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

        2021-08-25 03:08:58史進(jìn)淵鄧志成山雪峰徐佳敏
        中國(guó)核電 2021年4期
        關(guān)鍵詞:熱交換器給水泵凝結(jié)水

        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(jì)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(shí)際老化狀態(tài)評(píng)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(jì)壽期為30年的基礎(chǔ)上,OLE項(xiàng)目再延長(zhǎng)使用20年,需要對(duì)秦一廠320 MW核電汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)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(jí)改造的技術(shù)方案[2],秦一廠核電機(jī)組二回路原設(shè)計(jì)方案TMCR(供方保證功率)工況與冬季工況的功率為330 MW,對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的主蒸汽流量為1995 t/h。雖然兩個(gè)改造方案的二回路主蒸汽流量均小于原設(shè)計(jì)值,但考慮到優(yōu)化升級(jí)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(jí)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(hào)高壓加熱器與2號(hào)高壓加熱器更換為上海電站輔機(jī)廠的產(chǎn)品以及3號(hào)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(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良,運(yùn)行穩(wěn)定。在二回路熱交換器中,1號(hào)高壓加熱器堵管率為0.14%,1號(hào)凝汽器堵管率為0.86%,2號(hào)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(gè)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(gè)優(yōu)化升級(jí)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(jì)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(duì)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(píng)價(jià)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(jì)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(jì)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(duì)值超10%時(shí),通常需要更換熱交換器[2]。

        對(duì)于汽水分離再熱器,依據(jù)汽水分離器入口流量、一級(jí)再熱器管程流量與二級(jí)再熱器管程流量等參數(shù)的相對(duì)變化量來分析改造方案的增容能力,對(duì)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(duì)變化量來分析改造方案的適應(yīng)性,對(duì)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(duì)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(duì)變化量Δx的計(jì)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(jì)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(jì)方案某一物理量x的相對(duì)變化量Δx,可以評(píng)估二回路熱交換器的適應(yīng)性。某一物理量x的相對(duì)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(jì)值,二回路熱交換器對(duì)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(duì)于改造方案一,1號(hào)高壓加熱器的熱負(fù)荷超出原設(shè)計(jì)值10.19%;對(duì)于改造方案二,1號(hào)高壓加熱器熱負(fù)荷超過原設(shè)計(jì)值13.22%,建議更換傳熱面積更大的1號(hào)高壓加熱器。從表1和表2可知,增容改造后2號(hào)高壓加熱器、3號(hào)高壓加熱器、1號(hào)低壓加熱器、2號(hào)低壓加熱器、3號(hào)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(gè)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(gè)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(gè)改造方案的管道流速的變化情況,并與原設(shè)計(jì)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(jì)算和適應(yīng)性分析,計(jì)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(jí)抽汽至五級(jí)抽汽取夏季工況、六級(jí)抽汽與七級(jí)抽汽取冬季工況,高加與低加疏水系統(tǒng)的一級(jí)加熱器與五級(jí)加熱器疏水取夏季工況、六級(jí)加熱器與七級(jí)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(duì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jí)改造的技術(shù)要求,具備兩個(gè)優(yōu)化升級(jí)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(shí)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(píng)定,并及時(shí)更換不安全的二回路汽水管道以及流動(dòng)加速腐蝕(FAC)的管道。

        表3 設(shè)計(jì)流速小于推薦流速汽水管道

        表4 設(shè)計(jì)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(jí)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(gè)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(duì)于給水泵,依據(jù)給水泵組的設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)于凝結(jié)水泵和凝結(jié)水升壓泵,進(jìn)行流量摸底試驗(yàn)。摸底試驗(yàn)測(cè)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(dòng)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(yàn)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(jì)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(cè)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(cè)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(tái)50%額定給水量的電動(dòng)定速給水泵, 2臺(tái)給水泵組運(yùn)行,1臺(tái)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(tái)給水泵組泵的設(shè)計(jì)流量為1075 t/h,原設(shè)計(jì)工況下兩臺(tái)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(jì)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(jì)流量和原設(shè)計(jì)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(gè)優(yōu)化升級(jí)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(tái)循環(huán)水泵,水源為海水,供2臺(tái)凝汽器和二回路其他設(shè)備冷卻用水。冬季3臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行,3臺(tái)循環(huán)水泵備用;其他季節(jié)用正常情況下4臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行,2臺(tái)循環(huán)水泵備用。根據(jù)凝汽器熱負(fù)荷的計(jì)算結(jié)果,兩個(gè)改造方案凝汽器的熱負(fù)荷沒有超過原設(shè)計(jì)值,循環(huán)水泵組能夠滿足兩個(gè)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(tái)立式凝結(jié)水泵,單臺(tái)泵流量為748 t/h,揚(yáng)程為78.5 kPa(80 mH2O)。原設(shè)計(jì)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(tái)凝結(jié)水泵運(yùn)行、1臺(tái)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(tái)臥式凝結(jié)水升壓泵,單臺(tái)泵流量為748 t/h,揚(yáng)程為127.5 kPa(130 mH2O)。原設(shè)計(jì)方案夏季工況凝結(jié)水流量為1272 t/h,正常情況下2臺(tái)凝結(jié)水升壓泵運(yùn)行、1臺(tái)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(hào)凝結(jié)水泵和3號(hào)凝結(jié)水升壓泵進(jìn)行了性能摸底試驗(yàn)[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(gè)工況的凝結(jié)水泵與凝結(jié)水升壓泵性能力測(cè)試和揚(yáng)程曲線繪制,由試驗(yàn)得出3號(hào)凝結(jié)水泵的揚(yáng)程曲線如圖1所示,3號(hào)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(jì)流量對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程低于試驗(yàn)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(gè)優(yōu)化升級(jí)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(tái)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(xiàng)目二回路熱交換器的適應(yīng)性分析結(jié)果表明,2號(hào)與3號(hào)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(gè)改造方案的增容能力??紤]到兩個(gè)改造方案的1號(hào)高壓加熱器的熱負(fù)荷超過原設(shè)計(jì)值,建議在改造中更換1號(hào)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(gè)改造方案的增容能力。對(duì)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(duì)措施是加強(qiáng)金屬監(jiān)督,定期測(cè)量壁厚,并根據(jù)壁厚減薄情況,及時(shí)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(dòng)機(jī)、循環(huán)水泵及電動(dòng)機(jī)、凝結(jié)水泵及電動(dòng)機(jī)、凝結(jié)水升壓泵及電動(dòng)機(jī)均能滿足汽輪機(jī)兩個(gè)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(jì)流量對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程,均低于試驗(yàn)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(gè)優(yōu)化升級(jí)改造方案的主蒸汽流量均小于原設(shè)計(jì)值的前提下,除了1號(hào)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(jí)兩個(gè)改造方案的增容能力。

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