AP1000核電凝汽器的技術(shù)特點(diǎn)

胡偉卿，羅吉江

(1.中電投電力工程有限公司，上海 200233;2. 山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265116)

AP1000核電凝汽器的技術(shù)特點(diǎn)

胡偉卿1，羅吉江2

(1.中電投電力工程有限公司，上海 200233;2. 山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265116)

核電常規(guī)島內(nèi)凝汽器，是核電機(jī)組重要的輔機(jī)設(shè)備。凝汽器的性能直接影響核電機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性和安全性。AP1000核電凝汽器采用了三殼體、單流程、單背壓的表面式凝汽器。根據(jù)凝汽器技術(shù)參數(shù)的要求，分析了設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)定條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)核電凝汽器的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了說(shuō)明。根據(jù)凝汽器技術(shù)參數(shù)，提出了運(yùn)行時(shí)需注意的事項(xiàng)，為AP1000凝汽器的調(diào)試和運(yùn)行提供幫助。

核電； 常規(guī)島； 凝汽器； 結(jié)構(gòu)； 特點(diǎn)； 技術(shù)； 參數(shù)； 運(yùn)行

0 概 述

AP1000是引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的第三代核電機(jī)組，采用先進(jìn)的非能動(dòng)壓水堆核電技術(shù)，AP1000是發(fā)電量為百萬(wàn)兆瓦的核電機(jī)組。凝汽器是核電機(jī)組常規(guī)島內(nèi)的重要設(shè)備之一，可將汽輪機(jī)低壓缸的排汽冷凝成水，是一種表面式換熱器，并作為整個(gè)熱力循環(huán)中的冷源。凝汽器的主要功能是在汽輪機(jī)排汽口建立并維持一定的真空度，使蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹至指定的壓力，以提高汽輪機(jī)的可用焓降。

AP1000核電汽輪機(jī)有3個(gè)低壓缸，3臺(tái)凝汽器分別與各低壓缸排汽口相連。凝汽器布置于汽輪機(jī)低壓缸下部，接收低壓缸排汽。凝汽器管束為鈦管材質(zhì)，排汽被流經(jīng)鈦管的海水冷卻成凝結(jié)水，再匯集至凝汽器底部的熱井，通過(guò)熱井底部的連通管，由凝結(jié)水泵升壓后，依次流經(jīng)第1～4級(jí)的低壓加熱器。凝結(jié)水被初步加熱，再作為電動(dòng)給水泵的水源，經(jīng)電泵升壓，流經(jīng)2臺(tái)并列布置的第6、7級(jí)高壓加熱器后，進(jìn)入核島的蒸汽發(fā)生器，形成蒸汽的閉式循環(huán)。

1 凝汽器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 凝汽器設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)AP1000核電汽輪機(jī)的凝汽器為三殼體、單流程、單背壓、表面式熱交換器。

(2)凝汽器被水平放置，冷卻介質(zhì)為海水。循環(huán)水進(jìn)、出水管的方向?yàn)椋簭钠啓C(jī)向發(fā)電機(jī)看，循環(huán)水從右側(cè)進(jìn)入，左側(cè)排出。

(3)設(shè)計(jì)AP1000凝汽器時(shí)，考慮了防異物沖擊，在鈦管區(qū)上方布置有兩排位置交錯(cuò)的實(shí)心碳鋼棒，呈“品”字形分布，防止蒸汽夾帶的較大異物直接沖擊鈦管。

(4)凝汽器與低壓缸的連接，采用橡膠補(bǔ)償節(jié)進(jìn)行柔性連接。凝汽器與設(shè)備基礎(chǔ)為剛性支撐。在低壓缸與凝汽器中間殼體過(guò)渡段之間，安裝橡膠膨脹節(jié)，以吸收運(yùn)行期間由熱應(yīng)力產(chǎn)生的位移。該膨脹節(jié)通過(guò)固定在內(nèi)側(cè)殼體的上下壓板固定，壓板外側(cè)有3 mm厚的保護(hù)鋼板，鋼板被螺栓固定在上半壓板上，防止蒸汽的沖刷。

(5)第1級(jí)和第2級(jí)抽汽管道，以及第1級(jí)和第2級(jí)低壓給水加熱器布置在凝汽器內(nèi)部，每段抽汽管道上設(shè)置1個(gè)不銹鋼波紋膨脹節(jié)，用以吸收管道的位移。抽汽管道上不設(shè)置逆止閥、隔離閥。抽汽由低壓缸直接進(jìn)入第1級(jí)、第2級(jí)低壓加熱器內(nèi)，因此，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，不能對(duì)第1級(jí)、第2級(jí)的低壓加熱器進(jìn)行維護(hù)。

(6)3臺(tái)凝汽器編號(hào)為A、B、C。各凝汽器之間有平衡管相連。在相鄰凝汽器的汽側(cè)，用直徑2.0 m的平衡管連通，用以平衡蒸汽側(cè)壓力。

(7)凝汽器設(shè)有檢漏裝置，可監(jiān)測(cè)凝汽器鈦管的泄漏情況。為了快速檢測(cè)冷卻管束、前管板、后管板的密封焊的泄漏情況，將每臺(tái)凝汽器底部的熱井，分隔成6個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域各有單獨(dú)的檢漏接口引出管。

(8)凝汽器還設(shè)有兩組真空測(cè)量管，用于性能試驗(yàn)及真空度監(jiān)測(cè)。每個(gè)凝汽器有6個(gè)真空性能試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)和4個(gè)真空度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

1.2 凝汽器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)和材質(zhì)

凝汽器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 凝汽器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

汽輪發(fā)電機(jī)組容量/MW1253凝汽器設(shè)計(jì)壓力/kPa3.89冷卻面積(3殼體)/m398,330冷卻水溫/℃20冷卻水設(shè)計(jì)流速/m·s-12.4冷卻管有效長(zhǎng)度/mm18000冷卻管尺寸/mm?25.4(管壁分別為0.7與0.5)管板材質(zhì)SA516Gr.60+SB265Gr.1冷卻管材質(zhì)SB338Gr.2水室材質(zhì)SA285Gr.C+INNERRUB-BERLINING凝汽器凈重(不含1號(hào)、2號(hào)低壓加熱器)/kN6865

2 凝汽器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

凝汽器本體由殼體、水室、冷卻水管、熱井及附屬設(shè)備組成。如圖1所示。

圖1 凝汽器結(jié)構(gòu)圖

2.1 殼體

AP1000凝汽器殼體由主殼體、中間殼體(裙板殼體)等零部件組成。

主殼體由冷卻管束、管板、管束支撐板、疏水盤、熱井等組成。正常運(yùn)行時(shí)，凝汽器內(nèi)部處于真空狀態(tài)，使用型鋼和加強(qiáng)管以增強(qiáng)殼體承受真空的能力。此外，還設(shè)有眾多的疏水接口，接收其它系統(tǒng)的疏水。

為了有效利用空間，在凝汽器的中間殼體內(nèi)，布置了1號(hào)、2號(hào)低壓加熱器，同時(shí)，還布置有抽汽管組。中間殼體內(nèi)部還布置有縱橫交錯(cuò)的加強(qiáng)管、型鋼等。運(yùn)行期間，凝汽器內(nèi)部呈真空狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)的殼體能承受真空負(fù)壓。

2.2 水室

凝汽器水室是連接循環(huán)海水管路和凝汽器管板的中間部分。水室內(nèi)設(shè)置了加強(qiáng)支撐管，2根抽空氣管橫穿水室。水室還配置了人孔，便于設(shè)備檢修，每個(gè)水室各有上下2個(gè)人孔。在水室內(nèi)表面和內(nèi)部管件上，均襯有3 mm厚的耐腐蝕橡膠。水室的水位計(jì)為翻板式液位計(jì)。在出口側(cè)水室的上部，設(shè)置了水側(cè)磁翻板液位計(jì)，用以觀察后水室上部有無(wú)空氣進(jìn)入。水室內(nèi)為分隔布置，當(dāng)凝汽器單側(cè)關(guān)閉時(shí)，仍能維持另一側(cè)的運(yùn)行。

凝汽器水室的安裝高度，由電廠廠坪標(biāo)高和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案綜合決定。合理選擇凝汽器的安裝高度，有助于在凝汽器出口處形成虹吸，以降低循環(huán)水泵的能耗。

2.3 管束

AP1000凝汽器的冷卻管，應(yīng)用了抗腐蝕性能較好的鈦管，鈦管的材質(zhì)無(wú)毒性，宜使海生物在管壁上生長(zhǎng)與繁殖。

凝汽器的鈦管外徑為25.4 mm，有效長(zhǎng)度為18 000 mm，壁厚有兩種規(guī)格，分別為0.5 mm(21 220根)和0.7 mm(1 800根)，薄壁鈦管在管束內(nèi)側(cè)，外2層包繞著0.7 mm的厚壁鈦管，防止蒸汽的沖刷；每個(gè)流程的管束分上下2層布置。管束的布置形式，如圖2所示。在上下層管束中間，設(shè)有不凝結(jié)氣體的抽氣管，以提高凝汽器的熱交換性能。鈦管通過(guò)脹管和密封焊的形式固定在前后管板上，脹管長(zhǎng)度為26 mm。

圖2 凝汽器管束布置圖

2.4 管板及管束支撐板

管板布置在凝汽器主殼體前后端的最外側(cè)，前后管板均為復(fù)合板，管板與水室采用法蘭連接，復(fù)合管板的鈦板層直接與海水接觸。

管束支撐板起到支撐、加固冷卻管束和防止管束振動(dòng)的作用。沿鈦管縱向布置有27塊厚度為16 mm的碳鋼支撐板，管束支撐板的管孔數(shù)與管板相同，孔徑略大，穿管前，暫不安裝前管板，待全部管子穿完后，再安裝前管板。前管板就位后，再將管子引入前管板的管孔。這種安裝方式，可降低鈦管的磨損，防止穿管時(shí)對(duì)鈦管的劃傷。

2.5 熱井

每個(gè)凝汽器設(shè)置有2個(gè)熱井，每個(gè)熱井內(nèi)均設(shè)置了不銹鋼濾網(wǎng)，以防止雜質(zhì)流入。另外，還設(shè)計(jì)了豎立的磁力棒，用以吸附金屬雜質(zhì)，防止金屬雜質(zhì)混入給水系統(tǒng)。在凝汽器熱井內(nèi)，均設(shè)有就地液位計(jì)。在凝汽器C熱井內(nèi)，還安裝了水位遠(yuǎn)傳液位變送器。通過(guò)正常補(bǔ)水管路，可將水位控制在正常范圍內(nèi)。

3 凝汽器的調(diào)試與運(yùn)行

3.1 凝汽器的接口

凝汽器與循環(huán)水系統(tǒng)、凝汽器真空系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、主蒸汽系統(tǒng)及疏排水系統(tǒng)分別相連。

(1)抽真空系統(tǒng)

低壓缸排汽在凝汽器內(nèi)部被冷卻成凝結(jié)水，但還有不凝結(jié)氣體聚集在凝汽器內(nèi)部，必將影響凝汽器的換熱性能。因此，在上下管束的中間位置，各布置了抽空氣管，可將此類氣體抽出并排出凝汽器。凝汽器的工作壓力較低，具有較高的真空度，因此要求凝汽器本體及真空系統(tǒng)具有較高的密封性，防止空氣漏入，降低真空度和污染凝結(jié)水。所以，在凝汽器汽側(cè)，設(shè)置了3臺(tái)水環(huán)式真空泵，抽空氣管沿海水流動(dòng)方向布置，每段的開(kāi)孔數(shù)量呈逐漸減少趨勢(shì)。

(2)主蒸汽系統(tǒng)

AP1000主蒸汽旁排的設(shè)計(jì)容量為額定容量的40%，每個(gè)凝汽器布置兩路旁排管線。汽輪機(jī)旁排管線可防止旁排蒸汽直接沖刷凝汽器鈦管。旁排管采用了雙層套管結(jié)構(gòu)，內(nèi)層管汽孔沿管四周對(duì)稱布置，外層管的汽孔布置，在管子中心線的下部?jī)蓚?cè)?？紤]到旁路蒸汽溫度較高，支架與管束之間不允許焊接。

當(dāng)汽輪機(jī)旁排蒸汽流入時(shí)，噴淋管線向凝汽器內(nèi)噴入噴淋水，以降低旁排蒸汽的溫度。較新的設(shè)計(jì)方案，是將噴淋頭安裝在管線上部，有效避免了空氣積聚在管線上部，防止產(chǎn)生水擊現(xiàn)象。

(3)疏排水系統(tǒng)

與火電機(jī)組相比，核電機(jī)組的疏排水較多。除汽輪機(jī)本體疏水和高加、低加疏水外，核電機(jī)組還有汽水分離再熱器MSR疏水。汽水分離再熱器疏水分別為MSR殼側(cè)疏水、一級(jí)再熱器疏水和二級(jí)再熱器疏水，為此類疏水，設(shè)置了相互獨(dú)立的疏水系統(tǒng)，同時(shí)，也增大了凝汽器疏水管線的布置難度。

3.2 凝汽器的檢測(cè)試驗(yàn)

凝汽器的試驗(yàn)主要有管側(cè)的注水查漏試驗(yàn)、殼側(cè)的凝汽器灌水試驗(yàn)及真空嚴(yán)密性試驗(yàn)。

(1)凝汽器管側(cè)的注水查漏試驗(yàn)，主要是對(duì)凝汽器循環(huán)水側(cè)水室法蘭、人孔及各連接管道的焊縫進(jìn)行查漏。關(guān)閉凝汽器循環(huán)水出、入口蝶閥，分別向出、入口蝶閥間的管道注水，檢查有無(wú)泄漏。

(2)殼側(cè)的灌水試驗(yàn)，是向凝汽器殼側(cè)注入除鹽水，灌水高度為膨脹節(jié)上部300 mm，靜置24 h，檢查凝汽器鈦管、與凝汽器相連接的管道、閥門等有無(wú)滲漏現(xiàn)象。AP1000凝汽器為剛性支撐，設(shè)計(jì)有灌水支撐，因此，灌水試驗(yàn)時(shí)，無(wú)需再對(duì)凝汽器進(jìn)行加固。

(3)凝汽器真空嚴(yán)密性試驗(yàn)有啟動(dòng)前的真空嚴(yán)密性試驗(yàn)和在機(jī)組帶80%額定負(fù)荷以上時(shí)進(jìn)行的嚴(yán)密性試驗(yàn)。前者通過(guò)3臺(tái)真空泵在軸封系統(tǒng)投運(yùn)情況下，對(duì)凝汽器及其相連的設(shè)備、管道進(jìn)行抽真空，一般達(dá)到90 kPa即可。而后者是在機(jī)組帶80%額定負(fù)荷以上工況下，停運(yùn)所有真空泵，檢查凝汽器真空度的下降情況。真空度下降率小于0.13 kPa為優(yōu)秀，小于0.27 kPa為良好，小于0.40 kPa為合格。若真空度的下降速度大于0.67 kPa，則應(yīng)停機(jī)查找原因。

3.3 凝汽器的單側(cè)運(yùn)行

當(dāng)凝汽器的冷卻水管被臟污，需要進(jìn)行清理，或者，凝汽器冷卻水管有泄漏，需要進(jìn)行堵管操作時(shí)，可將機(jī)組負(fù)荷降至額定負(fù)荷的75%左右(根據(jù)凝汽器真空帶負(fù)荷)，對(duì)凝汽器循環(huán)水側(cè)進(jìn)行單側(cè)停運(yùn)或隔離。

4 結(jié) 語(yǔ)

凝汽器的體積較大，接口較多。掌握AP1000核電凝汽器的技術(shù)特點(diǎn)，有助于指導(dǎo)汽輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在凝汽器運(yùn)行中，需特別注意某些事項(xiàng)。

(1)每根抽汽管道，均布置了不銹鋼膨脹節(jié)，膨脹節(jié)至汽輪機(jī)的抽汽管道為不銹鋼，膨脹節(jié)以下的抽汽管道為碳鋼材料。如更換抽汽管道，需要距膨脹節(jié)500 mm之外的距離進(jìn)行焊接。

(2)低壓缸與凝汽器的中間殼體之間，采用橡膠膨脹節(jié)連接，未設(shè)置密封水，隨著機(jī)組啟停及運(yùn)行時(shí)熱膨脹，橡膠膨脹節(jié)存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，影響機(jī)組的真空度，運(yùn)行中應(yīng)引起重視。

(3)由于凝汽器管束布置的特殊性，抽氣管線從管束中間伸出，穿過(guò)凝汽器水室后，再連接至真空泵。雖然抽空氣管采用襯膠防腐，但由于襯膠工藝的特殊性，一般難以保證襯膠厚薄均勻、無(wú)氣孔，難以長(zhǎng)久保持抽空氣管不受海水腐蝕，因此，在運(yùn)行中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)抽空氣管的檢查，以便及時(shí)處理。

(4)應(yīng)做好凝汽器的防腐防垢監(jiān)測(cè)工作，保持循環(huán)水加藥系統(tǒng)的正常運(yùn)行，控制循環(huán)水中的氯離子含量。利用停機(jī)檢修時(shí)段，檢查凝汽器水室、管板、支撐構(gòu)件等部件的結(jié)垢、腐蝕和微生物的滋生情況，及時(shí)進(jìn)行檢查和處理。

[1] 廖亞民. AP1000核電廠常規(guī)島系統(tǒng)初級(jí)運(yùn)行[M]. 北京：原子能出版?zhèn)髅接邢薰荆?011.

[2] 吳文龍，張小霓，張春雷. 凝汽器腐蝕與結(jié)垢控制技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)電力出版社， 2012.

The Technical Features of AP1000 Nuclear Power Condenser

HU Wei-qing1，LUO Ji-jang2

(1.CPI Power Engineering Co., Ltd., Shanghai 200090, China;2.Shandong Nuclear Power Co., Ltd., Yantai 265116, Shandong, China)

The condenser in the nuclear power conventional island is one of the important auxiliary equipment in the nuclear power unit. The condenser performance directly influences thermal economy and safety of the unit. AP1000 nuclear power condenser is three-shell, single pass, single back pressure and surface type. According to the technical parameters requirements, this paper briefly introduces the design characteristics and structure characteristics and the test project of the condenser in the nuclear power. After fully recognizing and understanding the technical features of the condenser, suggestions for the operation precaution of the condenser are put forward, it is helpful for the debugging and operation of the AP1000 condenser.

nuclear power; conventional island; condenser; structure; characteristics; technology; parameter; operation

1672-0210(2017)01-0005-04

2016-10-27

胡偉卿(1984-)，女，工程師，碩士，從事核電機(jī)組的調(diào)試工作。

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