胡偉卿

中電投電力工程有限公司

AP1000核電凝汽器的技術(shù)特點

胡偉卿

中電投電力工程有限公司

凝汽器是核電常規(guī)島的重要設備。凝汽器工作性能的好壞直接影響著整個機組的熱經(jīng)濟性和安全性。因此，掌握凝汽器的工作原理和技術(shù)特點十分必要。AP1000核電凝汽器為三殼體、單流程、單背壓表面式凝汽器。本文簡要介紹了凝汽器的設計特點、技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點、接口系統(tǒng)、試驗項目。對凝汽器的技術(shù)特點充分認識和理解的基礎上，對凝汽器的運行注意事項提出建議，為AP1000凝汽器的調(diào)試和運行提供幫助。

AP1000；常規(guī)島；凝汽器；結(jié)構(gòu)特點；運行

0 概述

AP1000是引進美國的第三代核電技術(shù)，采用先進的非能動壓水堆核電技術(shù)，每臺AP1000核電機組配置一臺百萬兆瓦汽輪發(fā)電機組。凝汽器是核電機組常規(guī)島的重要設備之一，它是將汽輪機低壓缸排汽冷凝為水的一種表面式換熱器，是整個熱力循環(huán)中的冷源。凝汽器的主要功能是在汽輪機排汽口建立并維持一定的真空，使蒸汽在汽輪機內(nèi)膨脹至指定的壓力，以提高汽輪機的可用焓降，同時除去凝汽器中溶解的不凝結(jié)氣體，為凝結(jié)水的循環(huán)使用提供保障。

AP1000核電汽輪機有一個高壓缸、三個低壓缸，每個凝汽器連接至一個汽輪機低壓缸排汽口，凝汽器布置于汽輪機低壓缸下部，接收低壓缸排汽，被流經(jīng)鈦管的海水冷卻成凝結(jié)水，匯集至凝汽器底部的熱阱，再通過熱阱底部的連通管供給凝結(jié)水泵，經(jīng)凝結(jié)水泵升壓后依次流經(jīng)第1～4級的低壓加熱器初步加熱，進入除氧器除氧和加熱，作為電動給水泵的水源，經(jīng)電泵升壓，流經(jīng)各2臺并列布置的第6、7級高壓加熱器后，進入核島的蒸汽發(fā)生器，形成一個蒸汽的閉環(huán)。

1 凝汽器的設計特性

1.1 凝汽器設計特點

1)AP1000核電汽輪機的凝汽器為三殼體、單流程、單背壓、表面式的熱交換器。

2)凝汽器水平放置、冷卻介質(zhì)為海水，循環(huán)水進出水管方向為：從汽輪機向發(fā)電機看，循環(huán)水從右側(cè)進入，左側(cè)排出。

3)AP1000凝汽器設計考慮了防異物沖擊。在鈦管區(qū)上方布置有兩排位置交錯的實心碳鋼棒，“品”字形分布，防止蒸汽夾帶的較大異物直接沖擊到鈦管上。

4)凝汽器與低壓缸采用橡膠補償節(jié)柔性連接，凝汽器與基礎的連接采用剛性支撐。在低壓缸與凝汽器中間殼體過渡段之間，安裝橡膠膨脹節(jié)，用以吸收運行期間的熱應力。該膨脹節(jié)通過固定在內(nèi)側(cè)殼體的上下壓板固定，壓板外側(cè)有3 mm厚的保護鐵板，鐵板通過螺栓固定在上半壓板，防止蒸汽的沖刷。

5)第1級和第2級抽汽管道以及第1級和第2級低壓給水加熱器布置在凝汽器內(nèi)部，每段抽汽管道上設置1個不銹鋼波紋狀膨脹節(jié)，用以吸收管道的應力，抽汽管道不設置逆止閥、隔離閥等，抽汽由低壓缸直接進入1、2級低壓加熱器內(nèi)，因此第1、2級的低壓加熱器不能在機組運行時進行維護。

6)凝汽器A、B、C之間設計有平衡管，用以平衡汽側(cè)壓力。每相鄰的凝汽器汽側(cè)通過直徑2.0m的平衡管連通，用以平衡蒸汽側(cè)壓力。

7)凝汽器設計了一套檢漏裝置，監(jiān)視凝汽器鈦管的泄漏情況。為了快速檢測冷卻管束、前、后管板的密封焊泄漏情況，將每臺凝汽器底部的熱阱，分隔成6個區(qū)域，每一區(qū)域各有單獨的檢漏接口引出管。

8)凝汽器設計兩組真空測量管用于性能試驗及性能監(jiān)測。每個凝汽器有6個真空性能試驗測量點和4個真空性能監(jiān)測測量點。

1.2 凝汽器的主要設計參數(shù)和材質(zhì)

2.凝汽器的結(jié)構(gòu)特點

凝汽器本體由殼體、水室、冷卻水管、熱阱及附屬設備組成。如圖1所示。

圖1 凝汽器結(jié)構(gòu)圖

2.1 殼體

AP1000凝汽器的殼體主要由主殼體、中間殼體(裙板殼體)組成。

主殼體：主殼體由冷卻管束、管板、管束支撐板、疏水盤、熱阱等組成。正常運行時凝汽器內(nèi)部處于真空狀態(tài)，使用型鋼和加強管來增強殼體承受真空的能力。此外，還設有眾多的疏水接口，接收其它系統(tǒng)疏水。

中間殼體：為了有效利用空間，凝汽器中間殼體布置1#、2#低壓加熱器各一臺，同時還布置有抽汽管組。中間殼體內(nèi)部還布置有縱橫交錯的的加固管、型鋼等。運行期間，凝汽器內(nèi)部呈真空狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)的殼體能承受真空負壓。

2.2 水室

凝汽器的水室是循環(huán)海水的管路連接凝汽器冷卻管管板的中間部分。水室內(nèi)部設置加強支撐管，兩根抽空氣管橫穿水室。水室配有人孔以便于檢查，每個水室上下各有兩個人孔，下部人孔為檢修用人孔，上部人孔為通風使用。水室內(nèi)表面和內(nèi)部管件全部襯有3mm厚的耐腐蝕橡膠。水室的水位通過翻板式液位計進行觀察。在出口側(cè)的水室上部設置水側(cè)磁翻板液位計，用以觀察后水室上部有無空氣。水室的分隔布置允許凝汽器單側(cè)關(guān)閉時，仍能維持汽輪機連續(xù)運行。

凝汽器水室在地下室中，凝汽器水室的安裝高度由電廠廠坪標高和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設計方案綜合決定。合理選擇凝汽器安裝高度，有助于在凝汽器出口管建立虹吸以節(jié)

省循環(huán)水泵耗能。

2.3 管束

AP1000凝汽器的冷卻管，應用了抗腐蝕性能最好的鈦管，但同時鈦管無毒，較適宜海生物的生長和繁殖。

每臺凝汽器的鈦管外徑為25.4 mm，有效長度為18000 mm，有兩種規(guī)格，分別為壁厚為0.05 mm的21220根和壁厚為0.07 mm的1800根，薄壁鈦管在管束內(nèi)側(cè)，外2層包繞著稍厚的鈦管，可以防止蒸汽的沖刷；每流程的管束分上下2層布置，管束布置如圖2所示，上下層管束中間設有抽不凝結(jié)氣體的空氣管，這種設計可以較高提高了鈦管的熱交換能力；鈦管通過脹管和密封焊的形式固定在兩端管板上，脹管長度為26 mm。

圖2 凝汽器管束布置圖

2.4 管板及管束支撐板

管板(復合板)布置在凝汽器主殼體前后端最外側(cè)，只有兩塊，均為雙層鋼的復合板，前后管板直接與水室以法蘭方式連接，外表面的鈦板層直接與海水接觸。

管束支撐板主要起支撐、加固冷卻管束和防止管束振動的作用。沿鈦管縱向布置有27塊厚度為16mm的碳鋼支撐板，管束支撐板的管孔數(shù)與管板相同，孔徑略大，穿管時，臨時不安裝前管板，全部管束穿完后，再就位前管板，將管束回穿過前管板，這種設計和安裝大大降低了鈦管的磨損，主要防止安裝時對鈦管的劃傷。

2.5 熱阱

每個凝汽器設置有兩個熱阱，每個熱阱均設置不銹鋼濾網(wǎng)，可以防止雜質(zhì)流入凝結(jié)水泵。另外設計了豎立的磁力棒，用以吸附金屬雜質(zhì)，防止金屬雜質(zhì)流入給水系統(tǒng)和凝結(jié)水泵內(nèi)。每個凝汽器的熱阱都設有就地液位計用來檢查水位。另外，凝汽器C熱阱安裝了水位遠傳液位變送器。通過正常補水管路，將水位控制在運行水位。

3 凝汽器的調(diào)試、運行

3.1 凝汽器的接口系統(tǒng)

與凝汽器接口的系統(tǒng)主要有凝汽器管側(cè)的循環(huán)水系統(tǒng)，殼側(cè)的真空系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、主蒸汽系統(tǒng)及疏排水系統(tǒng)。

1)抽真空系統(tǒng)。低壓缸排汽在凝汽器內(nèi)部被冷卻成凝結(jié)水，但還有不凝結(jié)氣體聚集在凝汽器內(nèi)部，必將影響凝汽器的效率，因此在上下管束中間各設計了抽空氣管將此類氣體抽出并排至凝汽器之外。另外，凝汽器的工作壓力很低，即有很高的真空度，這就要求凝汽器本體及真空系統(tǒng)具有高度的嚴密性，以防止空氣漏入，影響凝汽器內(nèi)換熱條件，降低真空和污染凝結(jié)水。因此，凝汽器汽側(cè)設置了3臺水環(huán)式真空泵，抽空氣管沿海水流動方向，每段的開孔數(shù)量呈逐漸減少趨勢。

2)主蒸汽系統(tǒng)。AP1000主蒸汽旁排的設計容量為額定容量的40%，每個凝汽器布置兩路旁排管線。汽輪機旁排管線用來防止旁排蒸汽直接沖刷凝汽器鈦管。旁排管采用雙層套管結(jié)構(gòu)，內(nèi)層管汽孔沿管四周對稱布置，外層管汽孔布置在管中心線的下部兩側(cè)?？紤]到旁路蒸汽溫度較高，支架與管束之間不允許焊接。

當汽輪機旁排蒸汽流入時，噴淋管線向凝汽器內(nèi)噴入噴淋水來降低旁排蒸汽溫度。三菱新的設計將噴淋頭安裝在管線上部，有效避免了原設計引起的空氣積聚在管線上部易引起水擊的現(xiàn)象。

3)疏排水系統(tǒng)。與火電機組相比，核電機組疏排水較多。除汽輪機本體疏水和高、低加疏水外，核電機組還有汽水分離再熱器MSR疏水，汽水分離再熱器疏水由MSR殼側(cè)疏水、一級再熱器疏水和二級再熱器疏水；這些疏水都設置了相互獨立的疏水系統(tǒng)，加大了凝汽器疏水管線的布置難度。

3.2 凝汽器的試驗

凝汽器的試驗主要有管側(cè)的注水查漏試驗、殼側(cè)的凝汽器灌水試驗及真空嚴密性試驗。

1)凝汽器管側(cè)的注水查漏試驗主要是對凝汽器循環(huán)水側(cè)水室法蘭、人孔及各連接管道的焊縫進行查漏。關(guān)閉凝汽器循環(huán)水出、入口蝶閥，分別向出、入口蝶閥間的管道注水，檢查有無泄漏。

2)殼側(cè)的灌水試驗在凝汽器通循環(huán)水前完成，向凝汽器殼側(cè)注入除鹽水，灌水高度為膨脹節(jié)上部300 mm，靜置24小時，檢查凝汽器鈦管、與凝汽器相連接的管道、閥門等有無滲漏。AP1000凝汽器為剛性支撐，設計有灌水支撐，因此在灌水試驗時不需再對凝汽器進行加固。

3)凝汽器真空嚴密性試驗有啟動前的真空嚴密性試驗和在機組帶80%額定負荷以上進行的嚴密性試驗。前者通過三臺真空泵在軸封系統(tǒng)投運情況下對凝汽器及其相連的設備、管道進行抽真空，一般達到90kPa即可。而后者是在機組帶80%額定負荷以上情況下，停運所有真空泵，檢查凝汽器真空的下降情況；真空下降率小于0.13kPa為優(yōu)秀，小于0.27kPa為良好，小于0.40kPa為合格；若真空下降速度大于0.67kPa則應停機查找原因。

3.3 凝汽器的半邊運行

當凝汽器的冷卻水管臟污需要進行半邊清理或凝汽器冷卻水管泄漏需要進行堵管操作時將機組負荷降至額定負荷的75%左右(根據(jù)凝汽器真空帶負荷)，凝汽器循環(huán)水側(cè)半邊停運隔離。

4 結(jié)束語

凝汽器設備龐大、接口系統(tǒng)多、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，充分認識AP1000核電凝汽器的技術(shù)特點有助于指導汽輪發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。在后續(xù)凝汽器的運行中需要注意以下幾點：

1)每根抽汽管道有一個不銹鋼材料的膨脹節(jié)，膨脹節(jié)至汽輪機以上的抽汽管道為不銹鋼，膨脹節(jié)以下的抽汽管道為碳鋼材料，現(xiàn)場焊接注意異種鋼焊接。如果檢修期間需要更換抽汽管道，注意需要距離膨脹節(jié)處500 mm以上距離進行焊接。

2)AP1000汽輪機在低壓缸與凝汽器中間殼體之間采用橡膠膨脹節(jié)連接，未設置密封水，隨著機組啟停及運行期間的熱膨脹，橡膠膨脹節(jié)存在泄漏風險，影響機組的真空，運行中應引起重視。

3)凝汽器管束布置結(jié)構(gòu)的特殊性，抽氣管線從管束中間伸出，穿過凝汽器水室后連接至真空泵。雖然抽空氣管使用襯膠防腐，但由于襯膠工藝要求高，一般難以保證其襯膠厚薄均勻、無氣孔， 此方法防腐很難使抽空氣管保持長久不受海水腐蝕，因此在運行中應引起重視，加強抽空氣管的檢查，以便及時處理。

4)機組運行中要做好凝汽器的防腐、防垢監(jiān)督；保持循環(huán)水加藥系統(tǒng)運行正常，控制好循環(huán)水中的氯離子含量；利用機組大小修機會對凝汽器水室、管板、支撐構(gòu)件等部件的結(jié)垢、腐蝕和微生物滋生情況進行檢查處理。

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[2] 吳文龍等. 凝汽器腐蝕與結(jié)垢控制技術(shù)[M]. 北京. 中國電力出版社. 2011.12

胡偉卿(1984—)，女，山西陽泉人，工程師，碩士學位?，F(xiàn)從事AP1000核電調(diào)試工作。