危安澤,鮑旭東，司先國(guó)，代榮喜，孫慶男，顏鐵光

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

某一M310核電站技術(shù)的1089 MW汽輪機(jī)低壓缸為雙缸四排汽形式，配置凝汽器為雙殼體、單流程、單背壓的表面式凝汽器。機(jī)組采用海水直冷方式，海水循環(huán)冷卻水通過(guò)取水輸水隧道，經(jīng)兩臺(tái)鼓形濾網(wǎng)過(guò)濾和兩臺(tái)循環(huán)水泵提升壓力后，通過(guò)A列循環(huán)水和B列循環(huán)水兩條涵管獨(dú)立回路，分別向凝汽器提供正常運(yùn)行時(shí)冷卻機(jī)組所需50%冷卻水量。在常規(guī)島汽輪機(jī)房?jī)?nèi)的每一臺(tái)凝汽器兩側(cè)的兩根供水管和出水管分別接至循環(huán)水A列和B列，在凝汽器中吸收熱量的循環(huán)水通過(guò)排水渠、虹吸井、排水口排入海中。針對(duì)參考電站設(shè)計(jì)中凝汽器沒(méi)有設(shè)置循環(huán)水進(jìn)出口隔離閥門(mén)，在凝汽器單側(cè)故障隔離時(shí)須停止一臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行的問(wèn)題，經(jīng)設(shè)計(jì)分析與評(píng)估后，在該項(xiàng)目增設(shè)了凝汽器循環(huán)水4 進(jìn)4出電動(dòng)蝶閥用于單側(cè)隔離，如圖1海水循環(huán)水系統(tǒng)流程所示。此項(xiàng)與參考電站不同的汽輪機(jī)廠(chǎng)房循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)，可方便機(jī)組正常運(yùn)行期間對(duì)凝汽器進(jìn)行半側(cè)隔離檢查操作。

圖1 凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)流程圖Fig.1 The flow chart of the circulation water system of the condenser

核電機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生傳熱管泄漏是凝汽器設(shè)備的常見(jiàn)故障，當(dāng)傳熱管泄漏海水進(jìn)入凝汽器汽側(cè)，將造成凝結(jié)水水質(zhì)快速惡化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水質(zhì)惡化而降功率停機(jī)，因此凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段需要充分考慮凝汽器隔離運(yùn)行操作的快速響應(yīng)。根據(jù)此項(xiàng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，只需關(guān)閉海水進(jìn)出口蝶閥就可單個(gè)隔離換熱管發(fā)生海水泄漏故障的凝汽器模塊，避免停用一臺(tái)循環(huán)水泵而中斷一個(gè)海水系列的供水，此方式運(yùn)行隔離快速、且操作風(fēng)險(xiǎn)小，同時(shí)汽輪機(jī)出力可以維持較高功率運(yùn)行，因此可提高機(jī)組設(shè)備運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

1 凝汽器單側(cè)隔離對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響

當(dāng)采用停一臺(tái)循環(huán)水泵及對(duì)應(yīng)凝汽器的兩個(gè)半側(cè)同時(shí)隔離運(yùn)行時(shí)，常規(guī)島凝汽器循環(huán)冷卻水量減少1/2，常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)須隔離一路供水水源，此方式對(duì)于核電機(jī)組可靠運(yùn)行存在問(wèn)題：一是因減少凝汽器設(shè)備冷卻所需的50%的冷卻水量，機(jī)組運(yùn)行按照汽輪機(jī)廠(chǎng)家要求需降到60%額定功率左右運(yùn)行，嚴(yán)重影響機(jī)組的負(fù)荷因子；二是凝汽器作為汽輪機(jī)旁路排放蒸汽的冷卻設(shè)備，當(dāng)兩臺(tái)凝汽器的兩個(gè)半側(cè)同時(shí)隔離，勢(shì)必會(huì)影響旁路排放系統(tǒng)的可靠備用，增大了機(jī)組應(yīng)對(duì)事故工況的風(fēng)險(xiǎn)；三是停一臺(tái)循環(huán)水泵時(shí)還需將一路輔助冷卻供水進(jìn)行隔離，同時(shí)大功率循環(huán)水泵設(shè)備的停止和啟動(dòng)操作風(fēng)險(xiǎn)，不僅增加了主控室運(yùn)行人員的操作負(fù)擔(dān)，且隔離操作步驟多、時(shí)間長(zhǎng)，還會(huì)影響到常規(guī)島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。相對(duì)而言，當(dāng)核電機(jī)組凝汽器發(fā)生傳熱管泄漏故障，在不停一臺(tái)循環(huán)水泵的情況下，直接關(guān)閉凝汽器循環(huán)水進(jìn)出口蝶閥，將傳熱管泄漏故障點(diǎn)快速隔離，防止傳熱管泄漏海水造成凝結(jié)水水質(zhì)快速惡化，將可以避免對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。同時(shí)采用不停循環(huán)水泵，僅一臺(tái)凝汽器單側(cè)運(yùn)行時(shí)，凝汽器循環(huán)冷卻水僅減少1/4，且常規(guī)島輔助冷卻水系統(tǒng)無(wú)須進(jìn)行隔離操作。這樣在凝汽器半側(cè)隔離時(shí)，機(jī)組可以保證在較高的發(fā)電功率運(yùn)行，因而在提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)也保證了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。由于設(shè)備廠(chǎng)家沒(méi)有提供單臺(tái)凝汽器半側(cè)隔離運(yùn)行的設(shè)計(jì)工況，擔(dān)心凝汽器單側(cè)運(yùn)行時(shí)傳熱管內(nèi)流速偏高產(chǎn)生沖刷而影響設(shè)備使用壽命。為評(píng)估凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)增設(shè)進(jìn)出口蝶閥隔離功能的改進(jìn)，需進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能分析和設(shè)備安全性分析，并通過(guò)實(shí)際運(yùn)行操作試驗(yàn)進(jìn)行功能驗(yàn)證。

2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行分析

2.1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管路阻力分析

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管路在輸送不同流量的冷卻水時(shí)所產(chǎn)生的流動(dòng)損失之間的關(guān)系為系統(tǒng)管路阻力特性，主要包括沿程阻力損失和局部水頭損失，其中沿程阻力損失是克服管線(xiàn)摩擦阻力而損失的水頭，局部水頭損失是水流經(jīng)過(guò)輸水管(如彎管、分流管和合流管等)、閥門(mén)、濾網(wǎng)或其他附件時(shí)產(chǎn)生的水頭損失。某核電廠(chǎng)單臺(tái)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)海水循環(huán)水泵，循環(huán)水泵采用混凝土蝸殼泵，單臺(tái)水泵額定流量為26.63 m3/s；額定揚(yáng)程為16.74 m；額定功率為5800 kW。根據(jù)該核電廠(chǎng)循環(huán)水系統(tǒng)取排水管路、設(shè)備布置，以及海水泵房和常規(guī)島構(gòu)筑物標(biāo)高設(shè)計(jì)等，采用流體系統(tǒng)仿真軟件FLOWMASTER搭建了循環(huán)水系統(tǒng)由循環(huán)水泵出口至凝汽器排水跌落井的水力模型，包括循環(huán)水泵出口母管、凝汽器二次濾網(wǎng)、凝汽器進(jìn)出口蝶閥、管道，以及凝汽器排水總管到跌落井等。將這些循環(huán)水系統(tǒng)管路每段的沿程阻力損失和局部阻力計(jì)算求得管路特性曲線(xiàn)，通過(guò)模型仿真計(jì)算獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況條件下的凝汽器單側(cè)運(yùn)行時(shí)循環(huán)水系統(tǒng)管路特性曲線(xiàn)，如圖2所示。在凝汽器半側(cè)隔離操作過(guò)程中(即蝶閥不同開(kāi)度條件下)，當(dāng)閥門(mén)關(guān)小時(shí)循環(huán)水系統(tǒng)總的管路阻力會(huì)增大，而系統(tǒng)流量會(huì)減少。

圖2 海水循環(huán)水系統(tǒng)管路特性曲線(xiàn)Fig.2 The characteristic curve of the pipeline of the seawater circulating system

2.2 循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式對(duì)循環(huán)水泵的影響

在海水直流冷卻水系統(tǒng)中，循環(huán)水泵出口流量取決于系統(tǒng)管路阻力特性曲線(xiàn)和水泵的特性曲線(xiàn)。在工程應(yīng)用中可以利用圖解法，通過(guò)系統(tǒng)管路特性曲線(xiàn)與水泵特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)來(lái)確定循環(huán)水泵的工作點(diǎn)(平衡工況點(diǎn))[1]，以獲取循環(huán)水泵出口流量和揚(yáng)程的設(shè)計(jì)值。針對(duì)某核電廠(chǎng)凝汽器半側(cè)隔離某一個(gè)冷卻管束模塊，需停用一臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行的運(yùn)行方式存在的弊端，在工程設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能分析，認(rèn)為增加凝汽器進(jìn)出口隔離蝶閥是可行的，凝汽器單側(cè)運(yùn)行時(shí)可以保持循環(huán)水泵設(shè)備運(yùn)行。為了驗(yàn)證此設(shè)計(jì)功能改進(jìn)說(shuō)法，利用循環(huán)水泵廠(chǎng)家提供的水泵特性曲線(xiàn)，結(jié)合循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行工況點(diǎn)的變化，分析凝汽器冷卻水流量變化對(duì)循環(huán)水泵設(shè)備運(yùn)行影響，推斷出設(shè)計(jì)工況的循環(huán)水泵運(yùn)行工作點(diǎn)變化情況。如圖3所示，在凝汽器進(jìn)行單側(cè)隔離操作過(guò)程中，隨著凝汽器循環(huán)水進(jìn)出口蝶閥開(kāi)度關(guān)小，循環(huán)水泵出口到凝汽器的總管路阻力增大，循環(huán)水泵運(yùn)行揚(yáng)程升高工作點(diǎn)由A上移B，水泵出口流量減少至60%～70%之間。

圖3 海水循環(huán)泵工作特性曲線(xiàn)(設(shè)計(jì)工況)Fig.3 The working characteristic curve of the seawater circulating pump (design condition)

2.3 凝汽器傳熱管管內(nèi)流速限制的問(wèn)題

在循環(huán)水泵保持運(yùn)行的情況下，若關(guān)閉一臺(tái)凝汽器的一側(cè)冷卻管束模塊的循環(huán)水進(jìn)出口蝶閥，則另一臺(tái)凝汽器的循環(huán)水進(jìn)水壓力和流量會(huì)增大，該側(cè)冷卻管束內(nèi)的海水流速會(huì)上升。在凝汽器設(shè)計(jì)制造時(shí)需考慮凝汽器傳熱管內(nèi)流速的選擇，以計(jì)算確定凝汽器設(shè)計(jì)條件下所需的循環(huán)冷卻水量。傳熱管內(nèi)冷卻水流速對(duì)凝汽器傳熱性能有很大影響，同時(shí)流速大小也是決定傳熱管材耐腐蝕性的重要因素，鈦材質(zhì)是一種能抗高含砂量海水腐蝕的冷卻管材，比其他材料冷卻管具有較好的綜合的耐腐蝕性能[2]。查閱JB-T-10085—1999《汽輪機(jī)凝汽器技術(shù)條件》的第4節(jié)凝汽器設(shè)計(jì)參數(shù)和性能指標(biāo)中，對(duì)于鈦管的冷卻水流速的一般推薦值為2.1～2.4 m/s，此推薦值是考慮了冷卻水流速選擇對(duì)傳熱管的換熱效果的影響，用于凝汽器換熱系數(shù)修正和換熱面積計(jì)算。在DL-T-712—2010《發(fā)電廠(chǎng)凝汽器及輔機(jī)冷卻器管選材導(dǎo)則》中僅對(duì)銅管提出了水質(zhì)條件及允許最大流速3 m/s的要求,而對(duì)于硬度高、耐磨性好的鈦管材質(zhì)沒(méi)有明確的適應(yīng)水質(zhì)及允許流速的要求。某核電廠(chǎng)針對(duì)常規(guī)島海水冷卻水系統(tǒng)板式換熱器的鈦板沖刷穿孔問(wèn)題，采用不同含砂量、在不同流速條件下模擬含砂海水對(duì)鈦板進(jìn)行模擬沖刷實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為對(duì)于鈦板材質(zhì)沖刷存在一個(gè)臨界流速，這一流速在3.10 m/s 和6.20 m/s 之間[3]，當(dāng)流速高于臨界流速時(shí)，沖刷腐蝕減薄速率迅速增加。由于受模擬試驗(yàn)的水質(zhì)條件、鈦板材料流失重量檢測(cè)等因素的限制，還無(wú)法精確給出鈦管或鈦板材質(zhì)在不同水質(zhì)條件下的最大允許流速限值，即臨界流速。根據(jù)某凝汽器設(shè)備廠(chǎng)家建議，在凝汽器鈦管內(nèi)流速不大于3 m/s條件下是可以保證設(shè)備安全長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行。

3 凝汽器單側(cè)運(yùn)行驗(yàn)證

利用現(xiàn)場(chǎng)條件測(cè)試循環(huán)水泵的性能，可以較好的驗(yàn)證循環(huán)水泵的工作性能，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的分析，對(duì)于泵組整體安全、穩(wěn)定運(yùn)行有指導(dǎo)作用[4]。查閱某核電廠(chǎng)海水循環(huán)水系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行文件，循環(huán)水泵都是在凝汽器循環(huán)水進(jìn)出口蝶閥全開(kāi)條件下運(yùn)行，包括啟動(dòng)和停泵過(guò)程，沒(méi)有在調(diào)節(jié)或關(guān)閉凝汽器循環(huán)水進(jìn)出口蝶閥的條件下運(yùn)行過(guò)，故沒(méi)有循環(huán)水泵在出口節(jié)流工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)記錄。由于通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)獲取循環(huán)水泵出口流量和揚(yáng)程的理論計(jì)算結(jié)果，與電站實(shí)際的循環(huán)水系統(tǒng)管路特性曲線(xiàn)可能存在差異，會(huì)影響對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際工況的判斷，因此需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)及設(shè)備參數(shù)實(shí)測(cè)，或設(shè)置循環(huán)水流量監(jiān)測(cè)裝置，以便準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況變化趨勢(shì)。

3.1 凝汽器半側(cè)隔離操作試驗(yàn)

保持大功率的海水循環(huán)水泵連續(xù)運(yùn)行，通過(guò)調(diào)整或關(guān)閉凝汽器循環(huán)水進(jìn)出口蝶閥，即運(yùn)行操作改變循環(huán)水系統(tǒng)管道阻力，可以分析泵出口壓力數(shù)據(jù)變化(上升)來(lái)判斷流量變化范圍。同時(shí)連續(xù)測(cè)量水泵運(yùn)行參數(shù)(如泵組振動(dòng)、軸承溫度、電機(jī)電流和溫度等)，監(jiān)測(cè)凝汽器運(yùn)行參數(shù)(如循環(huán)水壓力、溫度、凝結(jié)水出口電導(dǎo)率和鈉等)有無(wú)異常。某核電廠(chǎng)2號(hào)機(jī)組在大修停機(jī)窗口中，進(jìn)行了2號(hào)機(jī)組凝汽器半側(cè)隔離操作試驗(yàn)，在關(guān)閉一側(cè)凝汽器循環(huán)水進(jìn)出口蝶閥后，1、2號(hào)循環(huán)水泵出口壓力分別上升0.046 MPa和0.038 MPa，試驗(yàn)中循環(huán)水泵運(yùn)行參數(shù)記錄如表1。在整個(gè)實(shí)際操作試驗(yàn)過(guò)程中，凝汽器設(shè)備運(yùn)行正常，循環(huán)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、無(wú)異常聲音和振動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明凝汽器可以在循環(huán)水泵運(yùn)行中實(shí)施半側(cè)隔離操作，增設(shè)進(jìn)出口蝶閥的隔離功能正常，此項(xiàng)循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)是安全可靠。

表1 海水循環(huán)水泵運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(試驗(yàn)過(guò)程)Table 1 The operating data of the seawater circulating water pump (measured during testing)

3.2 凝汽器冷卻管內(nèi)流速變化分析

3.3 凝汽器單側(cè)運(yùn)行對(duì)機(jī)組出力影響分析

對(duì)于凝汽器單側(cè)運(yùn)行的特殊工況，需要考慮凝汽器冷卻水流量改變與凝汽器壓力變化關(guān)系，可以通過(guò)凝汽器變工況運(yùn)行分析，獲取機(jī)組不同負(fù)荷對(duì)應(yīng)凝汽器壓力、冷卻水溫度和流量的凝汽器運(yùn)行動(dòng)態(tài)特性[5]。同時(shí)借鑒國(guó)內(nèi)核電廠(chǎng)同行運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，結(jié)合凝汽器真空系統(tǒng)和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)凝汽器壓力、循環(huán)冷卻水進(jìn)水溫度和流量等參數(shù)來(lái)確定核電汽輪機(jī)運(yùn)行出力的限制。例如某核電廠(chǎng)728 MW汽輪發(fā)電機(jī)組在冬季循環(huán)冷卻水溫度較低，凝汽器單側(cè)運(yùn)行時(shí)真空度較好條件下，機(jī)組可以保持在100%額定功率安全穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于某1089 MW核電機(jī)組采用停運(yùn)一臺(tái)循環(huán)水泵后，凝汽器循環(huán)冷卻水量減少二分之一的情況下，汽輪機(jī)出力維持在60%額定功率運(yùn)行的操作方式，勢(shì)必會(huì)造成機(jī)組發(fā)電量的過(guò)多損失。當(dāng)采用不停用一臺(tái)循環(huán)水泵，保持凝汽器單側(cè)的運(yùn)行方式，即凝汽器循環(huán)冷卻水量只減少四分之一的情況下，若此期間汽輪機(jī)冷端運(yùn)行參數(shù)(如排汽壓力、冷卻水溫度、流量等)在正常值范圍內(nèi)，則完全可將機(jī)組出力限制值提高15%以上，即汽輪機(jī)出力保持75%～80%額定負(fù)荷之間運(yùn)行是安全可靠的。

4 總結(jié)

凝汽器、循環(huán)水泵等設(shè)備是保證核電機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行方式會(huì)直接影響到汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。針對(duì)凝汽器單側(cè)運(yùn)行方式對(duì)機(jī)組產(chǎn)生的不利影響，通過(guò)系統(tǒng)性分析凝汽器、循環(huán)水泵的運(yùn)行特性及工藝系統(tǒng)設(shè)備相互之間的影響關(guān)系，并利用凝汽器單側(cè)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)操作和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)改進(jìn)是可以保證汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性，可以達(dá)到機(jī)組在運(yùn)行特殊工況下減少發(fā)電功率損失的目的。

1) 在凝汽器半側(cè)隔離操作試驗(yàn)過(guò)程中，在關(guān)閉一側(cè)凝汽器循環(huán)水進(jìn)出口蝶閥后，循環(huán)水泵出口壓力上升，水泵出口流量減少到50%～60%設(shè)計(jì)值之間變化，可見(jiàn)凝汽器在單側(cè)運(yùn)行方式下循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)工況有所不同；

2) 在不停循環(huán)水泵的情況下完成了凝汽器半側(cè)隔離操作的驗(yàn)證試驗(yàn)，且系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)都正常。經(jīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析凝汽器單側(cè)運(yùn)行時(shí)冷卻管內(nèi)的平均流速小于3 m/s，未超過(guò)設(shè)備廠(chǎng)家建議的限值，因此凝汽器單側(cè)運(yùn)行方式優(yōu)化后系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行是安全可靠的；

3)借鑒核電站同行運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，在特殊工況運(yùn)行期間的汽輪發(fā)電機(jī)組出力限制可根據(jù)凝汽器真空度、循環(huán)冷卻水流量等實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)確定，因此在不停循環(huán)水泵條件下的凝汽器單側(cè)運(yùn)行期間，建議可維持汽機(jī)出力在75%～80%額定負(fù)荷之間運(yùn)行。