M310核電機組凝汽器運行方式優(yōu)化

危安澤,鮑旭東，司先國，代榮喜，孫慶男，顏鐵光

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

某一M310核電站技術的1089 MW汽輪機低壓缸為雙缸四排汽形式，配置凝汽器為雙殼體、單流程、單背壓的表面式凝汽器。機組采用海水直冷方式，海水循環(huán)冷卻水通過取水輸水隧道，經(jīng)兩臺鼓形濾網(wǎng)過濾和兩臺循環(huán)水泵提升壓力后，通過A列循環(huán)水和B列循環(huán)水兩條涵管獨立回路，分別向凝汽器提供正常運行時冷卻機組所需50%冷卻水量。在常規(guī)島汽輪機房內(nèi)的每一臺凝汽器兩側的兩根供水管和出水管分別接至循環(huán)水A列和B列，在凝汽器中吸收熱量的循環(huán)水通過排水渠、虹吸井、排水口排入海中。針對參考電站設計中凝汽器沒有設置循環(huán)水進出口隔離閥門，在凝汽器單側故障隔離時須停止一臺循環(huán)水泵運行的問題，經(jīng)設計分析與評估后，在該項目增設了凝汽器循環(huán)水4 進4出電動蝶閥用于單側隔離，如圖1海水循環(huán)水系統(tǒng)流程所示。此項與參考電站不同的汽輪機廠房循環(huán)水系統(tǒng)設計改進，可方便機組正常運行期間對凝汽器進行半側隔離檢查操作。

圖1 凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)流程圖Fig.1 The flow chart of the circulation water system of the condenser

核電機組運行中發(fā)生傳熱管泄漏是凝汽器設備的常見故障，當傳熱管泄漏海水進入凝汽器汽側，將造成凝結水水質(zhì)快速惡化，嚴重時會直接導致蒸汽發(fā)生器二次側水質(zhì)惡化而降功率停機，因此凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)設計階段需要充分考慮凝汽器隔離運行操作的快速響應。根據(jù)此項的設計改進，只需關閉海水進出口蝶閥就可單個隔離換熱管發(fā)生海水泄漏故障的凝汽器模塊，避免停用一臺循環(huán)水泵而中斷一個海水系列的供水，此方式運行隔離快速、且操作風險小，同時汽輪機出力可以維持較高功率運行，因此可提高機組設備運行的可靠性和經(jīng)濟性。

1 凝汽器單側隔離對機組運行的影響

當采用停一臺循環(huán)水泵及對應凝汽器的兩個半側同時隔離運行時，常規(guī)島凝汽器循環(huán)冷卻水量減少1/2，常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)須隔離一路供水水源，此方式對于核電機組可靠運行存在問題：一是因減少凝汽器設備冷卻所需的50%的冷卻水量，機組運行按照汽輪機廠家要求需降到60%額定功率左右運行，嚴重影響機組的負荷因子；二是凝汽器作為汽輪機旁路排放蒸汽的冷卻設備，當兩臺凝汽器的兩個半側同時隔離，勢必會影響旁路排放系統(tǒng)的可靠備用，增大了機組應對事故工況的風險；三是停一臺循環(huán)水泵時還需將一路輔助冷卻供水進行隔離，同時大功率循環(huán)水泵設備的停止和啟動操作風險，不僅增加了主控室運行人員的操作負擔，且隔離操作步驟多、時間長，還會影響到常規(guī)島設備冷卻水系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。相對而言，當核電機組凝汽器發(fā)生傳熱管泄漏故障，在不停一臺循環(huán)水泵的情況下，直接關閉凝汽器循環(huán)水進出口蝶閥，將傳熱管泄漏故障點快速隔離，防止傳熱管泄漏海水造成凝結水水質(zhì)快速惡化，將可以避免對機組安全穩(wěn)定運行造成影響。同時采用不停循環(huán)水泵，僅一臺凝汽器單側運行時，凝汽器循環(huán)冷卻水僅減少1/4，且常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)無須進行隔離操作。這樣在凝汽器半側隔離時，機組可以保證在較高的發(fā)電功率運行，因而在提高機組運行經(jīng)濟性的同時也保證了設備運行的可靠性。由于設備廠家沒有提供單臺凝汽器半側隔離運行的設計工況，擔心凝汽器單側運行時傳熱管內(nèi)流速偏高產(chǎn)生沖刷而影響設備使用壽命。為評估凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)增設進出口蝶閥隔離功能的改進，需進行系統(tǒng)設計功能分析和設備安全性分析，并通過實際運行操作試驗進行功能驗證。

2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行分析

2.1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管路阻力分析

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管路在輸送不同流量的冷卻水時所產(chǎn)生的流動損失之間的關系為系統(tǒng)管路阻力特性，主要包括沿程阻力損失和局部水頭損失，其中沿程阻力損失是克服管線摩擦阻力而損失的水頭，局部水頭損失是水流經(jīng)過輸水管(如彎管、分流管和合流管等)、閥門、濾網(wǎng)或其他附件時產(chǎn)生的水頭損失。某核電廠單臺機組循環(huán)水系統(tǒng)設置兩臺海水循環(huán)水泵，循環(huán)水泵采用混凝土蝸殼泵，單臺水泵額定流量為26.63 m3/s；額定揚程為16.74 m；額定功率為5800 kW。根據(jù)該核電廠循環(huán)水系統(tǒng)取排水管路、設備布置，以及海水泵房和常規(guī)島構筑物標高設計等，采用流體系統(tǒng)仿真軟件FLOWMASTER搭建了循環(huán)水系統(tǒng)由循環(huán)水泵出口至凝汽器排水跌落井的水力模型，包括循環(huán)水泵出口母管、凝汽器二次濾網(wǎng)、凝汽器進出口蝶閥、管道，以及凝汽器排水總管到跌落井等。將這些循環(huán)水系統(tǒng)管路每段的沿程阻力損失和局部阻力計算求得管路特性曲線，通過模型仿真計算獲取系統(tǒng)設計工況條件下的凝汽器單側運行時循環(huán)水系統(tǒng)管路特性曲線，如圖2所示。在凝汽器半側隔離操作過程中(即蝶閥不同開度條件下)，當閥門關小時循環(huán)水系統(tǒng)總的管路阻力會增大，而系統(tǒng)流量會減少。

圖2 海水循環(huán)水系統(tǒng)管路特性曲線Fig.2 The characteristic curve of the pipeline of the seawater circulating system

2.2 循環(huán)水系統(tǒng)運行方式對循環(huán)水泵的影響

在海水直流冷卻水系統(tǒng)中，循環(huán)水泵出口流量取決于系統(tǒng)管路阻力特性曲線和水泵的特性曲線。在工程應用中可以利用圖解法，通過系統(tǒng)管路特性曲線與水泵特性曲線的交點來確定循環(huán)水泵的工作點(平衡工況點)[1]，以獲取循環(huán)水泵出口流量和揚程的設計值。針對某核電廠凝汽器半側隔離某一個冷卻管束模塊，需停用一臺循環(huán)水泵運行的運行方式存在的弊端，在工程設計階段進行了循環(huán)水系統(tǒng)設計功能分析，認為增加凝汽器進出口隔離蝶閥是可行的，凝汽器單側運行時可以保持循環(huán)水泵設備運行。為了驗證此設計功能改進說法，利用循環(huán)水泵廠家提供的水泵特性曲線，結合循環(huán)水系統(tǒng)運行工況點的變化，分析凝汽器冷卻水流量變化對循環(huán)水泵設備運行影響，推斷出設計工況的循環(huán)水泵運行工作點變化情況。如圖3所示，在凝汽器進行單側隔離操作過程中，隨著凝汽器循環(huán)水進出口蝶閥開度關小，循環(huán)水泵出口到凝汽器的總管路阻力增大，循環(huán)水泵運行揚程升高工作點由A上移B，水泵出口流量減少至60%～70%之間。

圖3 海水循環(huán)泵工作特性曲線(設計工況)Fig.3 The working characteristic curve of the seawater circulating pump (design condition)

2.3 凝汽器傳熱管管內(nèi)流速限制的問題

在循環(huán)水泵保持運行的情況下，若關閉一臺凝汽器的一側冷卻管束模塊的循環(huán)水進出口蝶閥，則另一臺凝汽器的循環(huán)水進水壓力和流量會增大，該側冷卻管束內(nèi)的海水流速會上升。在凝汽器設計制造時需考慮凝汽器傳熱管內(nèi)流速的選擇，以計算確定凝汽器設計條件下所需的循環(huán)冷卻水量。傳熱管內(nèi)冷卻水流速對凝汽器傳熱性能有很大影響，同時流速大小也是決定傳熱管材耐腐蝕性的重要因素，鈦材質(zhì)是一種能抗高含砂量海水腐蝕的冷卻管材，比其他材料冷卻管具有較好的綜合的耐腐蝕性能[2]。查閱JB-T-10085—1999《汽輪機凝汽器技術條件》的第4節(jié)凝汽器設計參數(shù)和性能指標中，對于鈦管的冷卻水流速的一般推薦值為2.1～2.4 m/s，此推薦值是考慮了冷卻水流速選擇對傳熱管的換熱效果的影響，用于凝汽器換熱系數(shù)修正和換熱面積計算。在DL-T-712—2010《發(fā)電廠凝汽器及輔機冷卻器管選材導則》中僅對銅管提出了水質(zhì)條件及允許最大流速3 m/s的要求,而對于硬度高、耐磨性好的鈦管材質(zhì)沒有明確的適應水質(zhì)及允許流速的要求。某核電廠針對常規(guī)島海水冷卻水系統(tǒng)板式換熱器的鈦板沖刷穿孔問題，采用不同含砂量、在不同流速條件下模擬含砂海水對鈦板進行模擬沖刷實驗。實驗結果認為對于鈦板材質(zhì)沖刷存在一個臨界流速，這一流速在3.10 m/s 和6.20 m/s 之間[3]，當流速高于臨界流速時，沖刷腐蝕減薄速率迅速增加。由于受模擬試驗的水質(zhì)條件、鈦板材料流失重量檢測等因素的限制，還無法精確給出鈦管或鈦板材質(zhì)在不同水質(zhì)條件下的最大允許流速限值，即臨界流速。根據(jù)某凝汽器設備廠家建議，在凝汽器鈦管內(nèi)流速不大于3 m/s條件下是可以保證設備安全長期可靠的運行。

3 凝汽器單側運行驗證

利用現(xiàn)場條件測試循環(huán)水泵的性能，可以較好的驗證循環(huán)水泵的工作性能，對各項參數(shù)的分析，對于泵組整體安全、穩(wěn)定運行有指導作用[4]。查閱某核電廠海水循環(huán)水系統(tǒng)調(diào)試和運行文件，循環(huán)水泵都是在凝汽器循環(huán)水進出口蝶閥全開條件下運行，包括啟動和停泵過程，沒有在調(diào)節(jié)或關閉凝汽器循環(huán)水進出口蝶閥的條件下運行過，故沒有循環(huán)水泵在出口節(jié)流工況下的運行數(shù)據(jù)及設備狀態(tài)記錄。由于通過設計參數(shù)獲取循環(huán)水泵出口流量和揚程的理論計算結果，與電站實際的循環(huán)水系統(tǒng)管路特性曲線可能存在差異，會影響對系統(tǒng)運行實際工況的判斷，因此需要通過現(xiàn)場進行系統(tǒng)及設備參數(shù)實測，或設置循環(huán)水流量監(jiān)測裝置，以便準確判斷系統(tǒng)實際運行工況變化趨勢。

3.1 凝汽器半側隔離操作試驗

保持大功率的海水循環(huán)水泵連續(xù)運行，通過調(diào)整或關閉凝汽器循環(huán)水進出口蝶閥，即運行操作改變循環(huán)水系統(tǒng)管道阻力，可以分析泵出口壓力數(shù)據(jù)變化(上升)來判斷流量變化范圍。同時連續(xù)測量水泵運行參數(shù)(如泵組振動、軸承溫度、電機電流和溫度等)，監(jiān)測凝汽器運行參數(shù)(如循環(huán)水壓力、溫度、凝結水出口電導率和鈉等)有無異常。某核電廠2號機組在大修停機窗口中，進行了2號機組凝汽器半側隔離操作試驗，在關閉一側凝汽器循環(huán)水進出口蝶閥后，1、2號循環(huán)水泵出口壓力分別上升0.046 MPa和0.038 MPa，試驗中循環(huán)水泵運行參數(shù)記錄如表1。在整個實際操作試驗過程中，凝汽器設備運行正常，循環(huán)水泵運轉平穩(wěn)、無異常聲音和振動。試驗結果表明凝汽器可以在循環(huán)水泵運行中實施半側隔離操作，增設進出口蝶閥的隔離功能正常，此項循環(huán)水系統(tǒng)的設計改進是安全可靠。

表1 海水循環(huán)水泵運行實測數(shù)據(jù)(試驗過程)Table 1 The operating data of the seawater circulating water pump (measured during testing)

3.2 凝汽器冷卻管內(nèi)流速變化分析

3.3 凝汽器單側運行對機組出力影響分析

對于凝汽器單側運行的特殊工況，需要考慮凝汽器冷卻水流量改變與凝汽器壓力變化關系，可以通過凝汽器變工況運行分析，獲取機組不同負荷對應凝汽器壓力、冷卻水溫度和流量的凝汽器運行動態(tài)特性[5]。同時借鑒國內(nèi)核電廠同行運行經(jīng)驗反饋，結合凝汽器真空系統(tǒng)和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)，根據(jù)凝汽器壓力、循環(huán)冷卻水進水溫度和流量等參數(shù)來確定核電汽輪機運行出力的限制。例如某核電廠728 MW汽輪發(fā)電機組在冬季循環(huán)冷卻水溫度較低，凝汽器單側運行時真空度較好條件下，機組可以保持在100%額定功率安全穩(wěn)定運行。對于某1089 MW核電機組采用停運一臺循環(huán)水泵后，凝汽器循環(huán)冷卻水量減少二分之一的情況下，汽輪機出力維持在60%額定功率運行的操作方式，勢必會造成機組發(fā)電量的過多損失。當采用不停用一臺循環(huán)水泵，保持凝汽器單側的運行方式，即凝汽器循環(huán)冷卻水量只減少四分之一的情況下，若此期間汽輪機冷端運行參數(shù)(如排汽壓力、冷卻水溫度、流量等)在正常值范圍內(nèi)，則完全可將機組出力限制值提高15%以上，即汽輪機出力保持75%～80%額定負荷之間運行是安全可靠的。

4 總結

凝汽器、循環(huán)水泵等設備是保證核電機組安全、穩(wěn)定運行的關鍵設備，凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)的運行方式會直接影響到汽輪發(fā)電機組運行的經(jīng)濟性和可靠性。針對凝汽器單側運行方式對機組產(chǎn)生的不利影響，通過系統(tǒng)性分析凝汽器、循環(huán)水泵的運行特性及工藝系統(tǒng)設備相互之間的影響關系，并利用凝汽器單側運行現(xiàn)場操作和試驗數(shù)據(jù)分析，驗證了系統(tǒng)功能的設計改進是可以保證汽輪機冷端系統(tǒng)設備運行的安全性和可靠性，可以達到機組在運行特殊工況下減少發(fā)電功率損失的目的。

1) 在凝汽器半側隔離操作試驗過程中，在關閉一側凝汽器循環(huán)水進出口蝶閥后，循環(huán)水泵出口壓力上升，水泵出口流量減少到50%～60%設計值之間變化，可見凝汽器在單側運行方式下循環(huán)水系統(tǒng)設備的實際運行工況點與設計工況有所不同；

2) 在不停循環(huán)水泵的情況下完成了凝汽器半側隔離操作的驗證試驗，且系統(tǒng)設備運行參數(shù)都正常。經(jīng)實測數(shù)據(jù)分析凝汽器單側運行時冷卻管內(nèi)的平均流速小于3 m/s，未超過設備廠家建議的限值，因此凝汽器單側運行方式優(yōu)化后系統(tǒng)設備運行是安全可靠的；

3)借鑒核電站同行運行經(jīng)驗反饋，在特殊工況運行期間的汽輪發(fā)電機組出力限制可根據(jù)凝汽器真空度、循環(huán)冷卻水流量等實際運行數(shù)據(jù)來確定，因此在不停循環(huán)水泵條件下的凝汽器單側運行期間，建議可維持汽機出力在75%～80%額定負荷之間運行。