初廣宇，冉志超

（1.中核遼寧核電有限公司，遼寧 葫蘆島 125000；2.中核霞浦核電有限公司，福建 寧德 352000）

0 引言

隨著核電技術(shù)水平的不斷提高，核電實(shí)現(xiàn)更清潔、安全、高效發(fā)展，在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前，全國(guó)運(yùn)行核電裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)54 000 MW，預(yù)計(jì)2025年運(yùn)行與建設(shè)的核電站裝機(jī)容量將超過(guò)100 GW。在核電站中，二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)較為復(fù)雜，汽輪機(jī)組運(yùn)行情況對(duì)整個(gè)核電站機(jī)組運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性影響較大。因此，做好二次循環(huán)冷卻核電汽輪機(jī)選型工作，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)[1-3]表示設(shè)備選型是提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，促進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能化發(fā)展的關(guān)鍵路徑，汽輪機(jī)作為電力系統(tǒng)重要設(shè)備，其合理選型對(duì)提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、可靠性、穩(wěn)定性存在積極影響。文獻(xiàn)[4-6]指出“安全+經(jīng)濟(jì)”已成為新時(shí)期汽輪機(jī)選型基礎(chǔ)原則，在此原則指導(dǎo)下，冷端優(yōu)化成為汽輪機(jī)選型優(yōu)化主要方向，而在冷端優(yōu)化中，最小年費(fèi)用法得到普遍認(rèn)可。但由于核電二次循環(huán)冷卻方式與火電循環(huán)冷卻方式、核電直流循環(huán)冷卻方式處在一定差異，在汽輪機(jī)組選型過(guò)程中需要綜合考慮的因素較大，應(yīng)立足實(shí)際情況進(jìn)行確定。

本文以某二次循環(huán)冷卻核電機(jī)組工程為例，在冷端優(yōu)化理論指導(dǎo)下就汽輪機(jī)選型問(wèn)題進(jìn)行了探究，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)選出最佳二次循環(huán)冷卻核電汽輪機(jī)選型方案，希望能夠?yàn)槎窝h(huán)冷卻核電機(jī)組工程研究與實(shí)踐提供參考，促進(jìn)核電機(jī)組建設(shè)質(zhì)量提高，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)效益最大化提升。

1 工程項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某核電站工程項(xiàng)目規(guī)劃新增兩臺(tái)容量為1 000 MW 核電機(jī)組，根據(jù)相關(guān)規(guī)定與要求，設(shè)計(jì)運(yùn)用ACNP1000 技術(shù)進(jìn)行建設(shè)，以保障核電機(jī)組穩(wěn)定、安全運(yùn)行。該工程項(xiàng)目所在地溫度范圍-1～39 ℃，年均溫度約為24 ℃，大氣壓力范圍97～103 kPa，相對(duì)濕度范圍75%～87%，平均相對(duì)濕度約為80%。核電機(jī)組采用二次循環(huán)冷卻方式。

2 二次循環(huán)冷卻核電汽輪機(jī)選型情況分析

2.1 選型特征與優(yōu)化方向

多數(shù)研究與實(shí)踐證明二次循環(huán)冷卻核電汽輪機(jī)冷端條件對(duì)二次循環(huán)冷卻核電機(jī)組投建效益具有直接影響[7]。在二次循環(huán)冷卻核電機(jī)組工程建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)核電站汽輪機(jī)選型研究，以有效提高核電機(jī)組建設(shè)效益。而在二次循環(huán)冷卻核電汽輪機(jī)選型研究過(guò)程中，需要對(duì)其特征與優(yōu)化方向具有一定的了解。

隨著核電技術(shù)水平的不斷提高，核電汽輪機(jī)選型原則已經(jīng)由高度重視汽輪機(jī)運(yùn)行安全發(fā)展為安全與經(jīng)濟(jì)并重。在此原則指導(dǎo)下，核電汽輪機(jī)選型優(yōu)化成為新時(shí)期核電站工程建設(shè)考慮的重點(diǎn)與熱點(diǎn)問(wèn)題?？v觀已有電力系統(tǒng)汽輪機(jī)組優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可從流通結(jié)構(gòu)、氣缸結(jié)構(gòu)優(yōu)、凝汽器配置等多個(gè)方面進(jìn)行冷端優(yōu)化，以達(dá)到所需效果。國(guó)內(nèi)核電機(jī)組目前多采用模塊化設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，且基于核電機(jī)組運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性考慮，核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)較為單一，在一定程度上使核電汽輪機(jī)通流級(jí)數(shù)得以確定，所以在應(yīng)用冷端優(yōu)化理論進(jìn)行二次循環(huán)冷卻核電汽輪機(jī)選型時(shí)，需要著重考慮汽輪機(jī)組背壓、排汽面積等因素。通常情況下，汽輪機(jī)組背壓一定，排汽面積與排汽余速損失負(fù)相關(guān)[8]。核電汽輪機(jī)組選型過(guò)程中，可通過(guò)降低汽輪機(jī)組背壓，增加排汽面積，減少排汽余速損失，增加核電汽輪機(jī)組出力，提高核電汽輪機(jī)組發(fā)電功率。但值得注意的是，二次循環(huán)冷卻核電站工程中，二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)受自然條件影響較大，為避免自然條件影響，無(wú)法做到真正進(jìn)行極限背壓設(shè)計(jì)[9]。與此同時(shí)，汽輪機(jī)背壓越低，預(yù)示著在汽輪機(jī)選型時(shí)需要增加氣缸數(shù)量，或凝汽器面積，或其他裝置，這在一定程度上增加了汽輪機(jī)冷端優(yōu)化投資成本，不利于冷端優(yōu)化目的達(dá)成。因此，二次循環(huán)冷卻核電汽輪機(jī)選型時(shí)，需要立足核電站工程實(shí)際情況，系統(tǒng)分析不同汽輪機(jī)配置方案。與此同時(shí)，二次循環(huán)冷卻核電機(jī)組設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮調(diào)峰能力問(wèn)題，加之核電機(jī)組流量大，常變負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致其具備帶基本負(fù)荷運(yùn)行特征。在二次循環(huán)冷卻核電汽輪機(jī)選型時(shí)需要綜合考慮與比較工程投資費(fèi)用、汽輪機(jī)運(yùn)行費(fèi)用、核電機(jī)組發(fā)電效益等。

2.2 冷端優(yōu)化的目的與方法

冷端優(yōu)化的目的在于尋找最佳汽輪機(jī)配套組合方案，在保證汽輪機(jī)安全、可靠運(yùn)行的同時(shí)，最大程度提高汽輪機(jī)投資與運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益，滿(mǎn)足新時(shí)期核電站汽輪機(jī)“安全+經(jīng)濟(jì)”的設(shè)計(jì)需求。冷端優(yōu)化要求相關(guān)工作人員能夠綜合考慮核電工程現(xiàn)場(chǎng)條件、汽輪機(jī)冷端設(shè)備費(fèi)用、汽輪機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用、核電機(jī)組發(fā)電收益等，并能夠通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，從眾多選型方案中尋找出最佳汽輪機(jī)選型方案，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵、凝汽器、冷卻塔等相關(guān)裝置的合理設(shè)計(jì)與科學(xué)配置[10]。

在二次循環(huán)冷卻核電機(jī)組中，汽輪機(jī)冷端優(yōu)化可采用最佳真空理論對(duì)核心設(shè)備主要參數(shù)進(jìn)行科學(xué)組合，如汽輪機(jī)背壓、冷卻塔面積、凝結(jié)器面積等。理論上提高凝汽器真空可在一定程度上增加汽輪機(jī)組發(fā)電功率，獲得較好發(fā)電效益。但是在實(shí)踐中并非凝汽器真空越大，電功率增加幅度越大，在電力系統(tǒng)中凝汽器真空的增加可引起循環(huán)水泵耗功率的增加，因此只有協(xié)調(diào)好電功率與耗功率增加值差距，才能獲取最佳效益。對(duì)此，本文將電功率與耗功率等增加值差距最大時(shí)對(duì)應(yīng)的凝汽器真空視為最佳真空。影響凝汽器最佳真空的因素眾多，如循環(huán)水費(fèi)、排汽阻力、凝汽器水管壁清潔系數(shù)、循環(huán)水流量、凝汽器材質(zhì)等。在汽輪機(jī)型式一定時(shí)，通常根據(jù)飽和蒸汽溫度（tc）確定凝汽器真空，計(jì)算公式[11]為：

式中：tw1為二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻水進(jìn)口溫度；ht為核電汽輪機(jī)排汽比焓；hc為凝汽器凝結(jié)水比焓；m、qmw分別為二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)循環(huán)水冷卻倍率與質(zhì)量流量；At與K分別為凝汽器面積與總熱傳系數(shù)。

汽輪機(jī)冷端優(yōu)化的關(guān)鍵在于經(jīng)濟(jì)效益最大化。因此，在汽輪機(jī)選型過(guò)程中，多采用最小年費(fèi)用法進(jìn)行計(jì)算。主要是指將汽輪機(jī)投資與運(yùn)行成本折算到核電機(jī)組年總費(fèi)用（CNF）中，年總費(fèi)用越小說(shuō)明汽輪機(jī)選型方案經(jīng)濟(jì)效益越高。計(jì)算公式[12]為：

式中：P為核電汽輪機(jī)冷端優(yōu)化總投資費(fèi)用；CAFCR為核電汽輪機(jī)冷端優(yōu)化每年固定分?jǐn)偮?，由資金回收系數(shù)CR、大修費(fèi)率加稅率CMR構(gòu)成；Ap與At分別為水泵電耗費(fèi)用、汽輪機(jī)微增功率收益；i為核電汽輪機(jī)冷端優(yōu)化工程投資回收率；n為核電汽輪機(jī)冷端優(yōu)化工程經(jīng)濟(jì)年限。

以往采用最小年費(fèi)用法對(duì)汽輪機(jī)選型方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)時(shí)，凝汽器真空參數(shù)多為確定值，側(cè)重于Ap、At等計(jì)算。但是在二次循環(huán)冷卻核電站汽輪機(jī)選型過(guò)程中，尚不確定凝汽器真空，加之二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，冷端優(yōu)化受影響因素較多，這就需要在計(jì)算過(guò)程中需要考慮更多因素?；诮?jīng)驗(yàn)歸結(jié)，關(guān)于二次循環(huán)冷卻核電站汽輪機(jī)選型的冷端優(yōu)化，需要考慮因素主要有汽輪機(jī)組型式、循環(huán)水冷卻倍率、循環(huán)水泵配置情況、凝汽器配置情況、冷卻塔配置情況等。因此，關(guān)于二次循環(huán)冷卻核電汽輪機(jī)冷端優(yōu)化計(jì)算的公式[13]：

式中：ΔP與ΔA′t分別為汽輪機(jī)型式差異引起的投資差與假定條件下汽輪機(jī)組型式差異引起的軸功率差異費(fèi)用。

2.3 選型初步方案

根據(jù)核電站工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求、以往工作經(jīng)驗(yàn)、汽輪機(jī)制造能力、工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)條件、相關(guān)設(shè)計(jì)要求等，初步設(shè)計(jì)“三缸四排汽單背壓”、“三缸四排汽雙背壓”“四缸六排汽多背壓”選型方案，分別用“方案一”、“方案二”、“方案三”、“方案四”表示。4 種方案設(shè)計(jì)工況排氣質(zhì)量流量范圍3 573～3 596 t/h，機(jī)組功率范圍1 224～1 253 MW，設(shè)計(jì)背壓范圍5.06～6.60 MW，焓降范圍2.170 kJ/kg～2 180 kJ/kg。以冷端優(yōu)化理論為指導(dǎo)，系統(tǒng)分析不同類(lèi)型機(jī)組情況，考慮冷卻倍率與機(jī)組排汽存在的關(guān)系以及自然條件對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響，設(shè)計(jì)冷卻倍率44～68 范圍內(nèi)。汽輪機(jī)選型過(guò)程中，關(guān)于循環(huán)水泵，設(shè)計(jì)1臺(tái)機(jī)組配備4臺(tái)循環(huán)水泵，循環(huán)水泵房、循環(huán)水泵系統(tǒng)以及相關(guān)配套設(shè)施投資則按照工程概算計(jì)算，循環(huán)水泵運(yùn)行過(guò)程中耗電電價(jià)按照上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)計(jì)算；關(guān)于循環(huán)水冷卻管，設(shè)計(jì)選用DN3600 混凝土預(yù)應(yīng)力管與DN3800 混凝土預(yù)應(yīng)力管，凝汽器冷卻管壁厚在0.5 mm左右；關(guān)于凝汽器，設(shè)計(jì)根據(jù)核電汽輪機(jī)型式、汽輪機(jī)設(shè)計(jì)背壓等合理選擇凝汽器類(lèi)型，初步確定凝汽器計(jì)算總換熱面積在64 000～142 000 m2范圍內(nèi)，考慮5%堵管率確定凝汽器面積在643 200～149 100 m2范圍內(nèi)；關(guān)于冷卻塔，設(shè)計(jì)運(yùn)用高位集水冷卻臺(tái)，與機(jī)組的配置比例為1:1，綜合考慮各方面影響因素，初步確定冷卻塔面積在10 900～23 500 m2范圍內(nèi)[14]。利用年總費(fèi)用最小法從4 種類(lèi)型汽輪機(jī)配置方案中選出最佳方案，可得表2 所示汽輪機(jī)選型方案。

2.4 選型方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)情況分析

2.4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)過(guò)程中涉及到的相關(guān)指標(biāo)如表1所示。

表1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)主要指標(biāo)

2.4.2 計(jì)算結(jié)果

由表2 數(shù)據(jù)可知，以方案一為基準(zhǔn)方案，經(jīng)年費(fèi)用最小法計(jì)算，結(jié)果顯示方案2年總費(fèi)用最低，其次是方案四、方案三。方案二與方案四相對(duì)于其他兩種方案而言，經(jīng)濟(jì)效益較高，但從實(shí)際角度來(lái)看，受機(jī)組建設(shè)技術(shù)水平、前期準(zhǔn)備工作、初投資情況等多種因素影響，方案二實(shí)現(xiàn)的可行性較低，具體表現(xiàn)為三缸四排汽雙背壓所采用的葉片供應(yīng)商有限，國(guó)內(nèi)技術(shù)成熟度較其他三種方案低；本工程項(xiàng)目屬于重啟項(xiàng)目，部分構(gòu)件已經(jīng)投入生產(chǎn)制造，選擇方案二已經(jīng)生產(chǎn)的構(gòu)件無(wú)法再利用，選擇方案二將在一定程度上增加投資成本。因此，從二次循環(huán)冷卻核電汽輪機(jī)整體投建角度來(lái)看，方案二投資與運(yùn)行費(fèi)用要高出方案四。因此，在本工程項(xiàng)目中，方案四最適宜。

表2 不同汽輪機(jī)選型方案計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

基于冷端優(yōu)化理論進(jìn)行二次循環(huán)冷卻核電汽輪機(jī)合理選型可有效提高汽輪機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益。本工程項(xiàng)目中，立足二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)特征，系統(tǒng)分析影響核電機(jī)組運(yùn)行因素，如冷卻塔因素、凝汽器因素等，通過(guò)最佳真空理論、最小年費(fèi)用法等運(yùn)用，得出不同汽輪機(jī)選型方案，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，確定四缸六排汽多背壓方案經(jīng)濟(jì)效益最高，且能夠滿(mǎn)足工程項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行需求。從本次探究結(jié)果分析可知，在同類(lèi)型工程建設(shè)過(guò)程中，相關(guān)工作人員進(jìn)行汽輪機(jī)選型時(shí)，應(yīng)注重冷端優(yōu)化理論的引入與使用，能夠通過(guò)冷端優(yōu)化，促進(jìn)汽輪機(jī)組運(yùn)行效益提高，滿(mǎn)足新時(shí)期對(duì)核電站高質(zhì)量發(fā)展的需求。