320 MW核電汽輪發(fā)電機(jī)組優(yōu)化升級改造二回路適應(yīng)性分析研究

史進(jìn)淵，齊 漣，楊 宇，汪 勇，鄧志成，山雪峰，徐佳敏

(1. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 200240；2.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦一廠核電機(jī)組1991年12月15日并網(wǎng)發(fā)電，2004—2006年，開展了秦一廠核電機(jī)組一回路關(guān)鍵設(shè)備的實際老化狀態(tài)評估，結(jié)果表明秦一廠核電機(jī)組一回路的壓力容器、蒸汽發(fā)生器、安全殼等處于良好狀態(tài)，運(yùn)行許可證延續(xù)(OLE)階段該核電機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備的結(jié)構(gòu)完整性是有保證的[1]。在秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機(jī)組的原設(shè)計壽期為30年的基礎(chǔ)上，OLE項目再延長使用20年，需要對秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化升級改造。根據(jù)秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機(jī)組優(yōu)化升級改造的技術(shù)方案[2]，秦一廠核電機(jī)組二回路原設(shè)計方案TMCR(供方保證功率)工況與冬季工況的功率為330 MW，對應(yīng)的主蒸汽流量為2015 t/h；改造方案一TMCR工況與冬季工況的功率為340 MW，對應(yīng)的主蒸汽流量為1930 t/h；改造方案二TMCR工況與冬季工況的功率為350 MW，對應(yīng)的主蒸汽流量為1995 t/h。雖然兩個改造方案的二回路主蒸汽流量均小于原設(shè)計值，但考慮到優(yōu)化升級改造后汽輪機(jī)的通流部分抽汽參數(shù)有所變化，二回路輔助系統(tǒng)的部分設(shè)備有可能適應(yīng)不了改造方案的增容要求。開展秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機(jī)組二回路的熱交換器、汽水系統(tǒng)管道和水泵進(jìn)行適應(yīng)性分析研究，是320 MW核電汽輪發(fā)電機(jī)組優(yōu)化升級改造技術(shù)方案研究的重要工作。

1 二回路熱交換器的適應(yīng)性

1.1 二回路熱交換器現(xiàn)狀

秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機(jī)組二回路熱交換器，包括高壓加熱器、低壓加熱器、除氧器、凝汽器、高壓輸水?dāng)U容器、汽水分離再熱器(MSR)等6類。從1991年12月投產(chǎn)以來，除了在1996年1號高壓加熱器與2號高壓加熱器更換為上海電站輔機(jī)廠的產(chǎn)品以及3號高壓加熱器更換為東方鍋爐廠的產(chǎn)品之外，總體情況二回路熱交換器的各項指標(biāo)優(yōu)良，運(yùn)行穩(wěn)定。在二回路熱交換器中，1號高壓加熱器堵管率為0.14%，1號凝汽器堵管率為0.86%，2號凝汽器堵管率為0.43%，其他二回路熱交換器的堵管率均為零，二回路6類熱交換器的堵管率均比較低。采用兩個改造方案，二回路6類熱交換器的熱負(fù)荷或流量發(fā)生了變化，需要開展增容改造后的適應(yīng)性分析。

1.2 熱交換器適應(yīng)性分析方法

根據(jù)秦一廠320 MW核電汽輪機(jī)兩個優(yōu)化升級改造方案的TMCR工況、冬季工況與夏季工況的熱平衡圖[2]，分析秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機(jī)組在不同工況下二回路6類熱交換器的熱負(fù)荷或流量的變化情況，并與原設(shè)計方案的TMCR工況、冬季工況與夏季工況的分析結(jié)果相比較，可以給出增容改造后二回路熱交換器的適應(yīng)性分析結(jié)果。

對于高壓加熱器、低壓加熱器和凝汽器，采用熱負(fù)荷余量來評價改造方案的適應(yīng)性，高壓加熱器、低壓加熱器和凝汽器的熱負(fù)荷Q與熱負(fù)荷余量ΔQ的計算公式分別為

Q=Gw(ho-hi)

(1)

(2)

式中：Gw——熱交換器水側(cè)流量，kg/s；

ho——熱交換器出口水的焓，kJ/kg；

hi——熱交換器進(jìn)口水的焓，kJ/kg；

Q1——原設(shè)計方案的熱負(fù)荷；

Q2——改造方案的熱負(fù)荷。

熱負(fù)荷余量ΔQ的物理意義，熱負(fù)荷余量ΔQ為正值表示換熱面積有余量，不用更換；熱負(fù)荷余量ΔQ為負(fù)值表示換熱面積不夠。工程上，熱負(fù)荷余量ΔQ為負(fù)值且其絕對值超10%時，通常需要更換熱交換器[2]。

對于汽水分離再熱器，依據(jù)汽水分離器入口流量、一級再熱器管程流量與二級再熱器管程流量等參數(shù)的相對變化量來分析改造方案的增容能力，對于除氧器依據(jù)凝結(jié)水流量、最高工作壓力等參數(shù)的相對變化量來分析改造方案的適應(yīng)性，對于高壓疏水?dāng)U容器依據(jù)高壓疏水?dāng)U容器的輸水量的相對變化量來分析改造方案的適應(yīng)性。熱交換器的流量等某一物理量x的相對變化量Δx的計算公式為:

(3)

式中：x——熱交換器的流量等某一物理量；

x1——原設(shè)計方案的流量等某一物理量；

x2——改造方案的流量等某一物理量。

比較改造方案與原設(shè)計方案某一物理量x的相對變化量Δx，可以評估二回路熱交換器的適應(yīng)性。某一物理量x的相對變化量Δx為正值，表示改造方案的同一物理量的數(shù)值小于原設(shè)計值，二回路熱交換器對改造方案有良好的適應(yīng)性。

1.3 熱交換器適應(yīng)性分析結(jié)果

秦一廠320 MW核電機(jī)組二回路熱力系統(tǒng)的高壓加熱器、低壓加熱器和凝汽器的熱負(fù)荷適應(yīng)性分析結(jié)果列于表1，MSR、除氧器和高壓疏水?dāng)U容器的流量適應(yīng)性分析結(jié)果列于表2。從表1知，對于改造方案一，1號高壓加熱器的熱負(fù)荷超出原設(shè)計值10.19%；對于改造方案二，1號高壓加熱器熱負(fù)荷超過原設(shè)計值13.22%，建議更換傳熱面積更大的1號高壓加熱器。從表1和表2可知，增容改造后2號高壓加熱器、3號高壓加熱器、1號低壓加熱器、2號低壓加熱器、3號低壓加熱器、凝汽器、汽水分離再熱器、除氧器、高壓疏水?dāng)U容器均能滿足機(jī)組改造方案的增容要求，具備適應(yīng)兩個改造方案的增容能力。

表1 高壓加熱器、低壓加熱器和凝汽器的熱負(fù)荷適應(yīng)性分析結(jié)果

表2 MSR、除氧器和高壓疏水?dāng)U容器的流量適應(yīng)性分析結(jié)果

2 二回路汽水系統(tǒng)管道的適應(yīng)性

2.1 管道適應(yīng)性分析方法

根據(jù)秦一廠320 MW核電汽輪機(jī)的兩個改造方案的熱平衡圖[2]，進(jìn)行改造后汽水系統(tǒng)管道的適應(yīng)性分析。適應(yīng)性分析的內(nèi)容，包括兩個改造方案的管道流速的變化情況，并與原設(shè)計方案管道流速的變化情況相比較。取管道流量最大工況進(jìn)行流速計算和適應(yīng)性分析，計算分析的工況包括：主蒸汽系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)取夏季工況，抽汽系統(tǒng)的一級抽汽至五級抽汽取夏季工況、六級抽汽與七級抽汽取冬季工況，高加與低加疏水系統(tǒng)的一級加熱器與五級加熱器疏水取夏季工況、六級加熱器與七級加熱器疏水取冬季工況，MSR相關(guān)系統(tǒng)取TMCR工況。

2.2 管道適應(yīng)性分析結(jié)果

考慮到秦一廠320 MW核電機(jī)組改造方案二主蒸汽流量更大，針對改造方案二的二回路主要汽水管道的適應(yīng)性分析結(jié)果列于表3和表4，表3給出設(shè)計流速大于推薦流速，原因在于抽汽系統(tǒng)管道、高加與低加疏水系統(tǒng)管道等部分管道的原設(shè)計流速就超過了NB/T 20193—2012推薦流速的上限值[3]。表4給出的設(shè)計流速小于推薦流速，表明增容改造后給水系統(tǒng)管道和凝結(jié)水系統(tǒng)等管道的流速均能滿足機(jī)組優(yōu)化升級改造的技術(shù)要求，具備兩個優(yōu)化升級改造方案的適應(yīng)性。若電廠決策在改造或大修中不予以更換，建議加強(qiáng)金屬監(jiān)督，根據(jù)實際的金屬監(jiān)督情況和管道壁厚的減薄速率進(jìn)行安全性評定，并及時更換不安全的二回路汽水管道以及流動加速腐蝕(FAC)的管道。

表3 設(shè)計流速小于推薦流速汽水管道

表4 設(shè)計流速大于推薦流速汽水管道

3 二回路水泵的適應(yīng)性

3.1 水泵適應(yīng)性分析方法

根據(jù)秦一廠320 MW核電汽輪機(jī)改造方案的熱平衡圖與優(yōu)化升級改造措施[2]，分析二回路的給水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)增容改造后水泵(組)的流量，分析內(nèi)容包括兩個改造方案的給水泵、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵、凝結(jié)水升壓泵的流量變化情況。水泵適應(yīng)性分析的流量取夏季工況的最大流量，并給出改造方案的水泵(組)的適應(yīng)性分析結(jié)果。

對于給水泵，依據(jù)給水泵組的設(shè)計流量與改造方案的最大流量，來分析改造方案的適應(yīng)性。對于循環(huán)水泵，依據(jù)凝汽器的熱負(fù)荷與循環(huán)水泵的配置，來分析改造方案的適應(yīng)性。

對于凝結(jié)水泵和凝結(jié)水升壓泵，進(jìn)行流量摸底試驗。摸底試驗測量的參數(shù)，包括水泵進(jìn)口和出口的壓力與溫度、水泵的質(zhì)量流量、水泵電動機(jī)的電壓與電流，繪制水泵的揚(yáng)程曲線，并依據(jù)摸底試驗流量開展凝結(jié)水泵和凝結(jié)水升壓泵的適應(yīng)性分析[4]。水泵的揚(yáng)程Hm的計算公式為

(4)

式中：Hm——水泵的揚(yáng)程，mH2O；

P1，P2——水泵的進(jìn)口和出口測點(diǎn)的壓力，MPa；

ρ——密度，kg/m3；

g——重力加速度，m2/s；

Z1，Z2——水泵的進(jìn)口和出口標(biāo)高，m；

u1，u2——水泵的進(jìn)口和出口測點(diǎn)的流速，m/s。

3.2 給水泵和循環(huán)水泵適應(yīng)性分析結(jié)果

秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機(jī)組，配置3臺50%額定給水量的電動定速給水泵， 2臺給水泵組運(yùn)行，1臺給水泵組備用。給水泵組的適應(yīng)性分析結(jié)果列于表5。秦一廠核電機(jī)組的單臺給水泵組泵的設(shè)計流量為1075 t/h，原設(shè)計工況下兩臺給水泵能提供的流量為2150 t/h。根據(jù)秦一廠核電機(jī)組二回路原設(shè)計的熱平衡圖[2]，給水泵組在最大連續(xù)功率工況下的流量為2015 t/h。給水泵組泵的設(shè)計流量和原設(shè)計TMCR工況的流量，均大于改造方案一的最大流量1930 t/h和改造方案二的最大流量1995 t/h，表明給水泵組能夠滿足汽輪機(jī)兩個優(yōu)化升級改造方案的流量需求。

表5 給水泵組的適應(yīng)性分析結(jié)果

秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機(jī)組，配置6臺循環(huán)水泵，水源為海水，供2臺凝汽器和二回路其他設(shè)備冷卻用水。冬季3臺循環(huán)水泵運(yùn)行，3臺循環(huán)水泵備用；其他季節(jié)用正常情況下4臺循環(huán)水泵運(yùn)行，2臺循環(huán)水泵備用。根據(jù)凝汽器熱負(fù)荷的計算結(jié)果，兩個改造方案凝汽器的熱負(fù)荷沒有超過原設(shè)計值，循環(huán)水泵組能夠滿足兩個改造方案的流量需求。

3.3 凝結(jié)水泵和凝結(jié)水升壓泵適應(yīng)性分析結(jié)果

秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機(jī)組配置3臺立式凝結(jié)水泵，單臺泵流量為748 t/h，揚(yáng)程為78.5 kPa(80 mH2O)。原設(shè)計方案最大連續(xù)處理工況凝結(jié)水流量為1272 t/h，正常情況下2臺凝結(jié)水泵運(yùn)行、1臺凝結(jié)水泵備用。

秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機(jī)組配置3臺臥式凝結(jié)水升壓泵，單臺泵流量為748 t/h，揚(yáng)程為127.5 kPa(130 mH2O)。原設(shè)計方案夏季工況凝結(jié)水流量為1272 t/h，正常情況下2臺凝結(jié)水升壓泵運(yùn)行、1臺凝結(jié)水升壓泵備用。

2015年9月完成了秦一廠320 MW核電機(jī)組二回路的3號凝結(jié)水泵和3號凝結(jié)水升壓泵進(jìn)行了性能摸底試驗[5]，分別進(jìn)行了810 t/h工況、780 t/h、720 t/h、640 t/h和630 t/h等5個工況的凝結(jié)水泵與凝結(jié)水升壓泵性能力測試和揚(yáng)程曲線繪制，由試驗得出3號凝結(jié)水泵的揚(yáng)程曲線如圖1所示，3號凝結(jié)水升壓泵的揚(yáng)程曲線如圖2所示。從圖1和圖2知，凝結(jié)水泵和凝結(jié)水升壓泵的設(shè)計流量對應(yīng)的揚(yáng)程低于試驗摸底值，并有一定余量。秦一廠320 MW核電機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)的凝結(jié)水泵和凝結(jié)水升壓泵的改造方案適應(yīng)性分析結(jié)果列于表6，表明凝結(jié)水泵和凝結(jié)水升壓泵能夠滿足汽輪機(jī)兩個優(yōu)化升級改造方案的流量需求。

圖1 凝結(jié)水泵的揚(yáng)程曲線

圖2 凝結(jié)水升壓泵的揚(yáng)程曲線

表6 單臺凝結(jié)水泵與凝結(jié)水升壓泵適應(yīng)性分析結(jié)果

4 結(jié)論

1)秦一廠核電機(jī)組OLE項目二回路熱交換器的適應(yīng)性分析結(jié)果表明，2號與3號高壓加熱器、低壓加熱器、除氧器、凝汽器、高壓疏水?dāng)U容器、汽水分離再熱器均能滿足汽輪機(jī)改造方案的增容要求，具備適應(yīng)汽輪機(jī)兩個改造方案的增容能力?？紤]到兩個改造方案的1號高壓加熱器的熱負(fù)荷超過原設(shè)計值，建議在改造中更換1號高壓加熱器，以增加其換熱面積與熱負(fù)荷。

2)二回路汽水系統(tǒng)管道的適應(yīng)性分析結(jié)果表明，給水系統(tǒng)管道和凝結(jié)水系統(tǒng)管道均能滿足汽輪機(jī)增容改造方案的要求，具備適應(yīng)兩個改造方案的增容能力。對于流速超限和流速不超限的二回路汽水管道，推薦的應(yīng)對措施是加強(qiáng)金屬監(jiān)督，定期測量壁厚，并根據(jù)壁厚減薄情況，及時用更換減薄部位管段，以保證汽水管道安全運(yùn)行。

3)二回路水泵組的適應(yīng)性分析結(jié)果表明，給水泵及電動機(jī)、循環(huán)水泵及電動機(jī)、凝結(jié)水泵及電動機(jī)、凝結(jié)水升壓泵及電動機(jī)均能滿足汽輪機(jī)兩個增容改造方案的流量需求。凝結(jié)水泵和凝結(jié)水升壓泵的設(shè)計流量對應(yīng)的揚(yáng)程，均低于試驗摸底值并有一定余量。

4)秦一廠320 MW核電機(jī)組的運(yùn)行許可證延續(xù)，二回路的熱交換器、汽水管道、水泵組的適應(yīng)性研究結(jié)果表明，在兩個優(yōu)化升級改造方案的主蒸汽流量均小于原設(shè)計值的前提下，除了1號高壓加熱器以外，二回路輔助系統(tǒng)的其他主要設(shè)備能夠適應(yīng)優(yōu)化升級兩個改造方案的增容能力。