核電常規(guī)島主要輔機的配置

20世紀90年代，自大亞灣核電站開通以來，中國在本世紀初先后修建了1000mw和1200w原子能項目。1000MW級核電常規(guī)島的主機目前主要有兩種,即西門子機組和阿爾斯通機組,國內(nèi)為其配置了其中絕大部分的高壓加熱器、低壓加熱器以及一部分凝汽器和除氧器。本文主要介紹這兩種機組常規(guī)島主要輔機,即高壓加熱器、除氧器、低壓加熱器和凝汽器的配置及其特點。1高壓加熱1.1機組設置及運行西門子機組和阿爾斯通機組的高壓加熱器(以下簡稱高加)均按汽輪機額定工況作為設計保證工況,汽輪機調(diào)門全開(VWO)工況作為校核工況。水側(cè)的通流能力滿足110%銘牌工況的流量。高加疏水為逐級自流,6號高加正常疏水排至除氧器;另外設危急疏水管,危急疏水經(jīng)水位調(diào)節(jié)閥直接排入凝汽器的疏水擴容器或立管,或直接排入凝汽器背包。高加以額定工況參數(shù)進行換熱面積設計,在此基礎上額外增加堵管裕量。6、7號高加單列隔離時,機組能夠連續(xù)運行,其中35%給水流量通過旁路,65%給水流量流經(jīng)運行中的另一列高加。所以管側(cè)最大流速需考慮額定工況及單列高加隔離后的特殊穩(wěn)態(tài)工況,以避免換熱管的沖刷損壞。1.2特征性1.2.1雙列高加的合理性核電機組的常規(guī)島,給水流量比常規(guī)火電大得多。常規(guī)1000MW超超臨界火電機組給水流量為820kg/s左右,而1000MW核電機組的給水流量大于1600kg/s,1000MW核電機組的給水流量基本上是1000MW火電機組的2倍。對于1000MW核電機組來說,選擇雙列高加更為合理,主要原因為:(1)由于給水流量太大,如果采用單列高加,其直徑將會更大。上海外高橋1000MW超超臨界火電機組的單列高加,其傳熱管為碳鋼管,高加直徑將近3m。目前1000MW核電機組的雙列高加,其傳熱管均采用不銹鋼管,其殼體直徑均已達2.4m左右。如果核電1000MW機組的高加采用單列,雖然由于其傳熱管采用不銹鋼管可以提高給水流速,但高加的直徑也將達到3.4m左右。直徑3.4m左右的單列高加和直徑2.4m左右的雙列高加相比,其高加材料的成本和制造難度將大幅度增加。(2)單列高加和雙列高加相比,雖然可以簡化高加系統(tǒng),降低操作和維修的難度,但是存在著很大的風險。由于核電1000MW機組的高加一般都采用大旁路,如果采用單列布置,一旦高加故障將造成整個高加系統(tǒng)解列,使進入核島的給水溫度大幅降低,將會對核島的安全運行造成很嚴重的影響,是核電機組所不能承受的。1.2.2過熱蒸汽冷卻段的設置一般火電機組的高加大多采用三段式布置,即一個高加內(nèi)包含有過熱蒸汽冷卻段、蒸汽凝結(jié)段和疏水冷卻段。但核電高加一般不設置過熱蒸汽冷卻段,主要是高加的加熱抽汽和火電機組相比,根本就沒有過熱度,其主蒸汽進汽輪機高壓缸時,已是接近飽和的微濕蒸汽,經(jīng)過高壓缸幾級做功后其濕度更加升高。一般情況下進高加的蒸汽濕度已達10%,甚至更高,因此沒有必要在高加內(nèi)再設置過熱蒸汽冷卻段。1000MW核電機組配置的僅帶有蒸汽凝結(jié)段和疏水冷卻段的高加見圖1。1.3高加系統(tǒng)的輔助問題目前1000MW核電高加系統(tǒng)均采用大旁路,其主要目的是為了減少閥門投資,簡化系統(tǒng),便于運行和維護。1.4tp499材料特性火電機組高加U形傳熱管的材料一般采用碳鋼?？紤]到核電機組高可靠性要求,目前國內(nèi)1000MW核電機組高加U形傳熱管都采用不銹鋼,但采用何種不銹鋼作為傳熱管材料,目前有兩種觀點:一種是采用奧氏體不銹鋼,另一種是采用鐵素體不銹鋼。采用奧氏體不銹鋼的理由是奧氏體不銹鋼的防沖蝕性能高于鐵素體不銹鋼。高加殼體內(nèi)管子密布,蒸汽的流速較高,管子長期受濕蒸汽的沖蝕,極易泄漏,一旦泄漏后果將較為嚴重,所以采用奧氏體不銹鋼較好。采用鐵素體不銹鋼的理由是經(jīng)實驗證明鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼在防蒸汽沖蝕方面性能相近。鐵素體不銹鋼的耐氯化物腐蝕比奧氏體不銹鋼好,耐硫化物腐蝕也比奧氏體不銹鋼稍好;耐氨間隙腐蝕、耐Fe/Mn腐蝕、抗氫脆等相同;唯一較差的是防氧腐蝕性能。但鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼均為不銹鋼材質(zhì),且使用的介質(zhì)都是除氧后的給水和汽輪機抽汽,不存在氧腐蝕的可能性。究竟采用哪種不銹鋼材料作為傳熱管比較好,必須對兩種材料的各項性能進行綜合比較。TP439材料彈性模量數(shù)值較TP304大,意味著在設計加熱器管束時無支持間距可以放大;同時TP439材料導熱系數(shù)也較大,在200℃情況下TP439材料導熱系數(shù)比TP304提高約25%,可使管束的總體傳熱系數(shù)得到提高,在有限的廠房條件下使設計的加熱器更為緊湊。再以平均熱膨脹系數(shù)衡量,TP439更接近碳鋼,而給水加熱器管板常用碳鋼或低合金碳鋼,管子與管板脹接后,在運行工況下管子外壁與管板孔不易產(chǎn)生過大的間隙應力。一般高加在完成裝配和焊接后需在600～650℃間進行退火,以消除各種殘余應力;而該退火溫度恰巧是在奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的敏化溫度區(qū)間,對TP304不銹鋼十分不利。而TP439鐵素體不銹鋼在600～650℃溫度區(qū)間不會產(chǎn)生敏化現(xiàn)象,可有效避免發(fā)生晶間腐蝕的可能。但TP439為有縫管,在管子和管板脹接時,由于其材料的特性的限制,必須采取適當措施。10年前國內(nèi)就已經(jīng)普遍采用TP439作為核電機組高加的傳熱管材。西門子機組和阿爾斯通機組的高加系統(tǒng)稍有不同。西門子機組7號、6號高加的加熱源有兩股高壓缸抽汽、水分分離再熱器(MSR)二級加熱器和一級加熱器的疏水;阿爾斯通機組7號、6號高加的加熱源只有一股高壓缸抽汽、MSR二級加熱器和一級加熱器的疏水。2氧氣消除裝置2.1除氧器出口溶氧量的確定國內(nèi)核電1000MW機組的除氧器以汽輪機額定工況為基準,在VWO工況時能安全可靠地運行。在負荷突變與汽輪機跳閘等所有負荷工況中,除氧器都能安全平穩(wěn)地運行,并無水擊、過大的噪聲、振動與變形等現(xiàn)象發(fā)生;在機組跳閘情況下,除氧器能預防蒸汽返流入汽輪機。正常運行時,加熱蒸汽由高壓缸排汽供應,除氧器采用滑壓運行,加熱蒸汽進口管道不設調(diào)節(jié)閥。為防止除氧器滿水時向汽輪機進水,并由此引起汽輪機超速,在加熱蒸汽管道上設置逆止閥和電動隔離閥。除氧器的最大容量不小于蒸汽發(fā)生器最大連續(xù)蒸發(fā)量的105%時所需要的給水量(或最大給水量),并能滿足異常工況的需求。在正常工況下,機組功率在25%～100%時,除氧器出口溶氧的質(zhì)量分數(shù)必須≤5×10-9。汽輪機跳閘、甩負荷、低負荷等瞬態(tài)工況時,使用主蒸汽維持除氧器壓力,以保證除氧器的除氧效果。2.2除氧器的運行及控制在機組啟動時,加熱蒸汽由輔助蒸汽提供。上述核電機組的無頭式除氧器,絕大多數(shù)都是采用1200t/h大噴嘴。無頭式除氧器的除氧原理是:將大噴嘴置于水箱內(nèi)部進行初步除氧,初步除氧率可達70%～80%,然后通過水面下的蒸汽分配裝置(鼓泡管)完成最終除氧,可在10%～110%的負荷內(nèi)安全可靠地運行。1000MW核電機組除氧器的主要參數(shù)見表1。目前國內(nèi)的1000MW核電除氧器基本上都選用單體臥式無頭式除氧器,其主要優(yōu)點是能降低基礎的載荷和節(jié)省廠房空間。除氧器的儲水容量太大,除氧器設備的成本增加,且質(zhì)量和長度增加,導致對廠房的投資增加;儲水量太小,機組的安全運行得不到保證。目前除氧器的儲水量沒有統(tǒng)一的規(guī)定,但儲水時間的長短和機組的運行及控制水平有關,國內(nèi)火電機組大多是5～10min,國內(nèi)300MW和600MW核電機組為5min,1000MW核電機組現(xiàn)在一般都約3.7min,芬蘭EPR1700MW核電機組儲水量卻為1min。由于儲水量小,其除氧器的直徑、長度和質(zhì)量都大大減小。表2是芬蘭EPR除氧器的參數(shù)。2.3凝汽器接受的旁路排汽量過目前各1000MW核電項目除氧器的不同在于除氧器是否接受旁路運行時的排汽。陽江1000MW核電工程除氧器不接受旁路排汽,汽輪機甩負荷時,85%額定工況排汽經(jīng)旁路全部進凝汽器;由于凝汽器接受的旁路排汽量很大,對凝汽器要求很高。而方家山等1000MW核電項目規(guī)定,在下列負荷變化時除氧器須接受汽輪機旁路排放的蒸汽:(1)由滿功率甩負荷至廠用電。(2)滿功率時,汽輪機脫扣而不緊急停堆。(3)滿功率時,汽輪機脫扣同時反應堆緊急停堆。排向除氧器的流量為12.4%額定流量,即200.06kg/s,汽輪機旁路前參數(shù)為:p=6.43MPa,t=280.1℃。由于除氧器分擔了一部分旁路的排汽,凝汽器僅接受72.6%的額定工況排汽量,大大減輕了凝汽器的壓力。除氧器接受12.4%額定流量的旁路排汽,必須考慮除氧器的瞬時壓力飛升和超壓問題。3低壓處理廠3.1設計保證工況1000MW核電機組的低壓給水加熱器(以下簡稱低加)為臥式表面式換熱器,雙列布置;凝汽器內(nèi)低加列數(shù)和凝汽器殼體數(shù)相同。低加按汽輪機額定工況作為設計保證工況,VWO工況作為校核工況,并備有5%的堵管裕量。水側(cè)的通流能力滿足110%銘牌工況的流量。單列3號、4號低加隔離時,50%流量通過旁路;也允許短時間隔離兩列3號、4號低加運行。低加的管側(cè)設計壓力,按凝結(jié)水泵在最小流量下的出口壓力計算,并留有相應裕量?，F(xiàn)國內(nèi)的1000MW核電機組低加的設計壓力均取3.5MPa。低加的設計還需考慮真空狀態(tài)下的外壓校核。3.2采用鐵素體不銹鋼抗氯離子腐蝕現(xiàn)國內(nèi)的1000MW核電低加的傳熱管均采用不銹鋼。和高加相同,對于采用何種不銹鋼作為傳熱管,也有兩種觀點:一種是采用鐵素體不銹鋼,另一種是采用奧氏體不銹鋼。采用鐵素體不銹鋼作為傳熱管的理由是:低加鄰近凝汽器,由于凝汽器冷卻管的泄漏,將導致凝結(jié)水氯離子含量增高;如采用奧氏體不銹鋼作為傳熱管,由于其抗氯離子腐蝕的性能差,容易導致低加管子損壞;而鐵素體不銹鋼抗氯離子腐蝕的性能優(yōu)異,傳熱系數(shù)也可提高,所以建議采用鐵素體不銹鋼作為低加傳熱管的材料,東芝公司就是一例。采用奧氏體不銹鋼作為傳熱管的理由是:奧氏體不銹鋼雖然抗氯離子腐蝕的性能差,但凝汽器泄漏畢竟只是一種事故工況,泄漏的海水量也很有限;而且凝汽器本身配有泄漏檢測裝置,能及時發(fā)現(xiàn)海水泄漏,不致影響到低加管子的腐蝕。事實也證明國內(nèi)的300MW、600MW和1000MW機組的低加都使用奧氏體不銹鋼作為傳熱管,已有30年以上的運行經(jīng)驗,至今還沒有發(fā)生過一起由于凝汽器泄漏、凝結(jié)水含氯量升高導致低加損壞的事故。而如果使用鐵素體不銹鋼作為傳熱管,由于低加的進水直接來自凝汽器,凝結(jié)水沒有經(jīng)過除氧,鐵素體不銹鋼的抗氧腐蝕的性能相對于奧氏體不銹鋼來說較差,容易在長期的運行中發(fā)生氧腐蝕,所以應當選擇奧氏體不銹鋼作為低加傳熱管材料,大亞灣阿爾斯通機組即采用奧氏體不銹鋼管作為低加的傳熱管。目前國內(nèi)的1000MW核電機組和海陽1200MW核電機組低加,其傳熱管材料也都選用了奧氏體不銹鋼。3.3疏水排放的方案西門子和阿爾斯通的1000MW核電機組4號低加均采用帶疏水冷卻段、其他低加為凝結(jié)段的形式。兩種型式機組的低加系統(tǒng)有下列三點不同:(1)西門子1000MW核電機組的4號低加的疏水逐級自流到3號低加,3號低加的疏水由疏水泵直接打到3號低加出口的凝結(jié)水管道。而阿爾斯通1000MW核電機組的4號低加疏水排至3號低加的疏水箱,擴容后的疏水和3號低加的疏水一起,經(jīng)疏水泵打到3號低加出口的凝結(jié)水管道,在疏水箱中擴容后的蒸汽則接到3號低加的汽側(cè)。(2)西門子1000MW核電機組的2號和1號低加的疏水都排向一個共有的疏水冷卻器,疏水經(jīng)回收熱量后再排向凝汽器的立管。而阿爾斯通1000MW核電機組的2號低加疏水排向疏水箱,經(jīng)擴容后的疏水排向凝汽器,蒸汽進入1號低加,回收熱量。1號低加的疏水直接排向凝汽器。(3)西門子1000MW核電機組的4號和3號低加的出口溫度端差均為2K,4號低加的疏水溫度端差為5.6K,都在常規(guī)設計標準和美國HEI標準規(guī)定的范圍之內(nèi)。而阿爾斯通1000MW核電機組的4號和3號低加的出口溫度端差均為1K,4號低加的疏水溫度端差為3.24K,似和常規(guī)的設計標準和美國的HEI標準建議的數(shù)據(jù)相違。4冷凝裝置4.1復合鈦板的冷卻水系統(tǒng)設計陽江等1000MW核電項目所配的凝汽器為雙殼體、單流程,凝汽器采用鈦管和復合鈦板。額定工況下,冷卻水溫度分別為25℃和24.8℃,冷卻水流速≤2.4m/s,冷卻水流量為60m3/s,管子的清潔系數(shù)為0.9,設計規(guī)范是HEI第10版。要求出口凝結(jié)水溶氧的質(zhì)量分數(shù)為2.0×10-8。4.2主要特點4.2.1熱井的密封和空冷區(qū)的布置改進后的管束布置:(1)保證汽流有足夠的流通通道,降低了蒸汽的流動速度、流動阻力。熱井上部足夠的通道保證了凝結(jié)水的回熱和除氧。(2)空冷區(qū)布置在管束的下部中心,有更好的冷卻性能,確保不凝結(jié)氣體的抽出。(3)由于蒸汽流動和分布的均勻性,有優(yōu)異的傳熱性能。管束的總體傳熱性能高于美國HEI標準。4.2.2凝汽器振動的控制殼體設計時考慮了凝汽器在最惡劣工況下管子的振動,陽江等項目均考慮了額定工況、凝汽器單邊運行工況、旁路開啟工況下凝汽器管子的振動問