核电站凝汽器瞬态分析及控制逻辑优化.pdf

收稿日期:作者简介:丁佳鹏()男硕士研究生高级工程师 主要从事核电站常规岛及 机械设备的技术及管理工作核电站凝汽器瞬态分析及控制逻辑优化丁佳鹏(中广核工程有限公司深圳)摘要:某核电项目由于汽轮发电机组、凝汽器弹性支撑、汽轮机旁路蒸汽全部排至凝汽器等选型设计方案变化技术上较 核电典型设计存在明显差异原有“凝汽器故障”、“凝汽器不可用”逻辑控制技术方案需要设计优化 通过分析该核电项目技术方案计算、分析汽轮机跳机、核岛反应堆紧急停堆、旁路系统闭锁等工况下凝汽器参数变化规律研究满足此项目核岛蒸汽安全排放要求的技术方案解决主蒸汽系统、反应堆冷却剂系统管道瞬态工况下超压的设计问题关键词:瞬态计算汽轮机跳机反应堆紧急停堆闭锁旁路分类号:.文献标识码:文章编号:()():./.:前 言为保护汽轮机及凝汽器设备核电站凝汽器运行压力超过设计定值后(控制逻辑定义为“凝汽器不可用”信号)将禁止蒸汽旁路系统向凝汽器排放蒸汽 堆型要求核岛在“凝汽器不可用”信号发生前利用“凝汽器故障”信号提前跳堆跳堆后仍通过蒸汽旁路系统继续向凝汽器排放蒸汽至少 否则瞬态过程中将引起核电站反应堆冷却剂系统和主蒸汽系统压力超过设计压力(类工况)在.中明确规定:“在核电站寿命期内发生第类工况的次数不能超过 次”核电凝汽器瞬态分析主要是设计“凝汽器故障”信号设定值并计算验证核电站在故障情况下能否满足核岛设计方提出的“核岛跳堆后仍向凝汽器排放至少 蒸汽”的设计要求(核岛从接收“凝汽器故障”信号跳堆到接收“凝汽器不可用”信号的时间间隔至少大于)设计“凝汽器故障”信号设定值需综合考虑“凝汽器不可用”信号设定值、各故障工况特点、控制连锁等因素通过对不同工况及瞬态计算结果进行分析设计符合核岛安全排放要求的“凝汽器故障”信号定值 某核电项目由于采用西门子技术路线的汽轮发电机组、凝汽器采用弹性支撑、汽轮机旁路蒸汽全部排至凝汽器等选型方案原有“凝汽器故障”、“凝汽器不可用”相关技术方案已不适用 本文通过分析计算评估了凝汽器在瞬态情况下对旁路蒸汽的消纳能力设计了适用于该项目的“凝汽器故障”、“凝汽器不可用”控制逻辑方案 凝汽器瞬态工况分析对于核电站凝汽器变工况瞬态分析主要考虑 种故障工况:()非全厂失电情况下 台循环水泵停泵()旁路蒸汽系统喷淋冷却水供给失效()凝汽器及相关系统泄漏对于第()种工况均已设计“喷淋冷却水水压低延时发出凝汽器故障信号触发核岛跳堆”的控制逻辑 对于第()种工况凝汽器及相关系统一般的泄漏对凝汽器运行压力影响小凝汽器压力能被维持在某一较高运行范围仅影响电厂效率不会造成凝汽器压力高停机 即便发生较大的凝汽器真空泄漏凝汽器压力上升的速度有限也能满足核岛的安全排放时间要求 综上凝汽器瞬态分析主要针对工况:非全厂失电、台循环水泵同时停泵故障进行瞬态计算和凝汽器故障信号设定值设计该项目核电凝汽器瞬态分析较 典型设计有如下新特点:()凝汽器压力瞬态分析:上述第()种工况由于该项目采用旁路蒸汽系统()全排凝汽器设计方案、凝汽器及汽轮机容积的变化、循环水泵的优化选型及循环水瞬第 卷 第 期汽 轮 机 技 术.年 月.态流动的差异等需要对该项目凝汽器瞬态压力进行计算评估()凝汽器水位瞬态分析:由于该项目凝汽器采用弹性支撑若凝汽器在热态工况下水装量超过设计值将影响汽轮机及凝汽器的安全运行设备厂家要求凝汽器水位设置闭锁旁路控制逻辑凝汽器对旁路蒸汽的消纳能力受到限制需设计跳堆保护信号在凝汽器水位信号闭锁旁路前提前触发反应堆停堆并且停堆后满足核岛安全排放的时间要求 凝汽器瞬态计算及改进.凝汽器压力瞬态分析根据凝汽器相关系统设备的选型、运行控制过程、设定值等内容确定瞬态计算的边界条件和仿真计算方法主要涉及如下函数计算公式:()()式中 为旁路系统蒸汽排放流量 为瞬态时间 为凝汽器瞬态汽侧压力(与 存在对应关系)时刻凝汽器汽侧蒸汽比容 及压力 可按下式进行计算:()()/()()()()式中 为经 时间间隔凝汽器汽侧空间的蒸汽量变化 为旁路系统排放蒸气焓值/为凝汽器汽侧蒸气焓值/为循环水瞬态换热量 为轴封蒸汽流量 为轴封蒸汽焓值/为凝汽器汽侧体积 为汽侧密度变化量 为 时刻蒸汽比容利用上述计算公式并结合 换热系数计算公式、传热学公式、水蒸气热力参数函数关系式等进行迭代获得此项目凝汽器压力在()工况下的变化曲线如图 所示图 某项目凝汽器压力瞬态计算结果(初始状态额定工况循环水低潮位循环水泵停泵后凝汽器压力触发凝汽器故障信号)根据该项目 工况瞬态计算结果(图)触发反应堆停堆到闭锁旁路的时间间隔仅为 若翻版 典型设计无法满足核岛提出的安全排放时间要求(典型设计瞬态计算结果如图 所示)经分析论证为保证核岛安全排放要求防止反应堆冷却剂系统、主蒸汽系统瞬态管路超压问题出现需放宽“凝汽器故障”信号的产生增加“凝汽器故障”信号触发条件:即发生 台循环水泵同时停泵故障(取信号判断)尽快触发“凝汽器故障”信号送控制逻辑信号用于反应堆紧急停堆、跳机从而保证各工况下均能满足核岛的安全排放要求 按上述计算分析思路对该项目瞬态计算程序进行调整设定循环水泵停泵后延时某一固定时间后送出凝汽器故障信号触发汽轮机跳机、核岛反应堆紧急停堆可满足核岛的安排排放要求如图 所示图 典型设计凝汽器压力瞬态计算结果(初始状态额定工况循环水低潮位循环水泵停泵后凝汽器压力触发凝汽器故障信号)图 凝汽器压力瞬态计算结果(初始状态 工况循环水低潮位循环水泵停泵后延时 触发凝汽器故障信号).凝汽器水位瞬态分析图 阳江项目凝汽器弹性基础示意图由于该项目凝汽器采用弹性基础如图 所示增加了凝汽器水位闭锁旁路的逻辑设计在西门子最初的凝汽器水位控制设计方案中汽轮机跳机、闭锁旁路为同一水位定值即凝汽器水位上升至某一设定值后同时触发汽轮机跳机同时禁止旁路蒸汽排入凝汽器此种设计虽然有效地保护了凝汽器及汽轮机但无法满足核岛蒸汽的排放时间要求影响第 期丁佳鹏:核电站凝汽器瞬态分析及控制逻辑优化 后续核岛的安全运行由于 核电站核岛设计对旁路系统可用性存在要求该项目凝汽器水位闭锁旁路设定值需与汽轮机跳机设定值分开间隔宽度需根据凝汽器水装量截面积、汽轮机排汽量等参数确定经分析选取汽轮机满负荷、凝结水泵全部停运为设计计算工况此工况下凝汽器水位上升速度最快凝汽器水位从汽轮机跳机设定值上升至闭锁旁路水位设定值时间间隔需大于 相关公式为:()式中 为凝汽器闭锁旁路水位定值 为凝汽器跳机水位定值 为汽轮机旁路蒸汽排汽量/为凝结水密度/为凝汽器水装量截面积利用式()对阳江项目凝汽器水位闭锁旁路设定值与汽轮机跳机设定值间隔宽度进行计算最终确定图 所示的凝汽器水位控制设定值 凝汽器故障信号及不可用信号控制逻辑优化 根据上述凝汽器压力及水位的瞬态计算与分析优化凝汽器故障信号、凝汽器不可用信号相关控制逻辑并与 核电项目凝汽器故障信号进行对照见表 此项目凝汽器故障信号、凝汽器不可用信号相关控制逻辑优化主图 阳江项目凝汽器水位控制设定值要体现在:()凝汽器压力控制保护为满足核岛蒸汽安全排放的要求将循环水泵停泵信号引入凝汽器故障信号控制逻辑发生此类故障通过提前触发汽机跳机及反应堆跳堆延长反应堆跳堆后的蒸汽排放时间从而满足核岛蒸汽安全排放的时间要求 故障延时时间根据各工况的凝汽器瞬态计算结果最终确定()针对 系统故障同时发出汽轮机跳机、闭锁旁路指令特殊工况设计了延时 判断闭锁旁路的控制逻辑主要控制过程:当凝汽器压力高于汽轮机跳机设定值送出的凝汽器压力触发汽轮机跳机信号直接产生凝汽器故障信号送核岛反应堆紧急停堆控制保护产生凝汽器故障信号后的内禁止凝汽器不可用信号闭锁旁路系统在 表 凝汽器故障信号、凝汽器不可用信号控制逻辑对比项 目信号类别信号来源逻辑对比示意图某项目设计优化凝汽器不可用信号凝汽器故障信号凝汽器压力凝汽器水位凝汽器压力凝汽器水位 典型设计凝汽器不可用信号凝汽器故障信号凝汽器压力凝汽器水位凝汽器压力凝汽器水位(备注:通过瞬态计算分析凝汽器不可用信号与故障信号的时间间隔)无相关控制逻辑设计无相关控制逻辑设计(下转第 页)汽 轮 机 技 术 第 卷.如图 所示 当将 的气固混合物送入高加时对机组热耗和功率的影响分别为.和.图.工况下蒸汽回收送入高加.送入蒸汽吹灰系统回收蒸汽送入(或经减温减压)蒸汽吹灰系统对锅炉受热面上的积灰进行吹扫减少对屏式过热器或低温再热器的抽汽量 通过对 机组的主蒸汽参数和为吹灰系统提供汽源的低温再热器出口蒸汽参数计算当将.的气固混合物送入吹灰系统时对机组热耗和功率的影响分别为.和.当将 的气固混合物送入高加时对机组热耗和功率的影响分别为.和.推动小汽轮机做功回收蒸汽可以推动一台小型汽轮机进行做功如驱动一些风机降低厂用电消耗 该方案对机组经济性影响微乎其微但初始投资较高综合对比上述方案结合初始投资和热经济性影响将蒸汽进行汽固分离后送入高加是较为经济的选择 结 论研究了主蒸汽管道内的氧化皮颗粒捕集器得到如下结论:()捕集器的安装位置要考虑有较充裕的空间位置同时尽可能处于管路下游压力相对较低处保证其运行安全可靠性()机组启、停、快速升降负荷阶段此时应开启颗粒分离器()环形进口弯管捕集结构 可利用.流量的主蒸汽将 以上颗粒分离出主蒸汽叶栅工作寿命大幅提高()当将.的气固混合物分离后送入高加时对机组热耗影响为.热经济性较好参 考 文 献 ./.():.():.:.冯伟忠.超超临界机组蒸汽氧化及固体颗粒侵蚀的综合防治.中国电力():.:.():.徐亚涛张 磊张俊杰.汽轮机进汽固体颗粒捕集技术研究.山西电力():.(上接第 页)凝汽器真空低跳机产生的“凝汽器故障”信号 后如果 送出的凝汽器压力闭锁旁路控制要求同时存在将产生凝汽器不可用信号控制逻辑将停止向凝汽器排放核岛蒸汽当凝汽器液位跳机值被触发 系统送汽轮机跳机信号至 直接产生凝汽器故障信号送核岛反应堆紧急停堆控制保护产生凝汽器故障信号后的 内禁止凝汽器不可用信号闭锁旁路系统在凝汽器液位产生的“凝汽器故障”信号 后如果 送出的凝汽器压力闭锁旁路控制要求同时存在将产生凝汽器不可用信号控制逻辑将停止向凝汽器排放核岛蒸汽()系统与 系统传递凝汽器压力、凝汽器液位定值保护采用开关量确保了信号传递的稳定性并失效安全 结束语综上基于该项目较 典型设计的诸多差异通过对凝汽器水位、凝汽器压力进行瞬态分析和计算对凝汽器故障信号、凝汽器不可用信号相关控制逻辑进行了适应性调整和改进设计在确保凝汽器、汽轮机等重要设备的运行控制符合设备本身的设计要求前提下修改后的凝汽器故障、凝汽器不可用控制逻辑设计方案能够满足各工况下核岛蒸汽的安全排放要求此项目技术方案为 以及华龙一号核电站类似技术问题的解决提供了借鉴相关分析结果和控制逻辑已在部分 以及华龙一号核电站中成功应用参 考 文 献 广东核电培训中心编.压水堆核电站系统与设备(上册).北京:原子能出版社.姜成仁丁佳鹏.核电厂凝汽器故障信号定值的计算与分析.核动力工程():.杨世铭陶文铨.传热学.北京:高等教育出版社.第 期崇培安等:超超临界机组氧化皮捕集装置研究与分析