核电厂辅助蒸汽系统汽源优化分析.pdf

收稿日期:作者简介:苗 壮()男工程师 现从事核电厂运行技术支持工作核电厂辅助蒸汽系统汽源优化分析苗 壮李 明张武武罗俊杰(山东核电有限公司烟台 核动力运行研究所武汉)摘要:核电机组使用蒸汽转换系统提供辅助蒸汽 三代压水堆核电机组选择主蒸汽减压后的蒸汽作为辅助蒸汽系统的汽源但会造成蒸汽品位的降低 在核能综合利用的大背景下为了提升机组二回路效率从高压缸排汽作为辅助蒸汽汽源的角度进行了经济性、反应堆衰变热影响和运行方式调整的分析确定高压缸排汽作为辅助蒸汽汽源的经济性和可行性为后续核电机组效率提升改造或设计提供参考或方案关键词:辅助蒸汽高压缸排汽主蒸汽反应堆衰变热轴封蒸汽分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.().:前 言在“双碳”目标指引下核能在发电、供热、海水淡化、制氢等方面有着广阔的发展前景 海阳核电先后建成投产我国首个核能供热商用示范工程、世界首个水热同传、水热同产同传项目 正常反应堆功率和发电机功率基本匹配如果开发核能综合利用会占用一部分反应堆功率发电机无法以额定功率运行所以提升核电机组二回路效率成为一个重要的研究课题 核电机组主蒸汽为湿蒸汽常规火电机组主蒸汽为过热蒸汽所以核电机组和常规火电机组在辅助蒸汽汽源选择上有所区别当前核电厂辅助蒸汽系统及用户的汽源优化主要从汽源选择经济性进行考虑本文从辅助蒸汽系统汽源用户汽源选择和可行性进行分析为核电机组辅助蒸汽汽源优化和选择提升核电机组二回路效率提供参考或方案 国内核电机组辅助蒸汽主要汽源设计现状 堆型核电机组设置蒸汽转换系统 减压后的主蒸汽作为蒸汽转换系统一次侧加热汽源蒸汽转换系统二次侧采用除盐水作为水源产生.、的低压辅助蒸汽作为辅助蒸汽系统的主要汽源 设置蒸汽转换器系统的目的是隔离辅助蒸汽与二回路的直接接触防止放射性污染 不考虑热损耗的情况下如果取消该系统不增加任何设备两台核电机组可节约建设成本 万元 由于蒸汽转换器系统故障率较高同时为了降低运行和维护成本法国和德国共同研发的欧洲压水堆()也明确取消蒸汽转换器系统 三代压水堆核电机组辅助蒸汽系统目前均采用主蒸汽减压后的蒸汽作为辅助蒸汽的主要汽源 辅助蒸汽汽源选择以国内某三代核电机组辅助蒸汽系统为模型对辅助蒸汽系统汽源选择进行分析.辅助蒸汽系统概述辅助蒸汽管网流程如图 所示核电机组辅助蒸汽用户的用汽需求见表 除氧器、轴封蒸汽和热水加热系统为单台机组各自配备 厂区内换热器、和 消耗为两台机组共用正常由一台机组供第 卷 第 期汽 轮 机 技 术.年 月.图 辅助蒸汽管网流程图汽另外一台机组作为备用汽源 热水加热系统和厂区内换热器只在供暖期供汽非供暖季停运 表 辅助蒸汽用户单位:/用 户工 况反应堆停 运反应堆功率小于 反应堆启动功率小于 正常功率运行除氧器 轴封蒸汽 热水加热系统厂区内换热站/疏水消耗 总计 注:厂区内换热站、/是由两台机组的辅助蒸汽系统公共管网带载()除氧器在反应堆功率小于 前使用辅助蒸汽加热除氧器使压力达到定压运行的压力.(温度约)并维持在该压力下 在反应堆功率小于 前随着给水流量增加辅助蒸汽用汽量逐渐增加 当反应堆功率大于 后除氧器的加热汽源由辅助蒸汽切换至高压缸排汽()轴封系统在机组启动期间凝汽器抽真空前使用辅助蒸汽为轴封蒸汽提供汽源保证凝汽器真空 当一回路冷却剂平均温度达到 时轴封汽源切换为主蒸汽 当汽轮机功率达到 时高压缸可以实现自密封但低压缸轴封还需要被持续供汽()热水加热器系统辅助蒸汽作为热水加热系统的唯一汽源主要为机组通风处理单元提供热水供暖季维持厂房或房间温度()厂区内换热站根据供暖区域厂内设置辅助锅炉房换热站和二号换热站供暖季为全厂供暖 换热站的汽源取自辅助蒸汽系统.热经济性分析核电机组额定工况下反应堆功率 汽轮发电机出力 蒸汽发生器产汽量/主汽阀前蒸汽参数、辅助蒸汽参数、高压缸排汽参数见表 表 二回路蒸汽参数名 称蒸汽压力蒸汽温度蒸汽湿度蒸汽焓值/主汽阀前蒸汽.辅助蒸汽 高压缸排汽.热再热段抽汽.表 中热再热段抽汽为高压缸排汽进入汽水分离再热器后的再热蒸汽由于蒸汽焓值较高不考虑作为辅助蒸汽的汽源使用 高压缸排汽和辅助蒸汽压力和温度参数接近所以只对主蒸汽减压和高压缸排汽两个辅助蒸汽汽源进行对比分析 根据公式:.()式中 为增加的发电机出线端的发电机功率 为辅助蒸汽平均消耗量/为节省的理想比焓降/汽轮发电机组相对电效率取 考虑辅助蒸汽系统用户使用、运行疏水、冬季供热等因素根据表 按照两台机组每个换料周期平均辅助蒸汽消耗量/估算使用高压缸排汽作为辅助蒸汽汽源发电机可增加功率为.一个换料周期可提高发电量.高压缸排汽作为辅助蒸汽汽源可行性分析()蒸汽品位差异性分析主蒸汽减压后的辅助蒸汽和高压缸排汽的辅助蒸汽存在蒸汽品位的差别 主蒸汽减压后的蒸汽品位高且湿度低但高压缸排汽品位低且湿度高 对于加热汽源的用户如除氧器、热水加热系统、换热站等无影响轴封蒸汽对温度有限制要求部分电厂使用电加热器组件提高轴封供汽温度但会引起厂用电增加 常规要求任何情况下轴封蒸汽的过热度 轴封蒸汽压力为.对应的饱和温度为.如果过热度为 则对应焓值为./参见表 高压缸排汽给轴封供汽不满足轴封蒸汽的品位要求为了保证汽轮机轴封汽源满足要求由主蒸汽减压后的蒸汽提供轴封蒸汽 根据图 当汽轮机停机或停堆主汽阀关闭高压缸排汽作为主要汽源的辅助蒸汽系统汽源中断需将辅助蒸汽系统汽源切换至相邻机组或辅助锅炉供汽根据核电机组运行规程要求反应堆停堆时也需要把轴封系统汽源切换至辅助蒸汽供汽如果相邻机组供汽也采用高压缸排汽方式会使供汽汽源无法满足轴封要求 当反应堆停堆后根据图 通过停堆机组的主蒸汽减压后的蒸汽向轴封系统提供汽源 针对该种情况需分析反应堆停堆后对主蒸汽的影响()停堆后对主蒸汽供应的影响为分析机组停堆后对主蒸汽供应的影响以该机组某个换料循环(等效满功率天)反应堆停堆后的衰变热变化为例根据公式:汽 轮 机 技 术 第 卷()()式中 为产生蒸汽量/为一回路衰变热 为主蒸汽焓值/为主给水焓值/当停堆时间达到 堆芯衰变热约为.反应堆热态零功率下不考虑 主泵运行产生的热量及散热损失利用反应堆衰变热可产生约./的蒸汽流量反应堆衰变热可提供反应堆达临界前机组启动期间的轴封系统的蒸汽供应 反应堆停堆 后堆芯衰变热随时间变化趋势如图 所示图 反应堆停堆 后衰变热变化趋势机组停堆后的乏燃料衰变热计算方法主要包括 .、/、程 序 计 算 等 方法 文献利用 程序对给定工况下停堆后堆芯总衰变热随停堆时间的变化进行分析寿期初与寿期末之间在差别在 随着停堆时间的增加衰变热的大小与堆芯运行时间呈正相关选取该机组燃耗初期、燃耗中期及燃耗末期 个时间反应堆停堆后衰变热随停堆时间变化的数据见表 衰变热变化趋势对比如图 所示 表 停堆后衰变热变化单位:停堆时间.反应堆停堆后衰变热随时间变化趋向于稳定值通过主蒸汽减压可在停堆后的时间段内满足轴封系统的供汽要求但需关注堆芯衰变热的变化保证轴封系统正常运行()运行方式优化高压缸排汽作为辅助蒸汽汽源后辅助蒸汽的汽源可以取自本机组主蒸汽、高压缸排汽、相邻机组辅助蒸汽或辅助电锅炉在机组正常运行期间为了提高效益使用高压缸排汽图 衰变热变化比较作为辅助蒸汽汽源供给辅助蒸汽系统用户使用 机组除氧器加热汽源使用高压缸抽汽主蒸汽减压的蒸汽为汽轮机轴封提供蒸汽由于高压缸排汽不满足轴封蒸汽的品位要求在机组启动时优先使用相邻机组主蒸汽减压后的蒸汽作为辅助蒸汽为轴封系统、除氧器、热水加热系统、厂区内换热器、等用户提供蒸汽 在一回路冷却剂平均温度达到 时轴封系统由辅助蒸汽供汽切换为主蒸汽供汽如图 所示在机组功率达到 后可以由启动机组减压后的主蒸汽作为辅助蒸汽公共管网的备用汽源 当反应堆功率大于 时除氧器汽源由辅助蒸汽切换至高压缸抽汽 由于厂区内换热站及热水加热系统等用户无蒸汽参数要求当机组功率稳定后可将两台机组的高压缸排汽作为辅助蒸汽汽源当汽轮机停机后辅助蒸汽系统需切换至主蒸汽减压作为汽源 由于反应堆功率还维持在 所以不影响轴封蒸汽的供应不会因为轴封蒸汽失去导致凝汽器真空破坏当反应堆停堆后通过反应堆衰变热产生热量主蒸汽可以为轴封系统长时间提供蒸汽 为了避免反应堆停堆时间过长、轴封蒸汽失去可将相邻机组主蒸汽减压后蒸汽作为辅助蒸汽系统的汽源并同时作为轴封系统的备用汽源另外在核电机组临界前的调试阶段由于反应堆内无衰变热所以还需选择主蒸汽减压或辅助电锅炉提供辅助蒸汽汽源.反应堆影响分析压水堆核电机组的反应堆功率控制方式为“堆跟机”主蒸汽压力是影响堆机匹配的重要参数 汽轮机第一级压力信号会转化为一回路参考平均温度和汽轮机负荷汽轮机第一级压力影响反应堆功率调节系统、蒸汽排放控制系统和汽轮机负荷调节系统 高压缸排汽抽汽量引起的汽轮机第一级压力曲线偏差需要在安全分析限值以内 其它核电堆型适用性分析针对不同类型的核电机组由于高压缸排汽量增加需要从核电机组设计裕量和设备裕量角度重新评估如果核岛用户对汽源品位要求较高需接近饱和蒸汽不接受高湿度蒸汽供汽 为了满足高湿度辅助蒸汽的正常供应可在供汽线路设置汽水分离器去除蒸汽中的湿度处理后的蒸汽干度达.可满足部分用户的要求对于部分核电机组高压缸排汽蒸汽品位相对较高和火电厂辅助蒸汽系统的配置相似 该类核电机组高压缸排第 期苗 壮等:核电厂辅助蒸汽系统汽源优化分析 汽的蒸汽品位可以满足汽机轴封蒸汽的供汽品位要求所以高压缸排汽作为辅助蒸汽系统的主要汽源 主蒸汽减压后的蒸汽作为轴封系统的主要汽源辅助蒸汽系统可直接作为轴封系统的备用汽源 结 论()在满足设计和设备裕量的前提下核电机组低品位的高压缸排汽作为辅助蒸汽系统的新增汽源是可行的可提高发电机输出功率增加发电收益()对于低品位的核电汽轮机高压缸排汽选择高压缸排汽作为辅助蒸汽系统汽源需对运行方式进行调整保证机组安全可靠启动和停运()高压缸排汽作为辅助蒸汽汽源需考虑安全分析限值及辅助蒸汽用户的要求保证电厂系统的安全稳定运行参 考 文 献 邢 继高 力霍小东等.“碳达峰、碳中和”背景下核能利用浅析.核科学与工程():.吴 放.我国碳达峰、碳中和进程中核能的地位和作用.核科学与工程():.胡 娜.核电机组辅汽及轴封供汽汽源综合经济改造.能源研究与管理():.赵巍巍.核电汽轮机轴封供汽系统的优化设计.吉林电力():.广东核电培训中心.压水堆核电站系统与设备.北京:原子能出版社:.兰 花.关于 核电站常规岛取消 系统的讨论.中国电机工程学会核能发电分会 年学术年会论文集三亚:中国电机工程学会核能分会:.赵福强祝洪青易朝晖.海阳核电一期 机组主要热力系统设计特点.节能技术():.孙汉虹程平东缪鸿兴等.第三代核电技术.北京:中国电力出版社.阳 欧高 扬.电加热器在超超临界机组轴封系统中的应用.汽轮机技术():.武心壮夏 栓.核电机组抽汽供热经济性分析.汽轮机技术():./.:/.:.(.):.廖 玮张敏杰田 宇.典型压水堆停堆后衰变热分布变化规律研究.河南科技():.王世勇张卫东石英等.核电厂机堆匹配主要接口参数优化.汽轮机技术():.粘志宇杨乃林张铭洋等.核电机组辅助蒸汽系统优化研究.电力勘测设计():.(上接第 页)总压损失系数沿叶展的分布曲线可以看到当来流攻角变化时栅后的总压损失系数分布曲线变化幅度很小 除近端壁处二次流动造成的高损失区域以外约 至 的叶展上节距平均的总压损失系数大约只有 说明叶型具有优良的气动效率图 叶栅出口节距平均的总压损失系数沿叶展的分布曲线本文所讨论的哈汽公司 超超临界汽轮机已有台机组运行于神华国华九江发电有限责任公司 广州粤能电力科技开发有限责任公司分别于 年 月和 月对 号机组和 号机组进行了性能验收试验以考核机组的各项经济技术指标是否达到合同规定的要求 试验结果表明:在机组额定工况下号机组和号机组的高压缸效率分别达到了.和.满足了合同规定的要求同时也验证了多级小焓降气动设计方法的有效性 结 论综上所述本文所进行的理论研究、验证试验以及机组设计运行实践表明:()多级小焓降叶片气动设计方法能够有效地提升汽轮机通流部分的效率尤其适用于端壁二次流损失和叶顶漏气损失占总损失比重较大的高压通流部分()对于一个确定的根径来说对应着一个可以获得最高效率的最佳级数 根径逐渐降低时最佳级数逐渐增加可以获得的最高效率逐渐提升()随着级数的增加(根径的降低)多级小焓降叶片设计方法对通流效率的积极影响在逐渐削弱 在实际的工程设计中并不是级数越多(根径越低)越好而是要综合各方面的因素进行现实的考量参 考 文 献 邹正平等.航空燃气轮机涡轮气体动力学:流动机理及气动设计.上海:上海交通大学出版社:.:.王仲奇等.弯扭联合成型叶片研究阶段的总结.中国航空学会(动力)第四届叶轮机学术研讨会论文集.汽 轮 机 技 术 第 卷