百萬千瓦級核電機(jī)組凝汽器真空變化影響分析

高云飛 王巖

摘 要：核電機(jī)組凝汽器是二回路水汽循環(huán)的重要設(shè)備，凝汽器真空度直接關(guān)系到汽輪機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)型，并間接影響到一回路熱功率，因此對凝汽器真空度的關(guān)聯(lián)因素及影響途徑進(jìn)行分析，具有重要意義。

關(guān)鍵詞：凝汽器；真空度；汽輪機(jī)；安全；經(jīng)濟(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.127

核電機(jī)組凝汽器用于接收汽輪機(jī)排汽并將其冷凝成凝結(jié)水，為了對汽輪機(jī)提供一個(gè)經(jīng)濟(jì)的背壓，同時(shí)進(jìn)行真空除氧，需保證凝汽器具有一定的真空度。真空度主要靠海水冷卻形成，用凝汽器抽真空系統(tǒng)不間斷抽走不凝氣體來保持。由于凝汽器真空環(huán)境的變化直接影響到核電機(jī)組的熱效率，從而進(jìn)一步導(dǎo)致反應(yīng)堆熱功率以及汽輪機(jī)運(yùn)行工況發(fā)生變化，因此需要對其進(jìn)行細(xì)致分析。

1 凝汽器真空度對機(jī)組熱效率的影響

壓水堆核電廠熱力循環(huán)是在理想朗肯循環(huán)的基礎(chǔ)上，增加工質(zhì)在中間汽水分離再熱器中的汽水分離再熱過程，因此部分主要討論凝汽器真空與熱效率的相互關(guān)系，故將核電廠熱循環(huán)近似為理想朗肯循環(huán)，循環(huán)熱效率η=1-（h2-h2'）/（h1-h2'）=（h1-h2）/（h1-h2'）[1]，其中h2為汽機(jī)低壓缸排汽的焓，h2'凝汽器凝結(jié)水的焓，h1為進(jìn)入汽輪機(jī)的新蒸汽的焓，從表達(dá)式中可以看出，h2'越小，對應(yīng)熱效率越高。故提高凝汽器真空度是提升核電廠熱力循環(huán)效率的有效途徑。

2 凝汽器真空度對汽機(jī)振動的影響

壓水堆核電廠M310堆型一般采取堆跟機(jī)模式，即保持二回路負(fù)荷為設(shè)定值，一回路熱功率跟蹤二回路變化，由第一條分析可知，凝汽器真空度下降后，機(jī)組熱效率下降，為保證二回路電功率保持在設(shè)定值，則一回路熱功率上漲，汽輪機(jī)組進(jìn)汽量增加，造成汽機(jī)軸向推力增大，同時(shí)，汽機(jī)低壓缸排汽直接進(jìn)入凝汽器，當(dāng)真空上升，汽機(jī)排汽溫度升高，引起汽機(jī)與轉(zhuǎn)子脹差發(fā)生變化，進(jìn)一步導(dǎo)致汽機(jī)垂直及水平振動增大。另外，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行實(shí)踐，在凝汽器真空度過高的情況下，會導(dǎo)致汽輪機(jī)缸體對中水平降低，振動升高，汽機(jī)沖轉(zhuǎn)前凝汽器真空度過高可能造成低壓缸軸封局部過熱，影響汽輪機(jī)暖機(jī)效果。

3 影響凝汽器真空度的因素

根據(jù)凝器汽的工作原理，真空度的形成主要靠海水冷卻，并用凝汽器抽真空系統(tǒng)來保持，抽真空泵本身無轉(zhuǎn)速或頻率調(diào)節(jié)裝置，但一般設(shè)置有三臺，正常保持1至2臺運(yùn)行，剩余泵置于聯(lián)鎖備用狀態(tài)，在凝汽器真空達(dá)到某一定值時(shí)，啟動備用泵，當(dāng)恢復(fù)到正常定值后，備用泵自動停運(yùn)。

海水冷卻方面，凝汽器原理近似于管式換熱器，汽輪機(jī)低壓缸排汽進(jìn)入換熱器殼側(cè)，循環(huán)冷卻水泵輸送的海水進(jìn)入管側(cè)。由熱平衡方程可知：Q=q低壓缸排汽（h2-h2'）=q海水C海水（T出口-T入口），其中Q為單位時(shí)間鈦管的換熱量，q低壓缸排汽為低壓缸排汽流量，h2為汽機(jī)低壓缸排汽的焓，h2'為凝汽器凝結(jié)水的焓，q海水為管側(cè)海水流量，C海水為海水熱容，T出口為管側(cè)出口海水溫度，T入口為管側(cè)入口海水溫度。從前述參數(shù)方程可以看出，h2-h2'數(shù)值與凝汽器壓力對應(yīng)條件下的汽化潛熱相同，且凝汽器真空度越差對應(yīng)的汽化潛熱越小[2]，此處可用該汽化潛熱代表凝汽器真空度；影響凝汽器真空度的的參數(shù)中q低壓缸排汽對應(yīng)汽輪機(jī)負(fù)荷，負(fù)荷越高，q低壓缸排汽越大，凝汽器真空度越低；q海水越大，凝汽器真空度越高；C海水近似為常量；T出口-T入口為凝汽器管側(cè)海水溫升，換熱量不變的情況下，管側(cè)海水流量越高，海水溫升越小，凝汽器真空度越高；低壓缸排汽溫度ts= tw1+△t+ δt，式中：tw1 為凝汽器循環(huán)冷卻水入口水溫；△t 為循環(huán)冷卻水溫升； δt 為凝汽器傳熱端差。[3]根據(jù)飽和蒸汽的熱力特性，凝汽器真空度與低壓缸排汽溫度ts為反相關(guān)，ts越高，凝汽器真空度越低，在△t和δt不變的情況下，循環(huán)冷卻水入口水溫及海水溫度越低，凝汽器真空度越高。

此外，在換熱總量不變的情況下，凝汽器保持在合適水位，傳熱管的換熱面積越大，清潔度越高，換熱效果越好，凝汽器真空度越高。

為了在某些緊急情況下快速停運(yùn)汽輪機(jī)，還設(shè)置了凝汽器真空破壞閥，可以在打開后快速提高汽輪機(jī)背壓，縮短惰轉(zhuǎn)時(shí)間。

某電廠汽輪機(jī)檢修后重新沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)，在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)有兩處軸瓦振動較檢修前明顯偏高，并穩(wěn)定在較高水平。為改善汽機(jī)振動，進(jìn)行了調(diào)節(jié)凝汽器真空度的嘗試，通過關(guān)小凝汽器抽真空泵入口閥開度，直至剩余1-2圈開度，維持24小時(shí)，真空度基本無變化；后又通過開啟凝汽器真空邊界的兩個(gè)閥門，凝汽器真空度緩慢降低，但二回路含氧量迅速升高，導(dǎo)致嘗試中止。對比另一電廠在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前通過關(guān)小抽真空泵入口閥，顯著降低了凝汽器真空度?？梢钥闯?，在汽輪機(jī)帶負(fù)荷的情況下，凝汽器真空度主要是由海水冷卻形成的。

4 綜述

結(jié)合前述分析，核電機(jī)組凝汽器真空度對于汽輪機(jī)組的經(jīng)濟(jì)型和安全性均有重要影響，需要根據(jù)實(shí)際需要，對凝汽器真空度相關(guān)因素進(jìn)行調(diào)整，使其保持在合適的區(qū)間內(nèi)，以保證機(jī)組安全高效運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]駱純珊.WWER-1000壓水堆核電廠熱工水力及工程熱力學(xué)基礎(chǔ)[M].2012：38.

[2]黃方谷.工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)[M].1993：119.

[3]苑景凱.影響凝汽器真空的理論分析與真空治理[J].電站系統(tǒng)工程，第33卷第5期.