凈出力下降12.3 MWe。因此降低凝汽器背壓，對(duì)于機(jī)組功率的提升非常重要。

3.1.1 降低循環(huán)水入口水溫

循環(huán)水入口水溫與凝汽器背壓成正相關(guān)，通過(guò)設(shè)計(jì)曲線可知，循環(huán)水溫達(dá)到20℃時(shí)，循環(huán)水溫增加1℃，凝汽器背壓增加0.23 kPa，機(jī)組凈出力降低2.8 MWe。循環(huán)水溫達(dá)到30℃時(shí)，循環(huán)水溫增加1℃，凝汽器背壓增加0.4 kPa，機(jī)組凈出力降低5 MWe。循環(huán)水溫越高，降低1℃循環(huán)水溫可顯著增加機(jī)組出力。調(diào)研發(fā)現(xiàn)周邊采用深水取水的某電廠循環(huán)水溫比該核電廠低6℃左右。因此循環(huán)水采用深水區(qū)取水可顯著提高機(jī)組出力。

3.1.2 凝汽器真空邊界查漏

根據(jù)凝汽器的結(jié)構(gòu)，對(duì)凝汽器真空邊界查漏，找出存在密封不嚴(yán)的位置并進(jìn)行堵漏。3.1.3 對(duì)凝汽器傳熱管進(jìn)行沖洗

機(jī)組經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，凝汽器傳熱管壁內(nèi)側(cè)存在一定的積垢及海生物附著，降低傳熱效率，從而影響凝汽器背壓。建議大修期間對(duì)凝汽器傳熱管進(jìn)行沖洗。

3.2 降低凝汽器補(bǔ)水

設(shè)計(jì)工況下補(bǔ)水率每提升0.1%，機(jī)組凈出力下降0.45 MWe。凝汽器補(bǔ)水是由于二回路水泄漏到外部引起，降低二回路的閥門外漏情況，減少跑冒滴漏的發(fā)生，可顯著降低補(bǔ)水率。建議對(duì)二回路的閥門進(jìn)行查漏，消除明顯的閥門外漏，減少二回路水損失。

3.3 提高核島熱功率

設(shè)計(jì)工況下其他參數(shù)不變時(shí)，核島熱功率每提升1%，機(jī)組凈出力上升14 MWe。在保證機(jī)組安全的前提條件下，提高核島熱功率可顯著提高機(jī)組出力。

3.4 降低蒸發(fā)器排污

設(shè)計(jì)工況下，蒸發(fā)器排污率每提升0.1%，機(jī)組凈出力下降0.45 MWe。蒸發(fā)器排污流量設(shè)計(jì)范圍為0.061%～0.61%最大蒸汽流量，目前實(shí)際排污流量為0.81%，如果排污率減低到0.61%，則機(jī)組凈出力可提高0.9 MWe；如果排污率減低到最低0.061%，則機(jī)組凈出力可增加3.4 MWe。建議在滿足蒸發(fā)器二次側(cè)水質(zhì)指標(biāo)要求的前提下，優(yōu)化蒸發(fā)器排污運(yùn)行方式，降低排污率，提高機(jī)組出力。

3.5 降低疏水旁路閥門及凝汽器旁路閥門內(nèi)漏

疏水旁路閥、凝汽器旁排閥泄漏會(huì)使本來(lái)用于做功的水及蒸汽直接進(jìn)入凝汽器中，這部分熱量被循環(huán)水帶走，直接損失很大。另一方面，由于高溫水及水蒸氣漏入凝汽器中，會(huì)增加冷凝器熱量，影響凝汽器背壓，進(jìn)而影響機(jī)組出力。

3.5.1 降低蒸汽和抽汽管線的疏水器旁路閥泄漏

建議對(duì)主蒸汽管線、抽汽管線的疏水器旁路閥進(jìn)行查漏，降低閥門泄漏量，并消除疏水器液位高誤報(bào)警信號(hào)引起的閥門誤開情況。

3.5.2 降低應(yīng)急疏水旁路閥泄漏率

系統(tǒng)疏水如果走應(yīng)急旁路進(jìn)入凝汽器，會(huì)使疏水熱量未被完全利用就被循環(huán)水帶走，引起主給水溫度降低，從而影響機(jī)組出力。建議對(duì)低壓加熱器、高壓加熱器、汽水分離再熱器等主要熱力設(shè)備的應(yīng)急疏水旁路閥進(jìn)行查漏，降低閥門內(nèi)漏。

3.5.3 降低凝汽器旁排閥泄漏

凝汽器旁排閥管道較粗且介質(zhì)為高溫蒸汽，對(duì)電功率影響較大。建議對(duì)凝汽器旁排閥進(jìn)行查漏，降低閥門內(nèi)漏。該閥門內(nèi)漏量不容易測(cè)量，但一般可以定性說(shuō)明泄漏量大小，閥后溫度越高，閥門內(nèi)漏越大；閥后溫度越接近凝汽器溫度，閥門密封性越好［4-5］。

4 結(jié)論

本文采用了常規(guī)汽輪機(jī)性能試驗(yàn)方法，在機(jī)組二回路上布置壓力、溫度、流量等測(cè)點(diǎn)，通過(guò)采集的數(shù)據(jù)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行分析和計(jì)算。

1）分析了當(dāng)前機(jī)組夏季工況下的實(shí)際運(yùn)行狀況，發(fā)電機(jī)出口電功率與設(shè)計(jì)值變化趨勢(shì)一致，但存在一定的偏差。

2）通過(guò)修正計(jì)算，證明了當(dāng)前機(jī)組運(yùn)行狀況滿足保證值要求。并根據(jù)修正計(jì)算結(jié)果，對(duì)凝汽器背壓、補(bǔ)水率、排污率、核島熱功率、閥門內(nèi)漏等方面給出了優(yōu)化建議，為機(jī)組出力潛力挖掘提供參考和思路。

第5個(gè)全民國(guó)家安全教育日活動(dòng)主題：堅(jiān)持總體國(guó)家安全觀，統(tǒng)籌傳統(tǒng)安全和非傳統(tǒng)安全，為決勝全面建成小康社會(huì)提供堅(jiān)強(qiáng)保障。