齊 漣,周昭偉
(1. 中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 314300;2.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)
2018年,為了配合秦一廠320 MW核電機(jī)組運(yùn)行許可證延續(xù)(OLE)專(zhuān)項(xiàng)工作的開(kāi)展,實(shí)現(xiàn)電廠在達(dá)到其原設(shè)計(jì)壽命30年后,可再安全可靠地延續(xù)運(yùn)行20年,同時(shí)為進(jìn)一步提升機(jī)組效率和發(fā)電能力,對(duì)常規(guī)島主機(jī)和部分主要輔機(jī)實(shí)施了全面的綜合升級(jí)改造。由于本次改造實(shí)施為國(guó)內(nèi)首例,在可行性研究、工程設(shè)計(jì)、施工調(diào)試、試驗(yàn)驗(yàn)證等環(huán)節(jié),國(guó)內(nèi)均無(wú)可供借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)。本改造工程機(jī)組于2018年7月26日首次并網(wǎng),并于2018年10月29日順利通過(guò)滿(mǎn)功率168 h連續(xù)運(yùn)行。
本文基于ASME PTC6-2004美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)《汽輪機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程》和GB/T 8117.3—2014《汽輪機(jī)熱力性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程 第3部分:方法C 改造汽輪機(jī)的熱力性能驗(yàn)證試驗(yàn)》的要求和方法,對(duì)增容改造后汽輪機(jī)組熱力性能試驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行了分析,以驗(yàn)證改造后汽輪機(jī)在各設(shè)計(jì)工況下的出力和汽輪機(jī)熱耗率等指標(biāo)是否達(dá)到改造的保證值,同時(shí)評(píng)估了機(jī)組改造前后節(jié)能降耗指標(biāo)情況。通過(guò)本文深入的分析,為后續(xù)增容改造后核電機(jī)組汽輪機(jī)的熱力性能驗(yàn)證提供參考。
秦一廠320 MW核電機(jī)組原汽輪機(jī)是20世紀(jì)80年代由上海汽輪機(jī)廠通過(guò)引進(jìn)美國(guó)西屋公司技術(shù)設(shè)計(jì)制造的全轉(zhuǎn)速單軸飽和蒸汽中間再熱三缸四排汽凝汽式汽輪機(jī),型號(hào):HN310-54.5型。主汽閥前蒸汽額定參數(shù)5.345 MPa/268.2 ℃/99.5%干度,機(jī)組額定工況熱耗10 760 kJ/kW·h,發(fā)電熱效率33.46%,銘牌功率310 MW[1]。2010年實(shí)施機(jī)組功率提升后,銘牌功率修改為320 MW。
本次增容改造后,主要性能指標(biāo)如下:
(1)主要設(shè)計(jì)參數(shù)[2]
型號(hào):HN350-5.34型;
型式:?jiǎn)屋S、三缸四排汽、中間汽水分離再熱、凝汽式汽輪機(jī);
TMCR工況功率:350 MW;
TMCR工況主蒸汽參數(shù):5.34 MPa(a)/268.1 ℃/99.5%;
TMCR工況主蒸汽流量:1955 t/h;
額定/夏季背壓:4.8 kPa(a)/8.8 kPa(a);
回?zé)峒?jí)數(shù):3高+3低+1除氧;
額定轉(zhuǎn)速:3000 r/min;
給水泵驅(qū)動(dòng)方式:電動(dòng);
TMCR工況給水溫度:220.4 ℃。
(2)保證值[2]
TMCR工況保證出力:350 MW;
夏季連續(xù)運(yùn)行工況保證出力:332.5 MW;
TMCR工況保證熱耗:10 350 kJ/kW·h;
機(jī)組發(fā)電熱效率:34.78 %。
改造現(xiàn)役電廠汽輪機(jī)不僅需要關(guān)注絕對(duì)保證指標(biāo),還需關(guān)注相對(duì)保證指標(biāo),即不同于新建電廠的汽輪機(jī)熱力性能絕對(duì)保證指標(biāo)驗(yàn)收試驗(yàn)。因此,相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于改造汽輪機(jī)機(jī)組試驗(yàn)定義為驗(yàn)證試驗(yàn),它涵蓋設(shè)備改造前和改造后等各種試驗(yàn)。本次試驗(yàn)?zāi)康氖菍?duì)改造后機(jī)組功率、汽輪機(jī)熱耗率和發(fā)電熱效率等指標(biāo)的驗(yàn)證。
汽輪機(jī)改造項(xiàng)目的難點(diǎn)之一是性能保證值的選擇,這是因?yàn)楦脑祉?xiàng)目本身存在多種不同的方案組合,如進(jìn)汽閥門(mén)更換、部分葉片或隔板、轉(zhuǎn)子、整體模塊的更換等。另外,就汽輪機(jī)的改造效果而言,制造商通常關(guān)注于改造部件的性能保證,愿意采用反映改造前后變化的相對(duì)性能改進(jìn)保證值,而用戶(hù)方則更加傾向于選擇反映改造后整機(jī)性能的絕對(duì)性能保證值??梢?jiàn),汽輪機(jī)改造性能考核保證值的選擇取決于改造的具體情況和合同各方的協(xié)商。但無(wú)論如何,恰當(dāng)?shù)谋WC值的選擇是由其能否準(zhǔn)確驗(yàn)證實(shí)際性能或性能變化的能力來(lái)決定的。
核電汽輪機(jī)是典型的濕蒸汽汽輪機(jī),其缸效率的測(cè)量受到蒸汽濕度的影響,無(wú)法直接進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。因此,改造后替換部件的效率采用整機(jī)性能來(lái)間接確定更加合適。
根據(jù)本次增容改造確定的方案,汽輪機(jī)高、低壓模塊的改造采用了整體通流的技術(shù)升級(jí)和更新,因此,決定選用反映整機(jī)性能的功率、汽輪機(jī)熱耗率和發(fā)電熱效率等指標(biāo)作為絕對(duì)保證值。
試驗(yàn)工況、條件及時(shí)間如表1所示[3]。
表1 試驗(yàn)工況
(1)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)
《汽輪機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程》(ASME PTC6—2004);
《汽輪機(jī)熱力性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程 第3部分:方法C 改造汽輪機(jī)的熱力性能驗(yàn)證試驗(yàn)》(GB/T 8117.3—2014);
《流量測(cè)量》(ASME PTC19.5—2004);
《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿(mǎn)管流體流量 第4部分:文丘里管》(ISO 5167—4:2003);
水和水蒸汽性質(zhì)表:國(guó)際公式化委員會(huì)《工業(yè)用水和水蒸汽參數(shù)》(IFC公式1967)。
(2)試驗(yàn)基準(zhǔn)
負(fù)荷與閥位基準(zhǔn)。
為了保證試驗(yàn)精度,重要測(cè)點(diǎn)采用了雙或多重測(cè)點(diǎn),相關(guān)測(cè)量?jī)x表和測(cè)量要求滿(mǎn)足ASME PTC6規(guī)范要求,其中:1)發(fā)電機(jī)出線端電功率采用0.1級(jí)精度的數(shù)字式三相多功能表測(cè)量;2)主給水流量采用經(jīng)校驗(yàn)合格的2套法國(guó)進(jìn)口文丘里管測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量,每套流量測(cè)量裝置有2組取壓口,取壓用差壓變送器精度等級(jí)為 0.05 級(jí);3)SG出口蒸汽濕度由電廠嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)多次測(cè)量所得。
1)依據(jù)隔離清單的要求進(jìn)行機(jī)組熱力系統(tǒng)隔離,并將凝汽器和除氧器水位補(bǔ)至較高位,保證試驗(yàn)期間不向系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)水,同時(shí)檢查試驗(yàn)專(zhuān)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和機(jī)組各熱力系統(tǒng)投入是否正常。
2)機(jī)組按DEH自動(dòng)運(yùn)行方式投入運(yùn)行,主要運(yùn)行參數(shù)調(diào)整至試驗(yàn)工況要求范圍內(nèi),并保持穩(wěn)定運(yùn)行。試驗(yàn)期間注意保持反應(yīng)堆冷卻劑及其輔助工藝系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí)監(jiān)視機(jī)組真空變化,維持除氧器水箱、凝汽器、MSR水位無(wú)大的波動(dòng)。
3)試驗(yàn)期間禁止一切無(wú)關(guān)操作,如有涉及安全等問(wèn)題停止試驗(yàn),并依據(jù)運(yùn)規(guī)執(zhí)行操作。
4)機(jī)組穩(wěn)定后,開(kāi)始試驗(yàn),單個(gè)出力試驗(yàn)持續(xù)1 h,單個(gè)汽輪機(jī)熱耗率試驗(yàn)持續(xù)2 h。每個(gè)試驗(yàn)工況結(jié)束后,應(yīng)確認(rèn)試驗(yàn)期間機(jī)組狀態(tài)是否滿(mǎn)足要求,試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正常采集或記錄無(wú)誤后,該試驗(yàn)工況正式結(jié)束。全部試驗(yàn)結(jié)束后,依據(jù)相關(guān)要求進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)。
發(fā)電機(jī)功率由試驗(yàn)專(zhuān)用儀表測(cè)量所得,給水流量依據(jù)測(cè)量差壓信號(hào)并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到,其余主要計(jì)算過(guò)程如下:
(1)蒸發(fā)器出口流量計(jì)算:
Gms=Gfw-GSG-blowdown
(1)
式中:Gms——蒸發(fā)器出口流量,t/h;
GSG-blowdown——蒸發(fā)器排污流量,t/h;
Gfw——測(cè)量給水流量,t/h。
(2)蒸發(fā)器出口焓值計(jì)算:
hs=yshs′+(1-ys)hs″
(2)
式中:ys——蒸發(fā)器出口蒸汽濕度;
hs,hs′,hs″——蒸發(fā)器出口的蒸汽焓值、飽和水焓值和飽和蒸汽焓值, kJ/kg。
(3)主汽閥前蒸汽干度計(jì)算:
(3)
式中:Xms——主汽閥前蒸汽干度;
h1,h1″,h1′——主汽閥前的蒸汽焓值、飽和蒸汽焓值和飽和水焓值,kJ/kg。
(4)(反應(yīng)堆)熱容量計(jì)算:
QNSSS=(Gms×h1-Gfw×hfw)/3600
(4)
式中:QNSSS——反應(yīng)堆熱功率, MWt;
hfw——主給水焓值,根據(jù)實(shí)測(cè)給水壓力與給水溫度求得, kJ/kg。
(5)汽輪機(jī)試驗(yàn)熱耗率計(jì)算:
(5)
式中:HRtest——試驗(yàn)狀態(tài)下汽輪機(jī)熱耗率,kJ/(kW·h);
Ptest——發(fā)電機(jī)凈電功率。
機(jī)組熱力性能試驗(yàn)所要驗(yàn)證的各項(xiàng)保證值代表了汽輪機(jī)的性能水平。由于各工況主要邊界條件對(duì)保證值具有決定性的影響,因此試驗(yàn)時(shí)的運(yùn)行工況應(yīng)盡可能接近規(guī)定的保證工況。如果存在任何試驗(yàn)運(yùn)行工況偏離保證工況,則試驗(yàn)結(jié)果在與保證值進(jìn)行比較之前需要進(jìn)行修正。
本試驗(yàn)中,由于試驗(yàn)運(yùn)行條件與規(guī)定的保證工況條件存在差異,因此需要對(duì)試驗(yàn)狀態(tài)下發(fā)電機(jī)出線端電功率與汽輪機(jī)熱耗率進(jìn)行修正計(jì)算,修正計(jì)算采用制造廠提供的修正曲線進(jìn)行。修正項(xiàng)目主要包括:1)主蒸汽壓力;2)主蒸汽干度;3)(反應(yīng)堆)熱容量;4)給水溫度;5)MSR出口溫度;6)MSR壓降;7)背壓。
(1)修正后發(fā)電機(jī)出線端電功率計(jì)算:
Pcorr=Ptest/(1+CPf1+CPf2+CPf3+CPf4+CPf5+CPf6+CPf7)
(6)
式中:Pcorr——修正后發(fā)電機(jī)出線端電功率,kW;
CPf1,CPf2,CPf3,CPf4,CPf5,CPf6,CPf7——主蒸汽壓力、主蒸汽干度、(反應(yīng)堆)熱容量、給水溫度、MSR出口溫度、MSR壓降、背壓對(duì)發(fā)電機(jī)出線端電功率修正系數(shù)。
(2)修正后汽輪機(jī)熱耗率計(jì)算:
HRcorr=HRtest/(1+CHRf1+CHRf2+CHRf3+CHRf4+CHRf5+CHRf6+CHRf7)
(7)
式中:HRcor——修正后汽輪機(jī)熱耗率,kJ/(kW·h);
CHRf1,CHRf2,CHRf3,CHRf4,CHRf5,CHRf6,CRHf7——主蒸汽壓力、主蒸汽干度、(反應(yīng)堆)熱容量、給水溫度、MSR出口溫度、MSR壓降、背壓對(duì)汽輪機(jī)熱耗率修正系數(shù)。
機(jī)組出力、汽輪機(jī)熱耗率、發(fā)電熱效率試驗(yàn)結(jié)果列于表2[3-5]。
表2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照表
試驗(yàn)嚴(yán)格按照ASME PTC6—2004和GB/T 8117.3—2014規(guī)范要求進(jìn)行。僅以嚴(yán)格控制不明泄漏量為例,現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)性實(shí)施了全面的查漏消缺工作,以使系統(tǒng)泄漏的影響降至盡可能的低。正式試驗(yàn)時(shí),實(shí)際的不明泄漏量約為0.095%,達(dá)到ASME規(guī)范規(guī)定的0.1%的要求。
從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:
1) TMCR-1工況與TMCR-2工況試驗(yàn)值修正至設(shè)計(jì)條件下的汽輪機(jī)熱耗率重復(fù)性約為0.09%,滿(mǎn)足ASME PTC6-2004規(guī)范中0.25%的要求。
2)各試驗(yàn)工況下,機(jī)組的出力均優(yōu)于保證值或設(shè)計(jì)值。其中,TMCR-1工況與TMCR-2工況下,發(fā)電機(jī)出線端電功率的平均值達(dá)到356.978 MW,與改造前相比,機(jī)組出力提升8.8%,發(fā)電熱效率提高約1.6%,增容提效效果顯著。
3)TMCR-1工況與TMCR-2工況下,機(jī)組熱耗率的平均值為10 038.6 kJ/(kW·h),明顯優(yōu)于設(shè)計(jì)保證值,較改造前10 501.8 kJ/(kW·h)的熱耗率,降低了4.4%,節(jié)能降耗效果明顯。
本文針對(duì)秦一廠320 MW機(jī)組汽輪機(jī)增容改造后熱力性能試驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行了分析,得到如下結(jié)論:
1)作為國(guó)內(nèi)首臺(tái)實(shí)施增容提效改造的核電機(jī)組,實(shí)施改造后,機(jī)組出力、汽輪機(jī)熱耗率、發(fā)電熱效率等指標(biāo)全面優(yōu)于設(shè)計(jì)值或保證值,實(shí)現(xiàn)了改造的預(yù)期目標(biāo)。較改造前,機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性得到了有效提升;
2)試驗(yàn)結(jié)果本身真實(shí)反映了機(jī)組性能內(nèi)在聯(lián)系的規(guī)律性,這主要體現(xiàn)在汽輪機(jī)熱耗優(yōu)于設(shè)計(jì)值或保證值的同時(shí),高壓缸效率測(cè)試結(jié)果也優(yōu)于設(shè)計(jì)值,兩者在實(shí)測(cè)結(jié)果方向的一致性上符合汽輪機(jī)熱力性能的內(nèi)在規(guī)律。一方面表明試驗(yàn)方法本身的合理性和試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)、可靠性,同時(shí)也表明汽輪機(jī)熱耗率的改善主要是建立在通流部分效率提升的基礎(chǔ)上,印證了改造項(xiàng)目可行性研究階段制定的兼顧潛力挖掘和效率提升技術(shù)路線的合理性和有效性,對(duì)于后續(xù)核電機(jī)組的增容改造具有重要的示范和借鑒意義;
3)本次改造對(duì)于方案可行性研究、工程設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行和試驗(yàn)等各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格把控,通過(guò)對(duì)改造后的實(shí)際主汽流量、主/再熱溫度和發(fā)電熱效率等參數(shù)進(jìn)行分析,表明:核電廠一、二回路堆機(jī)參數(shù)的匹配更趨合理,機(jī)組的運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì);
4)熱力性能試驗(yàn)對(duì)于改造機(jī)組的性能驗(yàn)證至關(guān)重要,為了確保驗(yàn)證工作的順利實(shí)施,建議試驗(yàn)各方應(yīng)就保證值邊界條件、試驗(yàn)方案中測(cè)點(diǎn)布置和系統(tǒng)隔離等問(wèn)題開(kāi)展預(yù)先規(guī)劃,達(dá)成協(xié)議,這點(diǎn)對(duì)于核電廠汽輪機(jī)尤其重要;
5)考慮到系統(tǒng)隔離對(duì)于汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度和機(jī)組運(yùn)行安全性影響較大,電廠應(yīng)在試驗(yàn)前開(kāi)展全面的系統(tǒng)查漏消缺工作。另外,為了保證汽輪機(jī)性能劣化對(duì)于機(jī)組的性能影響降低到最低程度,改造后熱力性能試驗(yàn)應(yīng)在機(jī)組首次帶負(fù)荷后8周內(nèi)進(jìn)行;
本文介紹的熱力性能試驗(yàn)方法適用于核電廠汽輪機(jī)整體通流改造后的驗(yàn)證。但在更廣范圍的適用性上,仍需結(jié)合具體的改造方案和實(shí)施范圍,作出細(xì)節(jié)上的調(diào)整,使得驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果更加真實(shí)體現(xiàn)機(jī)組實(shí)際改造情況。