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)專項(xiàng)工作的開展，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)，國內(nèi)均無可供借鑒的成功經(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日順利通過滿功率168 h連續(xù)運(yùn)行。

本文基于ASME PTC6-2004美國機(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。

1 機(jī)組改造前后技術(shù)特點(diǎn)

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)廠通過引進(jìn)美國西屋公司技術(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 %。

2 熱力性能試驗(yàn)方案介紹

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

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。

2.2 改造性能保證值的選擇

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?？梢姡啓C(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。

2.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況、條件及時(shí)間如表1所示[3]。

表1 試驗(yàn)工況

2.4 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及基準(zhǔn)

(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)。

2.5 試驗(yàn)儀表及測(cè)量方法

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。

2.6 試驗(yàn)主要步驟

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水位無大的波動(dòng)。

3)試驗(yàn)期間禁止一切無關(guān)操作，如有涉及安全等問題停止試驗(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)是否滿足要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正常采集或記錄無誤后，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)。

2.7 試驗(yàn)主要結(jié)果計(jì)算

發(fā)電機(jī)功率由試驗(yàn)專用儀表測(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。

2.8 試驗(yàn)結(jié)果修正

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)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

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。

4 結(jié)論

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)的過程和結(jié)果進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

1)作為國內(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)隔離等問題開展預(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。