核電廠淋水盤式除氧器保壓邏輯分析與優(yōu)化

段 鋒，李賢平，王樹義

（1. 核動力運行研究所，湖北 武漢 430223；2. 中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

核電廠淋水盤式除氧器保壓邏輯分析與優(yōu)化

段 鋒1，李賢平2，王樹義2

（1. 核動力運行研究所，湖北 武漢 430223；2. 中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

文章介紹了核電廠淋水盤式除氧器的主要作用、除氧原理，詳細分析了淋水盤式除氧器的結(jié)構(gòu)及瞬態(tài)工況時，除氧器壓力下降速率的要求。通過實例分析，提出了紅沿河核電項目淋水盤式除氧器關(guān)于保壓邏輯觸發(fā)方式、觸發(fā)定值、壓降控制曲線、補水流量曲線和復(fù)位方式的優(yōu)化方案。結(jié)果表明經(jīng)過優(yōu)化后的淋水盤式除氧器保壓邏輯的安全性、可靠性更高。

淋水盤式除氧器；除氧器原理；壓降速率；保壓邏輯

在核電廠以及火力發(fā)電廠的設(shè)備系統(tǒng)中，除氧器是電廠系統(tǒng)的重要輔助設(shè)備。隨著高參數(shù)大容量發(fā)電機組的發(fā)展，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，單機容量的增加使得對整個機組運行的經(jīng)濟性、安全可靠性的要求更高，對除氧器性能的要求也愈來愈嚴格［1］。文章主要介紹紅沿河核電項目采用的淋水盤式除氧器主要作用和除氧原理，分析了淋水盤式除氧器的結(jié)構(gòu)及瞬態(tài)工況時，除氧器壓力下降速率的要求。通過實例分析，介紹了紅沿河核電廠淋水盤式除氧器保壓邏輯的優(yōu)化方案，優(yōu)化后淋水盤式除氧器保壓邏輯保證了保壓邏輯的正確觸發(fā)、保壓過程中實現(xiàn)除氧器壓降速率滿足要求和保壓邏輯結(jié)束后的正確復(fù)位。

1　除氧器簡介

1.1除氧器的主要作用［2］

1）運行實踐證明，給水中溶解的氧氣對熱力設(shè)備以及管道等都會產(chǎn)生腐蝕。因此，在正常運行時，要求給水的含氧量小于5×10-9。為此，對給水必須進行除氧。

2）通過除氧器中的水位與給水泵、啟動給水泵安裝位置的高度差，為給水泵、啟動給水泵提供一個正的吸入壓頭。

3）瞬態(tài)時，除氧器中的貯水能夠暫時地向蒸汽發(fā)生器供水。

4）接收高壓加熱器的疏水排汽以及汽-水分離再熱器的疏水、蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)再生式熱交換器的冷卻水、蒸汽旁路排放系統(tǒng)第四組閥門排放的蒸汽、主給水泵以及啟動給水泵的再循環(huán)水、蒸汽轉(zhuǎn)換器疏水箱的疏水。

1.2除氧器的原理［2］

除去水中溶解氧的主要方法有熱力除氧和化學除氧。核電廠中除氧器采用熱力除氧法。

熱力除氧是將除氧器內(nèi)的水散播成微細的水柱或微薄的水膜，同時將高溫蒸汽引入除氧器；高溫蒸汽將與水直接接觸，將水加熱到飽和溫度，使水中溶解的氧逸出。由于水流細小，形成的表面積大，氧氣易于逸出，達到充分除氧的目的。

除氧器中的物理過程遵循道爾頓分壓定律和亨利定律：

1）道爾頓分壓定律：任何一個容器內(nèi)混合氣體的總壓力等于各種組成氣體分壓力之和，對于除氧器來說：

式中：Pd、Ps、Pa分別為除氧器混合氣體總壓力、蒸汽分壓力、空氣分壓力。

2）亨利定律：容器內(nèi)水中溶解的氣體量與水面上該氣體的分壓力成正比。

根據(jù)以上兩個定律，若在等壓下將水加熱至沸點，使得蒸汽的分壓力Ps幾乎等于水面上的總壓力，即Ps=Pd，則空氣的分壓力Pa趨近為零。這就意味著空氣在水中含氧量趨近于零，達到除氧的目的。

為了確保除氧效果，除氧過程中還必須滿足以下條件：

1）除氧器內(nèi)凝結(jié)水的溫度必須加熱到與除氧器內(nèi)壓力相對應(yīng)的飽和溫度；

2）及時排出凝結(jié)水中析放出來的氣體，防止氣體在除氧器內(nèi)聚積使空氣的分壓力提高，影響除氧效果；

3）盡可能擴大凝結(jié)水與加熱蒸汽的接觸面積，加快加熱過程，故進入除氧器的凝結(jié)水應(yīng)噴成霧狀，加大接觸面積，改善加熱效果；

4）除氧器要有足夠大的空間，保證凝結(jié)水與加熱蒸汽之間的熱交換有足夠的時間，使得氣體有足夠的時間從水中逸出；

5）運行中應(yīng)盡量保持除氧器的壓力穩(wěn)定。

2　淋水盤式除氧器結(jié)構(gòu)及除氧過程和瞬態(tài)工況壓降要求

2.1淋水盤式除氧器結(jié)構(gòu)及除氧過程

紅沿河核電站一期1號、2號、3號、4號機組，采用淋水盤式除氧器。如圖1所示，淋水盤式除氧器由1個除氧水箱、40個凝結(jié)水進口小噴嘴、1層分配器、3層淋水盤、10個安全閥、支座以及一些支撐部件等組成［3］。

凝結(jié)水通過位于除氧器頂部的兩個接口分別送入除氧器內(nèi)部的兩個給水母管；每個給水母管上均分布了20個普通小噴嘴。給水進入給水母管后通過噴嘴噴成細小的水滴，散入位于噴嘴下方的給水分配器，通過給水分配器分配均勻后，凝結(jié)水下落到淋水盤。將水分成細流是為了得到更大的加熱表面積。采用幾個淋水盤交錯布置是為了延緩水流流經(jīng)除氧頭的速度，并防止水流斷裂為水滴，這樣可以增加水、汽的接觸時間，加大傳熱系數(shù)和氣體的分離速度［4］。正常運行時，加熱蒸汽通過位于除氧器上方的6個加熱蒸汽接口進入除氧器的汽空間，蒸汽從淋水盤底部自下而上與凝結(jié)水進行逆流換熱，直至將凝結(jié)水加熱到飽和溫度，達到除氧的目的。熱交換后的凝結(jié)水下落到除氧器的儲水空間，通過除氧器底部的3個給水口進入給水泵，加熱蒸汽在熱交換的過程中凝結(jié)成水，部分不凝結(jié)的氣體則排出除氧器如圖2所示。

圖1　淋水盤式除氧器俯視圖Fig. 1　Brief overhead view of deaerator

圖2　淋水盤式除氧器除氧流程Fig.2　Deoxidization flow of tray-spray steam deaerator

2.2淋水盤式除氧器瞬態(tài)工況壓降要求

紅沿河核電站淋水盤式除氧器瞬態(tài)工況壓力急速下降時壓力下降速率要求定值為0.2 MPa/min，當淋水盤式除氧器壓力急劇下降時，閃蒸蒸汽和流入的主蒸汽通過除氧室淋水盤的流速必須低于淋水盤強度上的限界流速和發(fā)生流水泛濫現(xiàn)象的上限流速，以下討論最大壓力下降率定為0.2 MPa/min的可行性。

（1）關(guān)于淋水盤強度確認

為便于分析和計算，將淋水盤的翼片抽象為承受均布載荷的簡支梁（見圖3）。

圖3　計算模型Fig.3　Calculation model

1）作用于淋水盤簡支梁模型的蒸汽沖力：

其中，阻力系數(shù)CD=2.0（流向垂直于平板）；迎流面積AA=0.0 858 m2；流體密度ρ（kg/m3）；流速υv（m/s）。

2）均布載荷：

3）作用于梁上的最大應(yīng)力：

4）許用應(yīng)力σa：

σa=80 MPa（304SS材的使用溫度下的許用壓力）。

綜合以上關(guān)系式，可得出強化型淋水盤在強度上所允許

（2）淋水盤內(nèi)部發(fā)生流水泛濫現(xiàn)象的上限流速

通過淋水盤的蒸汽流速過高時，向下流動的凝結(jié)水會受到高速蒸汽汽流的阻力，出現(xiàn)流動不暢通的現(xiàn)象。發(fā)生這種現(xiàn)象的蒸汽上限流速vf與除氧器內(nèi)壓力密切相關(guān)，除氧器內(nèi)壓力越高上限流速越低，相反，除氧器內(nèi)壓力越低上限流速越高。這是因為壓力低時飽和蒸汽密度小，流體阻力隨之變小的緣故。有關(guān)壓力條件下蒸汽上限流速如表1所示。

（3） 除氧器壓力下降速率為0.2 MPa/min時的評價

針對主蒸汽流量分別為30 kg/s和120 kg/s進行淋水盤內(nèi)流速計算，甩負荷等瞬態(tài)工況除氧器內(nèi)壓力急速下降時各種壓力下的實際流速va與強度上的允許流速vs及流水泛濫現(xiàn)象的上限流速vf結(jié)果比較于表1。

表1　壓力下降速率為0.2 MPa/min時的淋水盤內(nèi)部流速的計算結(jié)果和評價T able 1　Calculation results and evaluation of internal tray-spray fluid velocity when the pressure drop rate is 0.2 MPa/min

紅沿河除氧器在甩負荷等壓力急速下降時，閃蒸蒸汽和流入主蒸汽通過除氧室淋水盤的流速均低于淋水盤上的限界流速和發(fā)生流水泛濫現(xiàn)象的上限流速，最大壓力下降率不超過0.2 MPa/min是可行的。

3　瞬態(tài)工況淋水盤式除氧器保壓邏輯優(yōu)化

3.1除氧器壓力控制模式

除氧器啟動階段，由輔助蒸汽維持除氧器壓力為0.143 MPa（絕對壓力），110 ℃；低負荷時，新蒸汽維持除氧器壓力為0.27 MPa（絕對壓力），130 ℃；正常運行工況，蒸汽來自于高壓缸排汽，壓力在0.27～0.93 MPa（絕對壓力）波動，不受控制；甩負荷時，由除氧器甩負荷保壓邏輯進行控制。需要說明的是，除氧器啟動階段使用輔助蒸汽時使用單獨的執(zhí)行機構(gòu)進行控制，低負荷和甩負荷時除氧器壓力控制使用同一執(zhí)行機構(gòu)，邏輯中使用兩個不同的PID控制器進行控制，在各種機組工況下兩者輸出的控制信號取大值后送執(zhí)行機構(gòu)控制除氧器壓力。此外，將控制除氧器壓力的執(zhí)行機構(gòu)與汽機旁路蒸汽系統(tǒng)排向除氧器的第四組閥門分開設(shè)置，兩者由各自的執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)其功能，避免相互控制信號的干擾。以上優(yōu)化方案更加便于除氧器的壓力控制，在除氧器各種工況下都能有效控制除氧器的壓力和壓力下降速率。

3.2除氧器保壓邏輯觸發(fā)定值

根據(jù)前述除氧器壓降速率不超過0.2 MPa/min，紅沿河核電項目除氧器正常運行時采用滑壓運行，除氧器內(nèi)壓力隨抽汽壓力變化而變化，當除氧器抽汽管道壓力下降速率達到3 kPa/s時，除氧器保壓邏輯觸發(fā)。如果不對觸發(fā)定值進行優(yōu)化，設(shè)定的觸發(fā)定值不合理會造成除氧器保壓邏輯無法觸發(fā)，進而造成除氧器損壞。優(yōu)化后的除氧器保壓邏輯觸發(fā)定值保證了瞬態(tài)工況時除氧器保壓邏輯可正常觸發(fā)。

3.3低負荷時避免保壓邏輯誤觸發(fā)

低負荷時由于除氧器壓力由新蒸汽壓力維持在0.17 MPa（表壓力），此時來自高壓缸排汽的壓力不足以克服此壓力打開抽汽止回閥對除氧器進行加熱。根據(jù)淋水盤式除氧器壓降速率的要求，除氧器保壓邏輯觸發(fā)定值較低，如此在低負荷時汽輪機調(diào)閥開度波動（如沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速瞬間、并網(wǎng)瞬間）時容易誤觸發(fā)，此時的除氧器抽汽管道壓力波動并不是真實的除氧器壓力波動，故而不需要觸發(fā)保壓邏輯。為此，對保壓邏輯進行優(yōu)化，同時滿足除氧器抽汽管道壓力下降速率達到3 kPa/s和負荷大于30%FP時觸發(fā)除氧器保壓邏輯。如果不進行優(yōu)化，在低負荷工況時將會產(chǎn)生除氧器保壓邏輯誤觸發(fā)現(xiàn)場，對核島一回路產(chǎn)生影響。優(yōu)化后的保壓邏輯保證低負荷時抽汽管道壓力波動不造成誤觸發(fā)除氧器保壓邏輯。

3.4瞬態(tài)工況時除氧器液位控制

瞬態(tài)工況時，凝結(jié)水向除氧器補水控制由液位控制模式切換至流量控制模式，切換至流量控制模式，一方面為了保證瞬態(tài)時除氧器的補水；另一方面避免由于瞬態(tài)時除氧器液位大幅波動造成凝結(jié)水泵出口調(diào)閥大幅波動而造成凝結(jié)水泵跳泵。如果不進行優(yōu)化在保壓邏輯觸發(fā)后的初始流量控制曲線定值較高，造成除氧器進入過多冷水而造成壓力下降過快且除氧器液位上升至高高定值而導致保護動作。優(yōu)化后的流量控制曲線可實現(xiàn)除氧器保壓功能和凝結(jié)水泵壓力維持協(xié)同控制，瞬態(tài)工況既不會造成除氧器灌入過多冷水引起壓力驟降和液位大幅上升，也不會造成除氧器補水量過大造成凝結(jié)水泵出口壓力低跳泵。優(yōu)化除氧器應(yīng)急補水邏輯，通過提高應(yīng)急補水的動作定值，讓應(yīng)急補水更早動作［5］。控制曲線如圖4所示。

3.5瞬態(tài)工況除氧器保壓邏輯壓力控制

DCS采集到除氧器抽汽管道壓力，對抽汽管道壓力微分計算后得到壓力下降速率是否小于3 kPa/s，如果達到此定值則除氧器甩負荷邏輯觸發(fā)?？刂魄€見圖5，控制過程如下：

1）收到來自甩負荷信號后，保壓邏輯控制器的函數(shù)發(fā)生器的輸出為甩負荷開始時刻的除氧器壓力Po；

2）甩負荷觸發(fā)45 s后，函數(shù)發(fā)生器的輸出=甩負荷開始時刻的除氧器壓力Po+360 kPa-100 kPa/min×T（T=RAMP開始以后的時間）。瞬態(tài)工況時汽機旁路排放系統(tǒng)第4組閥門排向除氧器，閥門快開時間≤50 s，DCS中除氧器抽汽管道壓降速率微分計算經(jīng)過5 s濾波，保壓邏輯控制器輸出凍結(jié)甩負荷開始時刻的壓力45 s，45 s結(jié)束時將壓力提高360 kPa，由于瞬態(tài)工況汽機旁路蒸汽系統(tǒng)第4組閥快開造成除氧器壓力上升，故保壓邏輯曲線中將壓力抬高360 kPa后開始以1 bar/min速率下降。

圖5　除氧器保壓邏輯控制曲線Fig.5　T he curve for control of deaerator pressure

3）除氧器保壓控制復(fù)位條件滿足后，用于保壓邏輯的控制器輸出置0，執(zhí)行機構(gòu)的開度取決于復(fù)位時除氧器的壓力值，若除氧器大于270 kPa（絕對壓力），ADG 005VV關(guān)閉；若除氧器壓力小于270 kPa（絕對壓力），執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)節(jié)以滿足除氧器壓力維持270 kPa（絕對壓力）。

如果不進行優(yōu)化，汽機旁路排放系統(tǒng)第4組閥快開結(jié)束后保壓邏輯控制曲線不能及時將壓力定值抬高360 kPa進行控制，此時容易造成除氧器壓力下降速率超過設(shè)定值而造成除氧器損壞。優(yōu)化后的保壓邏輯控制曲線，既能保證除氧器壓力下降速率滿足要求，也能夠?qū)崿F(xiàn)與汽機旁路排放系統(tǒng)協(xié)同控制，避免除氧器壓力下降速率超過定值造成損壞。

3.6除氧器保壓邏輯復(fù)位方式

對除氧器保壓邏輯復(fù)位方式進行優(yōu)化，采用三種方式進行復(fù)位：函數(shù)發(fā)生器控制曲線自動滑落至零復(fù)位、連接至除氧器抽汽管道與除氧器本體的壓力開關(guān)達到16 kPa動作復(fù)位、抽汽管道壓力實測值大于除氧器實測壓力16 kPa時復(fù)位。如果不進行優(yōu)化，當差壓開關(guān)拒動時除氧器保壓邏輯不能及時復(fù)位。經(jīng)過優(yōu)化的方案可以避免壓力開關(guān)不可靠造成不能及時復(fù)位。

4　紅沿河核電站瞬態(tài)試驗驗證結(jié)果

4.1額定負荷下甩空載試驗驗證結(jié)果

除氧器在甩空載瞬態(tài)工況時，除氧器抽汽管道壓力下降速率達到3 kPa/s，除氧器保壓邏輯正確動作觸發(fā)。汽輪機旁路蒸汽排放系統(tǒng)第4組閥快開，除氧器壓力首先開始上升，快開結(jié)束后除氧器保壓邏輯控制器輸出指令，執(zhí)行機構(gòu)開始動作控制除氧器壓力，除氧器實際壓力下降速率約為0.5 bar/min，同時除氧器補水流量模式觸發(fā)與除氧器保壓邏輯協(xié)同控制，除氧器液位維持在正常液位區(qū)間，凝結(jié)水泵出口壓力在正常調(diào)節(jié)范圍，試驗結(jié)果滿意。

4.2額定負荷下跳機試驗驗證曲線

除氧器在跳機瞬態(tài)工況時，除氧器抽汽管道壓力下降速率達到3 kPa/s，除氧器保壓邏輯正確動作觸發(fā)。汽輪機旁路蒸汽排放系統(tǒng)第4組閥快開，除氧器壓力首先開始上升，快開結(jié)束后除氧器保壓邏輯控制器輸出指令，執(zhí)行機構(gòu)開始動作控制除氧器壓力，除氧器實際壓力下降速率約為0.6 bar/min，同時除氧器補水流量模式觸發(fā)與除氧器保壓邏輯協(xié)同控制，除氧器液位維持在正常液位區(qū)間，凝結(jié)水泵出口壓力在正常調(diào)節(jié)范圍，試驗結(jié)果滿意。

5　結(jié)束語

1）紅沿河核電站淋水盤式除氧器瞬態(tài)工況壓力急速下降時壓力下降速率定值為0.2 MPa/min，當淋水盤式除氧器壓力急劇下降時，閃蒸蒸汽和流入的主蒸汽通過除氧室淋水盤的流速必須低于淋水盤強度上的限界流速和發(fā)生流水泛濫現(xiàn)象的上限流速，最大壓力下降率定為0.2 MPa/min可行。

2）紅沿河核電站淋水盤式除氧器在瞬態(tài)工況時的壓力下降速率要求較為苛刻，在控制除氧器壓力下降速率時必須統(tǒng)籌考慮除氧器補水流量模式控制曲線、汽機旁路蒸汽系統(tǒng)第4組閥門快開對除氧器壓力控制的影響。

3）紅沿河核電站淋水盤式除氧器保壓邏輯優(yōu)化方案包括了觸發(fā)方式、觸發(fā)定值、壓降控制曲線、補水流量曲線和復(fù)位方式。紅沿河核電站淋水盤式除氧器瞬態(tài)試驗結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化后的淋水盤式除氧器保壓邏輯具有更高的安全性、可靠性。

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Analysis and Optimization for Tray-spray Steam Deaerator Pressure Maintaining Logic of Nuclear Power Plant

DUAN Feng1， LI Xian-ping2， WANG Shu-yi2
（1. Research Institute of Nuclear Power Operation， Wuhan of Hubei Prov. 430223， China； 2. China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Shenzhen of Guangdong Prov. 518124， China）

This article briefly describes the main functions and the deaeration principle of the tray-spray steam deaerator， introduces the detailed structure and the tray-spray steam deaerator pressure drop rate requirement in transient condition. After analyzing the tray-spray steam deaerator pressure maintaining logic on the trigger mode， trigger value， pressure control curve，water flow curve and the reset mode， the proposal for optimized tray-spray steam deaerator pressure maintaining logic of the deaerator of Hongyanhe nuclear power project was presented with examples. The conclusion is the safety and the reliability of optimized logic for tray-spray steam deaerator pressure maintaining is higher than before.

tray-spray steam deaerator； deaeration principle； pressure drop rate； pressure maintaining logic

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）02-0121-06

TM623

A

1674-1617（2016）02-0121-06

2016-01-20

段 鋒（1987—），男，山西臨汾人，工程師，現(xiàn)從事核動力運行技術(shù)研究與評估工作。