压水堆核电机组供热蒸汽转换系统技术浅析_钦书丽.pdf

69压水堆核电机组供热蒸汽转换系统技术浅析钦书丽 邓科 王强东方电气集团东方锅炉股份有限公司，成都 611731摘要：利用压水堆核电站二回路蒸汽热源与工业供水的换热，获得工业用蒸汽，实现核电站对外供应工业蒸汽的应用，蒸汽转换装置是供热系统实现工质热量交换的核心系统，其运行可靠性和换热性能的优劣对整个系统的安全性和经济性有重要影响。本文系统介绍了蒸汽转换系统的构成、工质流程、整体布置及关键换热设备结构设计特点。关键词：核电机组;核能供热；蒸汽转换系统；工业用蒸汽中图分类号：TK11.4文献标志码：A文章编号：1001-9006（2022）04-0069-05Technical Analysis of PWR Nuclear Power Plant Steam Transfer SystemQIN Shuli,DENG Ke,WANG Qiang（Dongfang Boiler Group Co.,Ltd.,611731,Chengdu,China）Abstract:By using the steam heat source of the secondary circuit of PWR nuclear power plant and the heat transfer ofindustrial water supply,the industrial steam can be obtained,and the application of industrial steam supply to theexternal of nuclear power plant can be realized.In the nuclear heating system,the steam conversion system is the coresystem to transfer heat energy from secondary circuit steam to water and steam.Its operation reliability and heatexchange performance have an important impact on the safety and efficiency of the whole system.In this paper,thesystem structure,working fluid flow design,system layout and the key equipment in detail of the steam conversionsystem are introduced systematically.Key words:nuclear power plant unit;nuclear heating;steam conversion system;industrial steam1收稿日期：2022-07-15作者简介：钦书丽（1981），女，本科，工程师。主要从事电站辅机的设计研发工作。我国能源结构以煤为主，燃烧化石能源带来的日益严峻的大气环境问题已成为社会关注的重点。目前，众多生产制造行业对高温高压蒸汽存在稳定的需求，如炼油厂、制药厂、炼铁厂以及造纸厂等高能耗企业，这些行业以自备热电厂和锅炉房的形式，以煤炭为主要燃料生产需要的工业蒸汽。而燃煤排放物粉尘、硫化物、氮氧化物以及二氧化碳是造成大气污染、雾霾和温室效应的主要原因。从当前技术水平看，核能是一种清洁、无空气污染的能源，而且其应用技术比较成熟，同时相较于水电、光电、风电，具有无间歇性、受自然条件约束少等优点，是可以大规模替代化石能源的清洁能源。以压水堆核电为例，产生的压力 6.02 MPa，温度 275.8 的高温高压蒸汽，除了用于发电，还可以通过供热系统，在物理隔离二回路介质并保证安全性的同时产生城市供热所需的蒸汽或热水、化工园区工业蒸汽1等，具有巨大潜力。利用核能供热虽已在国际上有成熟应用，但在我国仍处于起步阶段。随着我国核电机组数量的日益增加以及核能应用技术的不断发展，核能的多途径应用也已经较为成熟，目前国内外已有多个由核电机组为区域居民供热的案例，但是我国尚无核电站对外供应工业蒸汽的应用。本文通过对蒸汽转换系统2的设计研究，以压水堆核电机组为依托，利用二回路主蒸汽经工业蒸汽生产装置与工业供水的换热，获得工业蒸汽，通过蒸汽管网输送至用户，实现核电站对外供应清洁工业蒸汽的应用，开拓核能综合利用新途径，能够DOI:10.13661/ki.issn1001-9006.2022.04.01270提高核电厂热能的综合利用，同时对响应国家政策，带动核能产业多元化应用起到很好的示范作用。1蒸汽转换系统流程蒸汽转换系统主要流程为来自常规岛主蒸汽系统的主蒸汽与来自除盐水系统的除盐水换热产生高温蒸汽输送至工业蒸汽用户，具体流程如图 1所示。图 1 蒸汽转换系统流程示意图在整个系统流程中，来自常规岛主蒸汽系统的高压主蒸汽走管侧，来自除盐水系统的除盐水走壳侧。1.1 管侧流程由常规岛主蒸汽系统抽取部分主蒸汽通过主蒸汽管道接至蒸汽转换系统，经过过热器、蒸发器、预热器管侧流程在各设备内释放传递热量后变为凝结水，凝结水最终回收到常规岛凝结水系统。1.2 管侧控制说明过热器出口，蒸发器入口前设有调节阀，通过调节主蒸汽流量以匹配供汽需求。主蒸汽在蒸发器中释放热量后转变为凝结水，出口为过冷凝结水。蒸发器内部有凝结水缓存空间，蒸发器出口设置调节阀，控制凝结水水位。凝结水再依次经二级预热器、一级预热器预热给水后降至 5060 返回常规岛凝汽器。1.3 壳侧流程来自除盐水系统的常温除盐水由一级给水泵升压后经一级预热器加热后送入除氧器中除氧，再由二级给水泵升压后经二级给水预热器加热至接近饱和水送入蒸汽发生器，在蒸发器中发生相变，变为饱和蒸汽，经过蒸发器出口的汽水分离装置，饱和蒸汽进入过热器吸收主蒸汽释放的热量并转变为工业蒸汽，然后进入管网提供工业用户。1.4 壳侧控制说明除盐水经一级预热器预热后进入除氧器，除氧器定压运行，除氧器出水温度为运行压力下的饱和温度，加热蒸汽管道上设有调节阀，以产生的工业蒸汽为加热源。除氧水经二级给水泵升压后送入二级预热器预热，然后进入蒸发器。蒸发器入口设置流量调节阀，保证蒸发器水位。一级预热器和二级预热器为满水位运行，过热器无水位运行，蒸发器和除氧器按照设定的水位运行。蒸发器和除氧器上装有水位自动控制装置，蒸发器水位由对应的给水管道上的给水调节阀控制，除氧器水位由除氧器水位调节阀控制。2蒸汽转换系统设备结构设计特点蒸汽转换系统可根据供汽规模设置多套蒸汽转换设备并联布置，每套蒸汽转换系统的配置包括：1 台一级预热器、1 台二级预热器、1 台蒸发器、1台过热器以及系统内部所需的阀门和仪表控制装置，并设置 1 台共用除氧器，对蒸汽转换设备给水进行除氧，设置 1 台共用排污扩容器，收集各蒸发器的排污水并进行减温减压。2.1 一级预热器一级预热器布置在管侧热流体换热的末端，利用二级预热器管侧疏水的余热对常温除盐水进行加热，将除盐水加热至预设温度。一级预热器管侧介质进出口温差为 108，壳侧进出口温差为 120，进出口温差比较大，同时，由于冷流体（除盐水）的出口温度高于热流体（主蒸汽凝结水）的出口温度，如果选用普通的 U 形管换热器，管板热应力大，影响管板和换热管的使用寿命。此外，选用普通的两管程单壳程的 U 形管换热器还会导致温度交叉，传热效果差。为了解决这一问题，一级预热器设备有两种比较成熟可靠的结构设计方案可供选择：两台重叠串联的两管程两壳程 BFU 型换热器3或者发夹式换热器4。2.1.1 两台重叠 BFU 型预热器BFU 型换热器，带有纵向大隔板，避免温度交叉，相当于全逆流换热，采用两台串联布置，分两71步加热除盐水，使两台设备的温度梯度相当，可降低设备的温差应力，最终选型可以使两台换热器布置的长度大致相同。图 2 一级预热器外形图2.1.2 发夹式预热器发夹式换热器换热效率高，设备直径小，结构紧凑，同时纯逆流结构完美解决了温差应力大及传热过程中的因温度交叉逆向传热问题。图 3 发夹式预热器外形图2.1.3 选型比较表 1两种型式预热器对比项目两台串联 BFU 式单台发夹式热力计算较复杂较容易设备设计较复杂较简单设备规格壳径直径 D1 000 mm，U 形管长 1 000 mm;壳径直径 D900 mm，U 形管长 6 500 mm设备重量两台总重约 21.7 t约 18.2 t制造难度较容易较复杂(主要体现在管束装配和 U 形壳体制造)安装两台串联叠放，安装精度要求高较容易可靠性可靠性高，在设计、制造及运行等方面技术经验都比较成熟可靠性高，在光热系统、化工领域已积累较多设计、制造及运行等方面经验检修维护较容易，可实现抽壳检修难度较大，抽壳检修不易实现以单列系统产汽量为 200 t/h 为例，根据一级预热器的分配参数，对两种不同布置型式的预热器进行了设备结构设计计算，并通过两种设备规格及特点的对比，为设备选型提供依据。通过以上对比可知，与单台发夹式预热器相比，两台重叠串联 BFU 型预热器同样具有换热系数高，并在设计、制造、运行各方面经验都较丰富且整体成本低，易于抽壳检修等特点，推荐优先采用两台重叠串联 BFU 型预热器。2.2 二级预热器二级预热器布置在蒸发器管侧下游，利用蒸发器管侧疏水的余热进一步对除盐水进行加热，将除盐水加热至设定温度（低于饱和温度）。二级预热器管侧介质进出口温差约为 45，壳侧进出口温差约为 50，同样存在冷流体（除盐水）的出口温度高于热流体（主蒸汽凝结水）的出口温度的情况，选型考虑同一级预热器设备。二级预热器结构如图 4 所示。图 4 二级预热器结构简图2.3 蒸发器主蒸汽经过过热器换热后，再进入蒸发器加热给水，使给水相变为饱和蒸汽。蒸发器是整个系统的核心设备，正确的蒸发器选型5是系统稳定运行的保证。2.3.1 立式、卧式蒸发器选型比较（1）蒸发量比较：卧式结构提供了足够大的蒸发空间，有利于蒸发，适用于蒸发量需求相对较大的场合。立式结构因蒸发表面积狭小，蒸发量较小，运用受到一定限制；（2）蒸汽品质比较：立式结构气泡上升行程较长，蒸汽品质较好，适用于蒸发量小，蒸汽品质要求较高的场合；（3）振动分析：立式结构上部蒸发空间有限，气泡上升行程较长，且运动速度较高，频繁碰撞，易诱发振动。在管束布置、管板与换热管连接结构设计等方面，需考虑振动引起的不利影响，提高设备可靠性；（4）厂房布置要求：换热管内外均有相变的条件下，立式结构只能采用单流程结构，设备通常较高，厂房布置及检修将会十分困难，而卧式结构72场地布置简单，检修方便。图 5 立式蒸发器外形图图 6 卧式蒸发器外形图2.3.2U 型管、蛇形管蒸发器选型比较（1）蒸发器壳侧和管侧均有相变发生，若蒸发器选用蛇形管结构，则只能采用立式布置；（2）卧式蛇形管结构检修时，管内积水难以彻底排尽，管束易锈蚀。再次投运时，易出现水堵现象；（3）蒸汽发生器管侧进出口介质温差不超过60，管侧与壳侧温差不超过 70。蛇形管结构适用于大温差、高温、高压等特殊工况条件，主要优势为具备良好的热弹性。该系统蒸发器设备采用U 形管结构即可满足性能使用要求。采用 U 形管结构，管板设计厚度约 300 mm。由于管板并不厚，在各运行工况下，管板两侧及上下各位置温差较小，不会出现过大的热应力，可以满足设备长寿命使用要求。综上所述，从蒸发量、蒸汽品质、振动、厂房布置等多方面考虑，蒸发器采用卧式釜式结构表现更优，适应性更好。图 7立式蛇形蒸发器结构简图釜式蒸发器采用 U 形管管板式结构，管侧为加热蒸汽/凝结水，通过管内加热壳侧的除盐水发生相变，保持沸腾状态，顶部蒸汽出口设置汽水分离装置，提高出口蒸汽的干度，产生的饱和蒸汽进入过热器进一步加热至符合要求的工业蒸汽。根据设计参数，蒸发器管侧出口温度为过冷疏水，且低于蒸发温度，换热过程存在温度交叉和逆向传热的情况，要实现此功能常规布置至少需要三级换热才可达到。为了解决这个问题，本文采用一种新型高效蒸发器，兼具预加热、疏水调节和多级蒸发功能于一体。该蒸发器采用四管程分段设计，充分利用加热蒸汽的潜热，进一步降低疏水出口温度，提高了加热蒸汽的能量利用率，同时还从根本上解决设置多级换热设备带来的复杂布置和控制难问题。在结构布置上，对蒸发器布管及壳侧内部结构进行了特殊布置，管侧设有四管程双分程隔板，内部设有凝结水缓存空间，容积不小于 30 s 的凝结水流量，并装设液位测量装置，以控制凝结水水位，调节蒸汽流量，保证下游设备换热性能。蒸发器壳侧考虑换热分区设置，避免温度交叉影响设备性能，同时也设有液位测量装置，控制除盐水给水流量，保证蒸发器水位。蒸发器结构如图 8 所示。图 8 高效蒸发器结构简图2.4 过热器过热器为管侧主蒸汽换热的第一级，考虑到整个系统控制从简的原则，加热主蒸汽全流量通过过热器管侧，释放潜热加热壳侧蒸汽。设备选型综合考虑运行参数及工质特性，选型原则与预热器相同，采用常规 U 形管-管板式型式，结构相对比较简单，且在设计、制造、运行各方面经验都较丰富，是过热器设备的首选结构。过热器外形如图 9 所示。图 9 过热器外形图732.5 除氧器除氧器布置在一级预热器壳侧和二级预热器壳侧之间，以系统产出的工业蒸汽为加热源，对经过一级预热器预热后的除盐水进行除氧和加热，经二级给水泵升压后送入二级预热器预热。除氧器在蒸汽转换系统中为共用设备，配置一台，正常运行工况时，经过除氧的给水含氧量10 g/L。除氧器定压运行，采用内置式喷雾鼓泡一体化型式，结构简单，布置紧凑。除氧器结构6如图 10 所示。图 10 除氧器结构简图2.6 排污扩容器为控制蒸发器生产的工业蒸汽品质，蒸汽转换系统共用一台排污扩容器，收集各蒸发器的排污水并进行减温减压，最大排污量为给水量的 1%，同时接收系统启停、运行等过程中产生的疏水。排污扩容器通大气且接有一根水封管将排污水接到能源站热废水收集系统的工业蒸汽侧热废水坑。为方便系统布置，减少占地面积，排污扩容器采用立式布置。3系统布置方案蒸汽转换系统根据工质流程及设备特点采用分层布置，主要布置原则是：（1）根据供汽规模采用多套蒸汽转换设备并联布置，并考虑热备用问题，系统实际为 n+1 列设备长期运行。其中一列故障时，实现系统间的快速切换。（2）过热器和除氧器布置在能源站厂房内最高层，与蒸发器保持一定的高度差，蒸发器布置在中间层，一级预热器、二级预热器、排污扩容器布置在较低层，保证水动力的安全性。（3）壳侧除氧器布置较高位置，增加除氧器供水压头，减少给水泵选型成本，同时保证系统停运或事故工况时，给水泵具有一定的汽蚀余量。（4）工业蒸汽出口管道上设置辐射监测仪表，防止放射性物质释放到用户侧，同时系统内仪表阀门的布置充分考虑各设备安装及检修空间的要求。4结语蒸汽转换系统主要设备包括一级预热器、二级预热器、蒸发器、过热器、除氧器、排污扩容器，分别实现对除盐水的预热、加热、蒸发、过热和除氧、排污等功能。过热器和除氧器高位布置，蒸发器中间层卧式布置，预热器和排污扩容器低位布置。蒸发器采用釜式结构，高效四管程方案，管、壳侧均设置液位自动控制装置，一级预热器和二级预热器采用 BFU 结构，内部逆流布置，避免温度交叉，提高设备换热效率。其中一级预热器采用两台重叠串联 BFU 型式，避免端差过大，减小管板热应力，提升设备启停速率。合理设置系统整体布置及热备用的分列运行方案，既经济合理，又保证了蒸汽转换系统的安全运行。参考文献：1 王建强,戴志敏,徐洪杰.核能综合利用研究现状与展望J.中国科学院院刊,2019,34(4)：460-4682 成军,王立恒,张达等.一种用于压水堆核电机组的工业蒸汽生产系统:CN 111834026P.2020-10-273 GB/T1512014,热交换器S.北京:中国标准出版社,20154 钱颂文.换热器设计手册M.北京:化学工业出版社,20025 秦叔经,叶文邦.化工设备设计全书-换热器M.北京:化学工业出版社,20036 蔡锡琮,蔡文钢,火电厂除氧器M.北京:中国电力出版社,2007