核電站凝汽器與火電廠凝汽器比較研究

吉慧敏　周濤　劉健全

摘 要：通過(guò)對(duì)核電站凝汽器與火電凝汽器在結(jié)構(gòu)特性、材料選用和運(yùn)行參數(shù)等方面的比較，闡述了兩系統(tǒng)之間結(jié)構(gòu)、運(yùn)行的差異與共性。兩者的運(yùn)行流程均為：汽機(jī)排出蒸汽→蒸汽與銅管接觸→凝結(jié)水→管壁→熱井→加熱器。但是核電凝汽器會(huì)設(shè)置水幕噴淋管組，它的管束也比火電凝汽器的數(shù)量多，核電凝汽器管束的布置有古錢幣式、帶狀式等排列方式，相對(duì)于火電凝汽器的均勻分布的布置方式要復(fù)雜些。設(shè)計(jì)的要求迥異導(dǎo)致了兩者總體傳熱效率的不同。

關(guān)鍵詞：核電凝汽器 火電凝汽器 共性 差異

中圖分類號(hào)：TM623.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）09（b）-0052-05

Abstract： This paper describes the structure， operational differences and similarities between the two systems through the comparison of thermal power plant condenser condenser ， in terms of structure， material selection and operation parameters.Both run the same process，that is，Steam Turbine's exhaust steam→Contact with the steam side of condenser copper tube→Condensation Condensate along the wall→Hot Well→Heater.However， the condenser water curtain spraying pipe is set in nuclear power group，It's much more than the number of power plant condenser tube bundle，Nuclear Power Plant condenser tube bundle arrangement of the layout of ancient coins or ribbon type etc is more complicated than the uniform distribution of thermal power plant.Different design requirements lead to the overall different heat transfer efficiency.

Key Words： Nuclear condenser； Power plant condenser； Commence； Differences

凝汽器是凝氣式汽輪機(jī)的主要輔助設(shè)備，其熱力性能對(duì)汽輪機(jī)裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[1]和安全可靠性[2]都具有重大的影響。隨著汽輪機(jī)單機(jī)容量的不斷提高，凝汽器的尺寸和質(zhì)量越來(lái)越大，而且伴隨著鍋爐和核動(dòng)力裝置在電力工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)與之配套的電站凝汽器的性能[3]也提出了更高的要求。通過(guò)比較核電凝汽器和火電凝汽器二者之間的共同點(diǎn)和差異性，可以為凝汽器設(shè)計(jì)[4]及運(yùn)行中相互借鑒。

1 工作原理

1.1 功能

1.1.1 凝結(jié)作用

凝汽器通過(guò)冷卻水與乏汽進(jìn)行熱交換，帶走其汽化潛熱而使它凝結(jié)成水，再經(jīng)過(guò)回?zé)嶙鳛殄仩t給水，循環(huán)使用。

1.1.2 維持作用

這是降低凝氣式發(fā)電機(jī)組的終參數(shù)、對(duì)提高電廠循環(huán)效率是必要的。

1.1.3 除氧作用

現(xiàn)代凝汽器都要求有除氧作用，從而達(dá)到防止機(jī)組腐蝕的要求。

1.1.4 回收作用

凝汽器能夠接受機(jī)組啟停和正常運(yùn)行中的疏水，接收機(jī)組啟停和甩負(fù)荷過(guò)程中系統(tǒng)的旁路排氣，以回收熱量和減少循環(huán)工質(zhì)損失；凝汽器還可以作為一級(jí)熱網(wǎng)加熱器。

1.2 結(jié)構(gòu)

凝汽器可分為表面式凝汽器和混合式凝汽器兩種，而國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)電站凝汽器都以江水或海水作冷卻水，所以一般運(yùn)用的凝汽器為表面式凝汽器。

某火電廠表面式凝汽器的結(jié)構(gòu)[5]，如圖1所示。某核電表面式凝汽器的結(jié)構(gòu)[6]，如圖2所示。

從圖1可以看出，某火電站表面勢(shì)凝汽器主要組成有冷卻水出入口、前后水室、蒸汽入口、冷卻管以及凝結(jié)水集水箱等。

從圖2可以看出，某核電表面式凝汽器的主要組成有殼體、水室、噴淋管、疏水盤、熱井等。

1.3 運(yùn)行

無(wú)論是核電凝汽器還是火電凝汽器，在凝汽器啟動(dòng)之前，應(yīng)先將凝汽器投入運(yùn)行并投入主抽氣設(shè)備，使凝汽器內(nèi)形成一定真空，啟動(dòng)前應(yīng)關(guān)閉凝汽器上所有放水閥門，打開(kāi)循環(huán)水出口、入門口。

2 特點(diǎn)比較

2.1 共性

目前，世界各國(guó)不管是火電機(jī)組還是核電機(jī)組凝汽器均有采用不銹鋼、鈦板或鈦復(fù)合板作為管板材料，而母材則采用普通碳鋼。

火電機(jī)組和核電機(jī)組中的凝汽器功能和運(yùn)行步驟基本一致。即：排氣在凝汽器中持續(xù)地凝結(jié)成水，形成高度真空；排出凝結(jié)時(shí)放出的熱量并送走生成的凝結(jié)水。

凝汽器管材的腐蝕防護(hù)兩者都可以采用涂料涂覆和陰極保護(hù)。

2.2 結(jié)構(gòu)差異性

2.2.1 布置

在凝汽器汽側(cè)，具有一定流速的汽機(jī)排汽會(huì)對(duì)凝汽器內(nèi)部件造成沖蝕。為了達(dá)到防沖蝕的效果，一般在迎汽區(qū)頂部布置卻管，但是與火電相比，核電汽輪機(jī)的排汽濕度更大，排汽夾帶的水滴經(jīng)蒸汽加速后，對(duì)凝汽器內(nèi)部件的沖蝕更嚴(yán)重[7]。比較圖1、圖2我們可以看出，凝汽器均由殼體、水室、冷卻水管、熱井及附屬設(shè)備組成。不同的是，核電凝汽器設(shè)置了水幕噴淋管組，它可以防止低旁蒸汽進(jìn)入凝汽器后引起升溫，另外它的輸水管、排水管、支撐管也比火電凝汽器的數(shù)量多，布置也更復(fù)雜一些。

2.2.2 管束

對(duì)于凝汽器而言，由于管束振動(dòng)產(chǎn)生的后果往往很嚴(yán)重。所以管束振動(dòng)是一個(gè)被關(guān)注的重要問(wèn)題。相同等級(jí)的核電與火電相比，核電凝汽器蒸汽凝結(jié)量約為火電的2倍，并且還要滿足可能存在的最危險(xiǎn)工況安全運(yùn)行。管束的布置遵循著相同的原則：管束第一排應(yīng)稀疏一些；留有一定的蒸汽通道；蒸汽、空氣混合物到抽氣口途徑短；設(shè)擋汽板；留有到熱井的蒸汽通道；有空氣冷卻區(qū)；設(shè)凝結(jié)水擋板[7]。

秦山600MW核電凝汽器的管束布置[8]，如圖3所示。

西門子所屬火電凝汽器的管束布置[9]，如圖4所示。

從圖3可以看到，秦山核電凝汽器管束布置是先進(jìn)的古錢幣式排列形式，傳熱效率高，結(jié)構(gòu)布置合理，汽流均勻進(jìn)人管束，汽阻小，蒸汽空氣混合物向抽汽口運(yùn)動(dòng)路程短，在管束四周有足夠蒸汽通道，部分蒸汽直接下流對(duì)凝結(jié)水進(jìn)行回?zé)岢?，使凝結(jié)水出口含氧量小、過(guò)冷度低，該管束排列形式的總傳熱系數(shù)比按照HEI標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的總傳熱系數(shù)可提高5%（這個(gè)余量并不包括在傳熱面積計(jì)算余量之內(nèi)），從而提高了機(jī)組效率。

從圖4可以看出，西門子凝汽器的管束由4～8組小管束組成，對(duì)稱均勻分布，管板中管孔所占的比例相對(duì)較少，管束排列較為疏松，使傳熱更為有利，相同條件下可減少凝汽器的面積。該型管束的總傳熱系數(shù)，比按H E I 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的計(jì)算值，可以提高10%～15%，機(jī)組效率由此亦可得到提高。

2.2.3 疏水

核電機(jī)組系統(tǒng)與火電機(jī)組有所不同，核電系統(tǒng)中多了很多其他疏水。如MSR殼側(cè)疏水、MSR高壓再熱器疏水和MSR低壓再熱器疏水等。這些疏水的增加，加大了疏水布置的難度。

2.3 參數(shù)差異

將某熱力發(fā)電廠[10]、大亞灣核電站[11]、嶺澳核電站凝汽器[11]熱力性能的參數(shù)比較，如表1 所示。

從表1可以看到，影響凝汽器熱力性能的因素是多方面的，除循環(huán)海水入口溫度外，主要有凝汽器冷卻管清潔系數(shù)、循環(huán)海水流量及冷卻管束布置方式。大亞灣采用的橢圓形布置方式有以下特點(diǎn)：汽流流經(jīng)的管子太密集，通道窄，汽流流速高，流阻大，傳熱效率大大降低；與之相比，嶺澳核電站的帶狀布置方式，蒸汽通道面積大，流速低，不凝結(jié)氣體通道又大大縮小，致使壓力損失較小，并且將空氣冷卻區(qū)布置在了管束最佳位置上，有利于不凝結(jié)氣體的冷卻和排出，從而大大提高了冷卻管傳熱性能。而某熱力發(fā)電廠與核電站相較而言，冷卻水流速低，流量小，管束布置密集，傳熱效率很不理想。

2.4 腐蝕的差異

現(xiàn)代高參數(shù)、大容量機(jī)組中由于凝汽器密封性差而引起汽水品質(zhì)不良從而導(dǎo)致腐蝕的問(wèn)題日漸嚴(yán)重，因其泄漏而導(dǎo)致的水冷壁爆管事故時(shí)有發(fā)生。

核電最初所用的凝汽器碳鋼殼體多采用環(huán)氧樹(shù)脂涂層進(jìn)行內(nèi)防腐，但由于涂層損壞導(dǎo)致殼體腐蝕穿孔時(shí)有發(fā)生，故改為襯膠保護(hù)?；痣娝玫哪鞑糠譃殂~合金管板的腐蝕問(wèn)題卻在增加襯膠保護(hù)后存在一定的加劇趨勢(shì)，所以一般采用外加電流陰極保護(hù)的措施。

只應(yīng)用于核電站和海水冷卻的鈦管因表面具有一層鈍化膜在任何水質(zhì)的沖刷下都不會(huì)發(fā)生變化，且有比不銹鋼高得多的耐蝕性，另外也不會(huì)造成核電站二回路的銅污染?；痣娦袠I(yè)內(nèi)由于銅管材不良的使用弊端開(kāi)始推廣不銹鋼管材，不銹鋼管不像銅管材需要人造保護(hù)膜措施，不會(huì)出現(xiàn)汽側(cè)的氨腐蝕和水側(cè)的侵蝕腐蝕。

3 改進(jìn)措施

3.1 性能改進(jìn)的共同性措施

從評(píng)價(jià)凝汽器的性能指標(biāo)[12]來(lái)講，兩者通用的改進(jìn)措施如下。

（1）真空。凝汽器真空的好壞，對(duì)循環(huán)效率所產(chǎn)生的影響是和機(jī)組初參數(shù)的影響同等重要。如300MW的機(jī)組[13]，若凝汽器真空下降1kPa，則機(jī)組的熱耗約上升52.68kJ/（kW·h），而機(jī)組初壓下降490kPa，機(jī)組熱耗才上升20.93kJ/（kW·h）。核電機(jī)組的凝汽器對(duì)真空的要求更為嚴(yán)格。

（2）凝結(jié)水過(guò)冷度。一般凝結(jié)水過(guò)冷度增加1%，火電機(jī)組的煤耗量將增加約0.13%，而對(duì)于核電機(jī)組來(lái)講，性能優(yōu)良的凝汽器，在不采用專門除氧裝置的條件下，自身就可以使過(guò)冷度接近零。

（3）凝結(jié)水含氧量。測(cè)試表明，凝結(jié)水含氧量隨負(fù)荷的降低而增大，且沿管長(zhǎng)不均勻分布。

3.2 性能改進(jìn)的差異性措施

（1）核電凝汽器殼體不變的情況下，凝汽器管束可采用帶狀布置方式，蒸汽通道面積大，流速低，不凝結(jié)氣體通道又大大縮小，大大提高了冷卻管傳熱性能。

（2）核電對(duì)凝汽器冷卻管進(jìn)行清洗，應(yīng)采用在線清洗方式。

（3）火電凝汽器的管束可以布置在主蒸汽通道上，以減少蒸汽阻力，增加換熱面積，強(qiáng)化傳熱。

3.3 腐蝕的共同性改進(jìn)措施

針對(duì)凝汽器的腐蝕，兩者通用的改進(jìn)措施[14]如下。

（1）對(duì)于低壓缸高速排汽汽流限定的情況下可以加裝導(dǎo)流板以使上部管束汽流變得均勻分布從而降低凝汽器的沖刷腐蝕。

（2）在凝汽器安裝前后對(duì)冷卻管減少或消除殘余拉伸應(yīng)力是消除凝汽器應(yīng)力腐蝕行之有效的方法。

（3）在凝汽器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善抽氣狀況，并把添加劑注到主給水使氨及氨的化合物濃度減少到最低限度以降低凝結(jié)水腐蝕。

（4）在工藝處理過(guò)程中，避免鐵在銅鎳合金中的沉淀以及在冷卻水中加入亞離鐵子來(lái)對(duì)銅合金表面進(jìn)行預(yù)處理，從而降低凝汽器的點(diǎn)蝕、隙蝕和硫化物腐蝕。

3.4 腐蝕的差異性改進(jìn)措施

（1）核電使用的不銹鋼凝汽器中，冷卻水的濃縮倍率越高，冷卻水對(duì)不銹鋼的侵蝕性越強(qiáng)，鈣垢等析出造成冷卻水中含氧酸根離子濃度下降，冷卻水在濃縮過(guò)程中對(duì)不銹鋼侵蝕性的增大。在火電廠銅管凝汽器的腐蝕中，氯離子的腐蝕占主導(dǎo)作用，硫酸根濃度越高，對(duì)銅管的侵蝕性越強(qiáng)。

（2）核電凝汽器中，由于用阻垢劑起到阻垢和對(duì)不銹鋼[15]的緩蝕效果，隨著阻垢劑濃度的增大，耐蝕性能提高。當(dāng)阻垢劑濃度達(dá)到一定數(shù)值，不銹鋼極化曲線出現(xiàn)過(guò)鈍化。加酸可以顯著提高冷卻水體系的阻垢緩蝕效果。在火電凝汽器中，主要表現(xiàn)在其容易使銅產(chǎn)生孔蝕，較高濃度的S2-對(duì)鈍化膜的作用使得其保護(hù)性能下降，在含S2-的水中，氧與S2-共同作用，使銅管的鋅選擇溶解加劇。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)比較，國(guó)內(nèi)無(wú)論火電廠還是核電站的凝汽器基本采用的用冷卻水作為冷卻介質(zhì)的表面式凝汽器。

（1）結(jié)構(gòu)方面，均由殼體、水室、冷卻水管、熱井及附屬設(shè)備組成。不同的是，核電凝汽器管道數(shù)量更多，布置也更復(fù)雜一些。

（2）核電凝汽器與火電凝汽器的功能及運(yùn)行過(guò)程的原理基本一致，排氣在凝汽器中不斷地凝結(jié)成水，建立高度真空，將凝結(jié)時(shí)放出的熱量排出、最后將生成的凝結(jié)水匯集送走。

（3）材料方面，火電廠凝汽器的管材大多采用銅管材和待大規(guī)模推廣的不銹鋼材料，核電站凝汽器絕大多數(shù)采用不銹鋼、鈦板或鈦復(fù)合板作為管板材料，而母材則采用普通碳鋼。

（4）火電廠的凝汽器改進(jìn)方案可以參考核電站傳熱性能高的凝汽器，凝汽器熱力性能的因素是多方面的，通過(guò)改變管束的布置方式提高總體傳熱系數(shù)，并考慮適當(dāng)?shù)卦黾友h(huán)水量， 以提高凝汽器的傳熱性能。

（5）無(wú)論是火電還是核電凝汽器都應(yīng)盡量減少腐蝕危險(xiǎn)，各種管材各具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，火電廠和核電站都須注意各種材質(zhì)的獨(dú)特性能并應(yīng)結(jié)合冷卻水質(zhì)及運(yùn)行工況使腐蝕降低至最小程度或避免。

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