中核核電運行管理有限公司 鮑旭東 山東創(chuàng)德軟件技術(shù)有限公司 田宇

核電機組熱力系統(tǒng)性能在線監(jiān)測計算方法的研究

中核核電運行管理有限公司 鮑旭東 山東創(chuàng)德軟件技術(shù)有限公司 田宇

本文介紹了有關(guān)核電汽輪機濕蒸汽區(qū)蒸汽焓值計算的兩種方法研究和應(yīng)用，采用這兩種方法對某一核電站實際工況運行數(shù)據(jù)進行計算，對比不同方法計算的數(shù)據(jù)結(jié)果，以確認(rèn)核電機組熱力系統(tǒng)性能計算模型的適用性。

核電；濕蒸汽焓；性能監(jiān)測

0 前言

目前國內(nèi)核電廠的汽輪發(fā)電機組熱力性能指標(biāo)不在監(jiān)控范圍內(nèi)，通常不定期地采用全面的或簡化的機組性能試驗的方式，監(jiān)測機組發(fā)電效率的變化趨勢，分析熱力設(shè)備性能下降或故障對效率的影響程度。如果考慮對核電機組熱力系統(tǒng)運行性能進行定期的、連續(xù)的、精確的監(jiān)測，就需要利用電站計算機系統(tǒng)采集的機組運行實時數(shù)據(jù)，開發(fā)熱力性能監(jiān)測系統(tǒng)，通過專用軟件系統(tǒng)建立計算模型、配置監(jiān)測參數(shù)、校核計算和輸出熱力系統(tǒng)各個部分的蒸汽或水的熱力參數(shù)，最終計算得出機組的熱耗率、功率和效率等熱經(jīng)濟性指標(biāo)參數(shù)。

對于某一相同進汽參數(shù)和排汽參數(shù)的熱力系統(tǒng)，汽輪發(fā)電機組輸出的功率越大，效率越高，則表示熱力系統(tǒng)性能越完善，其主要表現(xiàn)在再熱和回?zé)嵯到y(tǒng)運行參數(shù)合理，換熱效率高，熱量利用充分。通常核電機組發(fā)電效率可由蒸汽發(fā)生器熱平衡試驗和發(fā)電機功率測量值計算得到，但是要準(zhǔn)確斷定汽輪機運行性能是否偏離基準(zhǔn)性能，解決核電機組在實際運行中二回路熱力系統(tǒng)性能偏離的疑難問題，如汽輪機運行性能偏離設(shè)計值、蒸汽和疏水系統(tǒng)的汽水內(nèi)漏、汽水分離再熱器的二級再熱耗汽量過大、回?zé)嵯到y(tǒng)加熱器運行端差過大等，就需要通過熱力系統(tǒng)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)分析，定量評價某一臺熱力設(shè)備運行狀況變化對整套機組運行經(jīng)濟性的影響。文獻[1]表明，某核電廠對已運行某核電站汽輪機熱力系統(tǒng)計算與分析，確定高壓缸通流改造方案，通過更換隔板來減小通流面積，解決高壓缸第一級段通流面積偏大的設(shè)備問題，改造后機組出力提高約1 0 MW。

1 核電機組二回路熱力系統(tǒng)性能在線計算模型

1.1 濕蒸汽區(qū)蒸汽焓值計算方法的研究

1.1.1 研究目的和意義

隨著國內(nèi)核電裝機容量的快速上升，提高機組運行可靠性和經(jīng)濟性已成為核電行業(yè)設(shè)備管理的重點工作。研究和開發(fā)基于計算機語言的汽輪機熱力性能計算程序，對機組熱耗率、機組效率、汽缸效率等熱經(jīng)濟性指標(biāo)進行計算與分析，若能應(yīng)用于核電運行機組性能的在線監(jiān)測，就可以進一步提高核電機組設(shè)備可靠性管理水平。

圖1 某核電汽輪機高壓缸各抽汽口設(shè)計數(shù)據(jù)擬合曲線

根據(jù)熱力發(fā)電廠基礎(chǔ)的熱力學(xué)理論，利用核電二回路系統(tǒng)加熱器汽水平衡和熱量平衡原理的常規(guī)熱平衡法，得到汽輪機各級抽汽量、排汽流量等關(guān)鍵參數(shù)，進而可獲取機組經(jīng)濟性能指標(biāo)。利用熱力循環(huán)系統(tǒng)等效焓降法，結(jié)合核電機組熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)特點，推導(dǎo)出汽輪機抽汽等效焓降和抽汽效率等熱力性能分析參量，可對機組一些關(guān)鍵的運行參數(shù)進行監(jiān)測和偏差分析，查找熱力循環(huán)系統(tǒng)能量損耗的具體原因和位置，掌握熱功轉(zhuǎn)換及能量利用程度。核電機組的汽輪機的大多數(shù)級段工作在濕蒸汽區(qū)，對于在過熱區(qū)工作的級段可以直接根據(jù)進出該部分的蒸汽溫度和壓力測量值來確定蒸汽焓值，而因干度無法進行在線測量，很難直接精確地計算處于濕蒸汽區(qū)級段的進、出口蒸汽焓值，并確定其與真實值的逼近程度，因此研究不同方法獲得汽輪機熱力循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)特性參數(shù)，計算和驗證各級段抽汽量、通流流量等數(shù)據(jù)的真實程度，進而準(zhǔn)確得出機組熱耗、效率等經(jīng)濟性能指標(biāo)，這對核電汽輪機運行性能監(jiān)測而言意義重大。

1.1.2 方法一：假定濕蒸汽干度的方法

汽輪機熱力系統(tǒng)是一個汽輪機主機和多種輔機設(shè)備組成的汽水流體網(wǎng)絡(luò)，進出各個設(shè)備的流體工質(zhì)的溫度、壓力和流量參數(shù)都不是獨立，存在著工質(zhì)熱力參數(shù)的耦合，在整個熱力循環(huán)中各設(shè)備之間循環(huán)工質(zhì)的熱量和質(zhì)量最終將達到整體平衡。當(dāng)對象系統(tǒng)在一定工況變化范圍內(nèi)的任意工況點上運行時，只要對該模型提供必要的輸入?yún)?shù)，包括：新蒸汽流量和系統(tǒng)背壓，就可以通過模型的仿真計算獲得熱力系統(tǒng)中各個節(jié)點上的運行參數(shù)，并進一步得到熱力系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性指標(biāo)，從而避開濕蒸汽干度的 測量對系統(tǒng)各個設(shè)備的運行進行評估[2]。如圖1所示，在某個汽輪機制造廠提供的各個工況點熱平衡參數(shù)中，核電汽輪機高壓缸模塊的進蒸汽、抽汽干度和焓值是隨負荷變化而連續(xù)且線性變化的，因此可理解為各個抽汽口上的參數(shù)隨實際工況的變化應(yīng)該是連續(xù)且線性的。

該方法首先將汽輪機供應(yīng)商提供的各個設(shè)計工況下的蒸汽干度以數(shù)據(jù)表的形式擬合，存放于計算模型的數(shù)據(jù)庫中，即可用插值計算法獲得對應(yīng)汽輪機實際進汽流量的各段抽汽的干度，進而得出處于濕蒸汽區(qū)級段的蒸汽焓。假定汽輪機膨脹過程線上各濕蒸汽區(qū)級段的蒸汽參數(shù)隨進汽總流量同步變化，根據(jù)核電機組運行工況確定的實際汽輪機進汽總流量，獲取對應(yīng)進汽流量的各濕蒸汽區(qū)蒸汽干度和蒸汽焓，通過回?zé)嵯到y(tǒng)熱量平衡計算得出各級段抽汽流量，以及整臺汽輪機的蒸汽做功，并用實際發(fā)電功率進行校核。在確定熱力循環(huán)能量平衡的同時還需用凝結(jié)水流量進行校核，使計算出的凝結(jié)水流量與實測凝結(jié)水流量一致，經(jīng)過采用該“小誤差熱平衡方法”進行迭代計算修正后的抽汽口參數(shù)，可以確保在假設(shè)條件下的計算結(jié)果與實際情況一致。

1.1.3 方法二：假定級效率不變的方法

對于核電汽輪機處于過熱蒸汽區(qū)的級段的內(nèi)效率主要受漏汽損失和余速損失的影響，而處在濕蒸汽區(qū)的級段的內(nèi)效率，濕蒸汽損失的影響遠大于其它的損失，特別是低壓缸模塊因尺寸較大，低壓動葉和靜葉級段流道內(nèi)復(fù)雜的蒸汽和凝結(jié)水流動與變化，引起濕蒸汽級內(nèi)的損失更大（包括熱力學(xué)損失、水滴阻力損失、制動損失、疏水損失和離心損失等），因此降低蒸汽干度，可以明顯提高級效率。為了提高在濕蒸汽區(qū)域運行的各級效率和低壓排汽干度, 核電汽輪機低壓缸通流部分采用了去濕結(jié)構(gòu)，例如空心靜葉除濕結(jié)構(gòu)，因而低壓缸通流部分的級間疏水量較大，對低壓缸的熱力性能產(chǎn)生顯著影響，熱力膨脹過程線的斜率會出現(xiàn)明顯變化（如圖2所示）。

圖2 某核電汽輪機各設(shè)計工況下膨脹線

在核電汽輪機的蒸汽膨脹過程中處在濕蒸汽區(qū)的多數(shù)級段的抽汽口蒸汽干度必須通過其他方法來計算。通常是假設(shè)機組在汽缸內(nèi)濕蒸汽區(qū)的汽態(tài)線形狀不變，即汽缸的各級段效率之比不變，由此即可通過迭代計算出各個抽汽口的濕蒸汽溫度和焓值。對于核電汽輪機膨脹過程線上兩個點位于濕蒸汽區(qū)蒸汽參數(shù)有可能不同步變化，為計算準(zhǔn)確，除了要進行機組功率校核外，還需要再用凝結(jié)水流量校核一次。當(dāng)高壓缸或低壓缸抽汽級段有疏水時，由于級段疏水前后的蒸汽焓值不同，采用文獻[3]所述方法計算出濕蒸汽級段抽汽點疏水前或后的蒸汽焓值，進而可以精確計算單個汽缸或整機效率。

表1：兩種方法計算結(jié)果數(shù)據(jù)對比

1.2 兩種方法的對比

由于低壓缸排汽焓值的估算是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它不僅影響到低壓缸效率，而且對汽輪機其他重要性能指標(biāo)的監(jiān)測和計算有重大影響，在建模計算低壓缸排汽焓值時上述兩種方法都參考了美國機械工程師協(xié)會汽輪機性能試驗規(guī)程ASME PTC6的試驗規(guī)則和計算方法。建模計算所采用的設(shè)計數(shù)據(jù)來源于汽輪機制造廠提供的熱平衡圖及設(shè)計參數(shù)，用于驗證計算的現(xiàn)場數(shù)據(jù)取自于某一核電站生產(chǎn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫。方法一和方法二采用不同方式確定濕蒸汽焓值后計算得出各級抽汽及排汽份額數(shù)據(jù)結(jié)果如下表。

從能量平衡法的計算過程可知，欲提高各級回?zé)岢槠髁亢推啓C內(nèi)功率的計算精度，需要采用較為準(zhǔn)確的濕蒸汽區(qū)抽汽焓值。表1所列計算所得各級抽汽份額的數(shù)據(jù)結(jié)果相比較，兩種方法的差值在-0.0202%～+0.0034%之間，低壓缸排汽份額計算值相差約0.0143%，由此可見，方法一和方法二都是可用于核電站二回路熱力性能監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的計算模型。由于驗證計算所用的實時數(shù)據(jù)是在機組正常運行工況下進行采集，沒有按照ASME PTC6性能試驗要求進行系統(tǒng)隔離，因此在線或離線計算結(jié)果的精度還取決于進、出系統(tǒng)的流量之間的差值（系統(tǒng)不明漏量）及其影響。

2 總結(jié)

建立正確的核電站二回路熱力性能計算模型，是精準(zhǔn)計算汽輪發(fā)電機組運行實際熱平衡全部數(shù)據(jù)的關(guān)鍵所在。在本文研究的兩種計算方法中，通過調(diào)整汽缸的各級段效率或蒸汽干度，直到測量機組功率與計算功率在允許偏差內(nèi)，并再用凝結(jié)水流量進行校核。采用這種“小誤差熱平衡法”進行核電機組二回路熱力循環(huán)的能量平衡與工質(zhì)平衡計算，可以確保熱平衡計算結(jié)果十分接近實際運行工況。

在線或離線計算機組實際運行性能的熱平衡全部數(shù)據(jù)，通過對機組輸出功率的有影響的各項能損的偏差分析，可以監(jiān)測熱力系統(tǒng)設(shè)備的性能變化趨勢，對汽輪發(fā)電機組運行的經(jīng)濟性進行定期評價，指導(dǎo)電廠設(shè)備運行和維護管理工作。因此，開發(fā)和應(yīng)用核電站二回路熱力性能監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，可以確保機組最優(yōu)經(jīng)濟運行，降低發(fā)電成本。

[1]王世勇，徐喬，胡友情，徐大懋，核電廠汽輪機熱力系統(tǒng)分析與評審[J]，熱力透平，2014（1）

[2]崔大龍、李政、江寧、倪維斗，核電汽輪機熱力系統(tǒng)的主導(dǎo)因素變工況建模方法研究[J]，核動力工程，2003（12）

[3]王世勇、卜玉兵、徐宗富，核電廠汽輪機熱力性能試驗計算與分析[J],核動力工程，2011（12）

[4]嚴(yán)俊杰、邢秦安、林萬超、陳國慧，火電廠熱力系統(tǒng)經(jīng)濟性診斷理論及應(yīng)用[M]，西安交通大學(xué)出版社，2000（5）

[5]ASME PTC6—2004，汽輪機性能試驗規(guī)程(Steam turbine performance test code )[S]

[6]吳曉明、楊建道、李亮，核電汽輪機中的濕蒸汽流動研究[J]，熱力透平，2015（12）