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核电三背压凝汽器抽真空系统设计分析

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  [内容摘要] 根据国家能源政策,我国开始规划建设内陆核电站,而内陆核电站若采用三背压凝汽器方案,国内尚无三背压凝汽器抽真空系统设计实践,本文根据内陆核电依托项目的依托,对三背压凝汽器抽真空系统的设计提出探索性意见。
  [关键词]内陆,核电站;抽真空系统;三背压;凝汽器;简化设计
  
  1 引言
   汽轮机组运行时,在汽轮机排入凝汽器的蒸汽中含有一些不凝结气体,它们包括漏入汽轮机真空系统的空气、化学补充水和低压加热器疏水在凝汽器内逸出的气体等。在凝汽器中,汽轮机排汽不断的凝结,不凝结气体不断的被“浓缩(含汽比例不断减少)”,并流向凝汽器的空气冷却区,“浓缩”后的不凝结气体必须及时的抽走。否则不凝结气体不仅占有凝汽器的汽侧空间,影响蒸汽凝结,降低真空,导致机组的出力和经济性降低。而且其中的氧气、二氧化碳气体会对换热管束产生腐蚀,并增加凝结水的过冷度,还使氧气、二氧化碳等气体溶于凝结水,影响凝结水的品质。机组正常运行时凝汽器汽侧抽真空系统会持续抽出不可凝气体,保持凝汽器的真空。因此,必须综合考虑抽真空系统的初始造价、机组运行经济性、运行可靠性和系统布置等因素,选择合理的抽真空系统配置方案。本文针对某内陆核电项目原则性热力系统的配置,遵照凝汽器抽真空系统的相关设计标准,对抽真空系统方案的拟定、比选和最终方案的确定进行详细阐述。
  2 工程概况
   某内陆核电厂规划容量为4×1250MWe 级核电机组。厂区一次规划,分期建设。本期工程建设规模为2×1253.09Mwe核电机组。反应堆堆型为美国西屋公司的AP1000 先进型压水堆,汽轮发电机为东方动力集团生产的1253MW 级机组。循环水采用二次循环形式。凝汽器冷却面积为138006m2,启动抽真空容积为6600m3,采用三背压、三壳体、单流程结构,循环水冷却水依次流经三台凝汽器。 抽真空系统须及时抽出三台背压不同的凝汽器壳体中的不凝结性气体,在循环水系统正常运行时,保持各凝汽器壳体在额定背压下运行。
  3 抽真空系统相关设计依据
   如《HEI》表面式凝汽器第6.5.2节所述,机组正常运行时,每个凝汽器壳体设置独立的抽气设备(即并联抽气系统)。当多壳体凝汽器机组采用单一的抽气系统时(即串联抽气系统),每个壳体漏入的空气量会不相等,冷却管的脏污程度不同,冷却管内的冷却水流量也不相同,而且每个凝汽器壳体之间的管道压损不等,导致部份不凝结气体积聚在低压壳体中,各壳体的压力将在最高背压壳体的压力处于平衡状态,引起多壳体凝汽器最终的凝结水出口含氧量水平增高。对于多壳体凝汽器应考虑采用独立的抽气设备或其它措施,以保证充分抽气。即凝汽器每个壳体采用独立的抽气设备,机组采用并联方式的抽真空系统。
  4 方案比较
   根据HEI标准规定,结合火电机组的双壳体双背压凝汽器运行经验,确定凝汽器每个壳体采用互相独立的抽气设备,即机组采用并联方式抽真空系统。本文将列出四种并联抽真空的系统配置方案,并对每种方案的系统运行性能、系统初期投资、系统中设备的占地面积、启动抽真空时间、电机功率等进行分析,比选出最合理的配置方案。
  4.1 四种真空泵配置方案介绍
  4.1.1 方案一:配置4×33.3%真空泵,三运一备,不设固定备用
  
  图1 3运1备(无固定备用)方案系统简图
  4.1.1.1 系统特点
   本方案的优点:抽真空系统仅设置四台33.3%容量的真空泵,初期投资较少,占地面积较小。
   本方案的缺点:系统运行的控制逻辑复杂,可靠性和安全性较低。
   系统正常运行工况下,为避免四台真空泵因长期运行而过度磨损,须定期切换备用真空泵,让四台真空泵轮流停运,并对停运真空泵进行检修和维护,因此系统运行时须定期切换,四只动力隔离阀动作较为频繁,损坏几率较大,一旦四只动力隔离阀中任何一只故障无法动作,都将造成整个系统无法正常在四种工况之间切换,严重时将造成三台凝汽器壳体之间连通,使中、低压壳体的运行压力逐渐升高,并在高压壳体的压力处处于平衡状态,引起多壳体凝汽器最终的凝结水出口含氧量水平增高,使机组运行出力减少、经济性降低,凝结水含氧量升高,对凝结水管道造成不利影响。
  4.1.1.2 方案评价结论
   本方案的控制逻辑复杂,仪控联锁控制设计繁琐,与AP1000核电厂简化系统设计,以提高系统可靠性和稳定性的设计思想不相符。系统内的设备只存在相互依存的关系,完全不具有独立性,当系统中某些设备(如抽真空母管上的动力隔离阀)故障停运时,将导致整个系统无法正常切换、甚至不能正常运行。
   本方案配置的抽真空系统在系统运行的可靠性和稳定性上存在缺陷,发生故障的几率较大;若采用本方案,将影响整个机组运行的稳定性和安全性。因此,建议不采用本方案。
  4.1.2 方案二:配置4×33.3%真空泵,三运一备,设固定备用
  
  图2 3运1备(固定备用)方案系统简图
  4.1.2.1 系统特点
   本方案的优点:抽真空系统仅设置四台33.3%容量的真空泵,初期投资较少,占地面积较小;控制逻辑与方案一相比有一定的简化。
   本方案的缺点:虽然控制逻辑较简单,但设置了易发生故障的动力隔离阀,使系统运行的可靠性和稳定性降低。设置固定备用真空泵,机组运行期间无法对运行真空泵定期进行检修和维护,造成运行真空泵过度磨损,使用寿命缩短。
  4.1.2.2 方案评价结论
   本方案的控制逻辑简单,但是由于在真空泵以外还设置了三只动力隔离阀,影响了系统运行的可靠性和稳定性,三个不同背压的凝汽器壳体的抽真空子系统之间仍不具有完全的独立性,系统运行期间三个凝汽器壳体的壳侧仍然可能发生连通。另外,本方案设置固定备用真空泵,机组运行期间无法对运行各真空泵定期进行检修和维护,造成运行真空泵过度磨损,使用寿命缩短,造成设备使用浪费。因此,建议不采用本方案。
  4.1.3 方案三:配置5×33.3%真空泵,三运两备,设固定备用
  
  图3 3运2备(固定备用)方案系统简图
  4.1.3.1 系统特点
   本方案的优点:设置五台33.3%容量的抽真空泵,总容量为167%,系统能在较短的时间内完成启动抽真空;控制逻辑与方案三相比有一定的简化。
   本方案的缺点:动力阀之间的联锁关系繁琐,系统运行的可靠性和安全性较低;过多的设置旁路支管和动力阀门,给系统的布置造成了极大的困难;设置固定备用真空泵,机组运行期间无法对运行真空泵定期进行检修和维护,造成运行真空泵过度磨损,使用寿命缩短。本方案中备用泵的切换过程与方案二类似,此处不做详细说明。
  4.1.3.2 方案评价结论
   本方案的控制逻辑简单,但是由于在真空泵以外还设置了六只动力隔离阀,影响了系统运行的可靠性和稳定性,三个不同背压的凝汽器壳体的抽真空子系统之间仍不具有完全的独立性,系统运行期间三个凝汽器壳体的壳侧仍然可能发生连通。另外,本方案设置固定备用真空泵,机组运行期间无法对运行各真空泵定期进行检修和维护,造成运行真空泵过度磨损,使用寿命缩短,造成设备使用浪费。另外,设置五台真空泵在初期投资上较之设置六台真空泵,也没有明显的优势,且增加了设置六只动力隔离阀的额外投资,因此,建议不采用本方案。
  4.1.4 方案四:配置6×33.3%真空泵,每两台独立对应一个凝汽器壳体,每个壳体的真空泵一运一备

  
  
  
  图4 3运3备方案系统简图
  4.1.4.1 系统特点
   本方案的优点:系统控制逻辑简单,在真空泵设备包之外不单独设置动力隔离阀,提高了系统运行的可靠性和稳定性;每个凝汽器壳体都单独配置一个抽真空子系统,三个子系统之间完全独立,因此,在系统运行时不会出现凝汽器壳体的壳侧连通的工况;真空泵无固定备用,每个子系统内的两台真空泵定期切换,定期对真空泵进行检修、维护,有利于延长真空泵的使用寿命;而且由于三个凝汽器壳体对应的抽真空泵相对独立,对于真空泵的布置方式比较灵活,可集中布置,也可将分别布置每壳体的两台真空泵,提高厂房空间的利用率。六台容量33.3%的真空泵启动抽真空阶段全部投运,总容量达到200%,可在较短的时间内完成启动抽真空。
   本方案的缺点: 初期投资相对增多,总占地面积较大。
  4.1.4.2 方案评价结论
   本方案为每个凝汽器壳体设置单独的抽真空子系统,满足HEI标准的要求;真空泵设备以外,不单独设置动力隔离阀,简化了系统的控制逻辑,符合AP1000核电厂简化系统设计,以提高系统可靠性和稳定性的设计思想;另外,本方案初期投资多,占地面积大的缺点对整个系统的设计影响不大,在下文的方案比选中将详细论述。综上所述,建议采用本方案。
  4.2 方案比选
   根据东方汽轮机厂提供的资料,遵照HEI标准要求,计算出的真空泵选型初参数如表3所示。
   真空泵厂家依照表3中的参数进行真空泵初步选型,给出单台真空泵售价、电机功率、启动抽真空时间及真空泵外形图,具体参数比照如表4所示:
  表3真空泵选型参数表
  
  
  
  表4 方案比选参数表
  方案名称 真空泵台数(台) 运行真空泵台数(台) 总造价
  
  
  
   注:1、本表中列出的参数为单台机组的统计参数。
  2、某核电工程为三壳体单背压凝汽器,机组采用串联方式的抽真空系统。
  
   如表4所示,方案四与其他三种方案相比,六台真空泵的总造价虽有提高,但是差距不大,在系统选型设计可接受的范围内;且方案四将整个抽真空子系统分为三个相互独立的子系统,各子系统的设备和管道布置相互独立,互不影响,因此方案四在布置上具有更好的灵活性,有利于整个抽真空系统在厂房内合理布置,结合抽真空系统设备及管道在厂房内的布置情况,确定方案四的系统设置能满足抽真空系统在厂房内的布置要求,而且表4中列出的造价未考虑其它方案中增加的动力隔离阀及其控制系统对系统总造价和布置造成的影响,因此方案四在总造价和总占地面积上的劣势可不予考虑。方案四中六台真空泵电机总功率虽然较大,但是正常运行工况下,只有三台真空泵运行,电机总功率为330kW;启动抽真空阶段和故障工况下,电机总功率才达到660 kW,而系统绝大部分时间处于正常运行工况,因此功耗不多。此外,采用方案四,机组的启动抽真空时间最短,仅为20分钟,能在机组的启动阶段迅速建立真空。
  5 结论
   根据HEI设计标准中关于凝汽器抽真空系统选型设计有关规定的要求,基于AP1000核电厂简化系统设计,提高系统可靠性和稳定性的设计思想,综合考虑系统运行的稳定性和可靠性、系统控制逻辑实现的难易程度、系统的布置、真空泵总造价、占地面积、电机功率、启动抽真空时间等因素,确定使用方案四――配置6×33.3%真空泵,每两台独立对应一个凝汽器壳体,每个壳体的真空泵一运一备,作为三背压凝汽器抽真空系统的配置方案。
  
  参考文献:
  [1] HEI, Standards for Steam Surface Condensers, 10th Edition, 2006.
  [2] Nuclear Regulatory Commission NUREG-0800, Standard Review Plan, Sections addressing "Condenser Air Removal System", 10.4.2, Revision 3, August 2007
  [3] DL/5000-2000. 火力发电厂设计技术规程,2001
  
  注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。


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