基于冷端優(yōu)化的二次循環(huán)冷卻核電汽輪機選型研究

初廣宇，冉志超

（1.中核遼寧核電有限公司，遼寧 葫蘆島 125000；2.中核霞浦核電有限公司，福建 寧德 352000）

0 引言

隨著核電技術(shù)水平的不斷提高，核電實現(xiàn)更清潔、安全、高效發(fā)展，在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前，全國運行核電裝機容量已經(jīng)超過54 000 MW，預(yù)計2025年運行與建設(shè)的核電站裝機容量將超過100 GW。在核電站中，二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)較為復(fù)雜，汽輪機組運行情況對整個核電站機組運行安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性影響較大。因此，做好二次循環(huán)冷卻核電汽輪機選型工作，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

文獻[1-3]表示設(shè)備選型是提高系統(tǒng)運行效率，促進系統(tǒng)節(jié)能化發(fā)展的關(guān)鍵路徑，汽輪機作為電力系統(tǒng)重要設(shè)備，其合理選型對提高機組運行經(jīng)濟性、可靠性、穩(wěn)定性存在積極影響。文獻[4-6]指出“安全+經(jīng)濟”已成為新時期汽輪機選型基礎(chǔ)原則，在此原則指導(dǎo)下，冷端優(yōu)化成為汽輪機選型優(yōu)化主要方向，而在冷端優(yōu)化中，最小年費用法得到普遍認可。但由于核電二次循環(huán)冷卻方式與火電循環(huán)冷卻方式、核電直流循環(huán)冷卻方式處在一定差異，在汽輪機組選型過程中需要綜合考慮的因素較大，應(yīng)立足實際情況進行確定。

本文以某二次循環(huán)冷卻核電機組工程為例，在冷端優(yōu)化理論指導(dǎo)下就汽輪機選型問題進行了探究，通過技術(shù)經(jīng)濟評價選出最佳二次循環(huán)冷卻核電汽輪機選型方案，希望能夠為二次循環(huán)冷卻核電機組工程研究與實踐提供參考，促進核電機組建設(shè)質(zhì)量提高，實現(xiàn)汽輪機經(jīng)濟效益最大化提升。

1 工程項目簡介

某核電站工程項目規(guī)劃新增兩臺容量為1 000 MW 核電機組，根據(jù)相關(guān)規(guī)定與要求，設(shè)計運用ACNP1000 技術(shù)進行建設(shè)，以保障核電機組穩(wěn)定、安全運行。該工程項目所在地溫度范圍-1～39 ℃，年均溫度約為24 ℃，大氣壓力范圍97～103 kPa，相對濕度范圍75%～87%，平均相對濕度約為80%。核電機組采用二次循環(huán)冷卻方式。

2 二次循環(huán)冷卻核電汽輪機選型情況分析

2.1 選型特征與優(yōu)化方向

多數(shù)研究與實踐證明二次循環(huán)冷卻核電汽輪機冷端條件對二次循環(huán)冷卻核電機組投建效益具有直接影響[7]。在二次循環(huán)冷卻核電機組工程建設(shè)過程中，應(yīng)加強核電站汽輪機選型研究，以有效提高核電機組建設(shè)效益。而在二次循環(huán)冷卻核電汽輪機選型研究過程中，需要對其特征與優(yōu)化方向具有一定的了解。

隨著核電技術(shù)水平的不斷提高，核電汽輪機選型原則已經(jīng)由高度重視汽輪機運行安全發(fā)展為安全與經(jīng)濟并重。在此原則指導(dǎo)下，核電汽輪機選型優(yōu)化成為新時期核電站工程建設(shè)考慮的重點與熱點問題?？v觀已有電力系統(tǒng)汽輪機組優(yōu)化經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)可從流通結(jié)構(gòu)、氣缸結(jié)構(gòu)優(yōu)、凝汽器配置等多個方面進行冷端優(yōu)化，以達到所需效果。國內(nèi)核電機組目前多采用模塊化設(shè)計法進行設(shè)計，且基于核電機組運行安全性與穩(wěn)定性考慮，核反應(yīng)堆設(shè)計較為單一，在一定程度上使核電汽輪機通流級數(shù)得以確定，所以在應(yīng)用冷端優(yōu)化理論進行二次循環(huán)冷卻核電汽輪機選型時，需要著重考慮汽輪機組背壓、排汽面積等因素。通常情況下，汽輪機組背壓一定，排汽面積與排汽余速損失負相關(guān)[8]。核電汽輪機組選型過程中，可通過降低汽輪機組背壓，增加排汽面積，減少排汽余速損失，增加核電汽輪機組出力，提高核電汽輪機組發(fā)電功率。但值得注意的是，二次循環(huán)冷卻核電站工程中，二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)受自然條件影響較大，為避免自然條件影響，無法做到真正進行極限背壓設(shè)計[9]。與此同時，汽輪機背壓越低，預(yù)示著在汽輪機選型時需要增加氣缸數(shù)量，或凝汽器面積，或其他裝置，這在一定程度上增加了汽輪機冷端優(yōu)化投資成本，不利于冷端優(yōu)化目的達成。因此，二次循環(huán)冷卻核電汽輪機選型時，需要立足核電站工程實際情況，系統(tǒng)分析不同汽輪機配置方案。與此同時，二次循環(huán)冷卻核電機組設(shè)計過程中，需要考慮調(diào)峰能力問題，加之核電機組流量大，常變負荷運行，導(dǎo)致其具備帶基本負荷運行特征。在二次循環(huán)冷卻核電汽輪機選型時需要綜合考慮與比較工程投資費用、汽輪機運行費用、核電機組發(fā)電效益等。

2.2 冷端優(yōu)化的目的與方法

冷端優(yōu)化的目的在于尋找最佳汽輪機配套組合方案，在保證汽輪機安全、可靠運行的同時，最大程度提高汽輪機投資與運行經(jīng)濟效益，滿足新時期核電站汽輪機“安全+經(jīng)濟”的設(shè)計需求。冷端優(yōu)化要求相關(guān)工作人員能夠綜合考慮核電工程現(xiàn)場條件、汽輪機冷端設(shè)備費用、汽輪機組運行費用、核電機組發(fā)電收益等，并能夠通過技術(shù)經(jīng)濟評價，從眾多選型方案中尋找出最佳汽輪機選型方案，實現(xiàn)循環(huán)水泵、凝汽器、冷卻塔等相關(guān)裝置的合理設(shè)計與科學(xué)配置[10]。

在二次循環(huán)冷卻核電機組中，汽輪機冷端優(yōu)化可采用最佳真空理論對核心設(shè)備主要參數(shù)進行科學(xué)組合，如汽輪機背壓、冷卻塔面積、凝結(jié)器面積等。理論上提高凝汽器真空可在一定程度上增加汽輪機組發(fā)電功率，獲得較好發(fā)電效益。但是在實踐中并非凝汽器真空越大，電功率增加幅度越大，在電力系統(tǒng)中凝汽器真空的增加可引起循環(huán)水泵耗功率的增加，因此只有協(xié)調(diào)好電功率與耗功率增加值差距，才能獲取最佳效益。對此，本文將電功率與耗功率等增加值差距最大時對應(yīng)的凝汽器真空視為最佳真空。影響凝汽器最佳真空的因素眾多，如循環(huán)水費、排汽阻力、凝汽器水管壁清潔系數(shù)、循環(huán)水流量、凝汽器材質(zhì)等。在汽輪機型式一定時，通常根據(jù)飽和蒸汽溫度（tc）確定凝汽器真空，計算公式[11]為：

式中：tw1為二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻水進口溫度；ht為核電汽輪機排汽比焓；hc為凝汽器凝結(jié)水比焓；m、qmw分別為二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)循環(huán)水冷卻倍率與質(zhì)量流量；At與K分別為凝汽器面積與總熱傳系數(shù)。

汽輪機冷端優(yōu)化的關(guān)鍵在于經(jīng)濟效益最大化。因此，在汽輪機選型過程中，多采用最小年費用法進行計算。主要是指將汽輪機投資與運行成本折算到核電機組年總費用（CNF）中，年總費用越小說明汽輪機選型方案經(jīng)濟效益越高。計算公式[12]為：

式中：P為核電汽輪機冷端優(yōu)化總投資費用；CAFCR為核電汽輪機冷端優(yōu)化每年固定分攤率，由資金回收系數(shù)CR、大修費率加稅率CMR構(gòu)成；Ap與At分別為水泵電耗費用、汽輪機微增功率收益；i為核電汽輪機冷端優(yōu)化工程投資回收率；n為核電汽輪機冷端優(yōu)化工程經(jīng)濟年限。

以往采用最小年費用法對汽輪機選型方案進行技術(shù)經(jīng)濟評價時，凝汽器真空參數(shù)多為確定值，側(cè)重于Ap、At等計算。但是在二次循環(huán)冷卻核電站汽輪機選型過程中，尚不確定凝汽器真空，加之二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，冷端優(yōu)化受影響因素較多，這就需要在計算過程中需要考慮更多因素?；诮?jīng)驗歸結(jié)，關(guān)于二次循環(huán)冷卻核電站汽輪機選型的冷端優(yōu)化，需要考慮因素主要有汽輪機組型式、循環(huán)水冷卻倍率、循環(huán)水泵配置情況、凝汽器配置情況、冷卻塔配置情況等。因此，關(guān)于二次循環(huán)冷卻核電汽輪機冷端優(yōu)化計算的公式[13]：

式中：ΔP與ΔA′t分別為汽輪機型式差異引起的投資差與假定條件下汽輪機組型式差異引起的軸功率差異費用。

2.3 選型初步方案

根據(jù)核電站工程項目設(shè)計要求、以往工作經(jīng)驗、汽輪機制造能力、工程項目現(xiàn)場條件、相關(guān)設(shè)計要求等，初步設(shè)計“三缸四排汽單背壓”、“三缸四排汽雙背壓”“四缸六排汽多背壓”選型方案，分別用“方案一”、“方案二”、“方案三”、“方案四”表示。4 種方案設(shè)計工況排氣質(zhì)量流量范圍3 573～3 596 t/h，機組功率范圍1 224～1 253 MW，設(shè)計背壓范圍5.06～6.60 MW，焓降范圍2.170 kJ/kg～2 180 kJ/kg。以冷端優(yōu)化理論為指導(dǎo)，系統(tǒng)分析不同類型機組情況，考慮冷卻倍率與機組排汽存在的關(guān)系以及自然條件對機組運行的影響，設(shè)計冷卻倍率44～68 范圍內(nèi)。汽輪機選型過程中，關(guān)于循環(huán)水泵，設(shè)計1臺機組配備4臺循環(huán)水泵，循環(huán)水泵房、循環(huán)水泵系統(tǒng)以及相關(guān)配套設(shè)施投資則按照工程概算計算，循環(huán)水泵運行過程中耗電電價按照上網(wǎng)標桿電價計算；關(guān)于循環(huán)水冷卻管，設(shè)計選用DN3600 混凝土預(yù)應(yīng)力管與DN3800 混凝土預(yù)應(yīng)力管，凝汽器冷卻管壁厚在0.5 mm左右；關(guān)于凝汽器，設(shè)計根據(jù)核電汽輪機型式、汽輪機設(shè)計背壓等合理選擇凝汽器類型，初步確定凝汽器計算總換熱面積在64 000～142 000 m2范圍內(nèi)，考慮5%堵管率確定凝汽器面積在643 200～149 100 m2范圍內(nèi)；關(guān)于冷卻塔，設(shè)計運用高位集水冷卻臺，與機組的配置比例為1:1，綜合考慮各方面影響因素，初步確定冷卻塔面積在10 900～23 500 m2范圍內(nèi)[14]。利用年總費用最小法從4 種類型汽輪機配置方案中選出最佳方案，可得表2 所示汽輪機選型方案。

2.4 選型方案技術(shù)經(jīng)濟評價情況分析

2.4.1 評價指標

技術(shù)經(jīng)濟評價過程中涉及到的相關(guān)指標如表1所示。

表1 技術(shù)經(jīng)濟評價主要指標

2.4.2 計算結(jié)果

由表2 數(shù)據(jù)可知，以方案一為基準方案，經(jīng)年費用最小法計算，結(jié)果顯示方案2年總費用最低，其次是方案四、方案三。方案二與方案四相對于其他兩種方案而言，經(jīng)濟效益較高，但從實際角度來看，受機組建設(shè)技術(shù)水平、前期準備工作、初投資情況等多種因素影響，方案二實現(xiàn)的可行性較低，具體表現(xiàn)為三缸四排汽雙背壓所采用的葉片供應(yīng)商有限，國內(nèi)技術(shù)成熟度較其他三種方案低；本工程項目屬于重啟項目，部分構(gòu)件已經(jīng)投入生產(chǎn)制造，選擇方案二已經(jīng)生產(chǎn)的構(gòu)件無法再利用，選擇方案二將在一定程度上增加投資成本。因此，從二次循環(huán)冷卻核電汽輪機整體投建角度來看，方案二投資與運行費用要高出方案四。因此，在本工程項目中，方案四最適宜。

表2 不同汽輪機選型方案計算結(jié)果

3 結(jié)束語

基于冷端優(yōu)化理論進行二次循環(huán)冷卻核電汽輪機合理選型可有效提高汽輪機組經(jīng)濟效益。本工程項目中，立足二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)特征，系統(tǒng)分析影響核電機組運行因素，如冷卻塔因素、凝汽器因素等，通過最佳真空理論、最小年費用法等運用，得出不同汽輪機選型方案，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟評價，確定四缸六排汽多背壓方案經(jīng)濟效益最高，且能夠滿足工程項目實際運行需求。從本次探究結(jié)果分析可知，在同類型工程建設(shè)過程中，相關(guān)工作人員進行汽輪機選型時，應(yīng)注重冷端優(yōu)化理論的引入與使用，能夠通過冷端優(yōu)化，促進汽輪機組運行效益提高，滿足新時期對核電站高質(zhì)量發(fā)展的需求。