核電參與電力輔助服務(wù)研究

蘇向南

【摘 要】我國大型壓水堆核電站多采用二級再熱的MSR系統(tǒng)（汽水分離再熱器），以此保證汽輪機(jī)排汽干度符合規(guī)范要求，這就使得大型壓水堆核電汽輪機(jī)再熱壓力的合理選擇存在較高必要性。基于此，本文圍繞大型壓水堆核電站汽輪機(jī)、MSR系統(tǒng)構(gòu)成開展了簡單分析，并深入探討了再熱壓力的針對性選取，希望由此能夠為相關(guān)業(yè)內(nèi)人士帶來一定啟發(fā)。

【關(guān)鍵詞】壓水堆核電站;汽輪機(jī);再熱壓力

中圖分類號： TM623.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）11-0056-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.11.026

【Abstract】Two-stage reheating MSR system （steam separation reheater） is often used in large PWR nuclear power plants in China， so as to ensure that the exhaust dry degree of steam turbine meets the requirements of the specification. This makes the reasonable selection of reheat pressure for large PWR nuclear turbine has a high necessity. Based on this， this paper makes a simple analysis on the structure of steam turbine and MSR system in large PWR nuclear power plant， and probes into the selection of reheat pressure in depth， hoping that it can bring some inspiration for the relevant professionals in the field.

【Key words】PWR nuclear power plant;Steam turbine;Reheat pressure

1 大型壓水堆核電站汽輪機(jī)及問題分析

1.1 大型壓水堆核電站汽輪機(jī)

大型壓水堆核電站汽輪機(jī)具備蒸汽參數(shù)低、采用汽水分離再熱器、體積流量大、易超速、多采用半轉(zhuǎn)速特點，這是為了保證機(jī)組的內(nèi)效率并應(yīng)對元件大型化帶來的影響，這類特點的存在也使得大型壓水堆核電站汽輪機(jī)與大型火電汽輪機(jī)存在顯著區(qū)別。

1.2 問題分析

二級再熱MSR系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于我國大型壓水堆核電站，這是為了避免汽輪機(jī)排汽濕度過高情況的出現(xiàn)。大型壓水堆核電汽輪機(jī)的排汽帶有微量濕度，如濕度無法得到有效控制，很容易出現(xiàn)超出末級葉片許用范圍、低壓缸效率降低問題，可見汽水分離再熱器應(yīng)用的必要性，汽輪機(jī)的排汽干度可由此實現(xiàn)長足提升。結(jié)合大型壓水堆核電機(jī)組的主蒸汽流程進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，MSR系統(tǒng)能夠?qū)⒔?jīng)過單流高壓缸膨脹做功后的反應(yīng)堆出口濕蒸汽轉(zhuǎn)化為干蒸汽，單流中壓缸、雙流低壓缸做功可由此獲得較好支持，最終的乏汽會進(jìn)入凝汽器。

2 MSR系統(tǒng)構(gòu)成及再熱壓力的針對性選取

2.1 MSR系統(tǒng)構(gòu)成

大型壓水堆核電站汽輪機(jī)應(yīng)用的MSR系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別為汽水分離器與再熱器，具體構(gòu)成如下：（1）汽水分離器。MSR系統(tǒng)中的汽水分離器主要負(fù)責(zé)處理帶有一定濕度的蒸汽，處理后的蒸汽可實現(xiàn)汽水分離，且蒸汽的濕度能夠逼近飽和蒸汽，即濕度可達(dá)到0.5%。（2）再熱器。MSR系統(tǒng)中的再熱器主要負(fù)責(zé)飽和蒸汽的加熱，由此MSR系統(tǒng)即可將反應(yīng)堆出口濕蒸汽最終轉(zhuǎn)化為干蒸汽。從理論層面進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)組循環(huán)效率會隨著再熱器級數(shù)的增多而提升，但這種提升的幅度會不斷縮小。

2.2 再熱壓力的針對性選取

2.2.1 計算思路

考慮到MSR系統(tǒng)出口的溫度直接影響大型壓水堆核電汽輪機(jī)再熱壓力的選取，而主蒸汽參數(shù)則會直接決定該問題，因此最佳再熱壓力的范圍必定會受到不同的反應(yīng)堆影響，為提升研究的實踐價值，本文選擇了EPR、CAP1400、CPR1000三種壓水堆作為研究對象，并由此針對性構(gòu)建計算模型。為保證計算取得結(jié)果的可靠性，三種壓水堆核電機(jī)組的計算均圍繞機(jī)組進(jìn)汽參數(shù)、排汽壓力、以及反應(yīng)堆熱功率保持額定值展開，為重新設(shè)計壓水堆核電汽輪機(jī)通流，需嚴(yán)格開展變化再熱壓力的計算。

2.2.2 再熱壓力與功率關(guān)系分析

三種壓水堆機(jī)型的選取不同的再熱壓力進(jìn)行計算，但計算建立在汽輪機(jī)末級濕度符合標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，由此可得出圖1所示的開口向下拋物線形式關(guān)系曲線，再熱壓力與機(jī)組功率關(guān)系由此得到了直觀展示。結(jié)合圖片進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，拋物線的頂端隨著主蒸汽壓力升高而不斷向右偏移，這說明主蒸汽壓力升高會導(dǎo)致再熱壓力的最佳值不斷升高，因此可確定主蒸汽壓力與最佳再熱壓力存在較高相關(guān)性。MSR系統(tǒng)的出口溫蒂會隨著主蒸汽壓力提升而升高，這一過程中壓水堆核電機(jī)組的低壓膨脹過程線不斷發(fā)生右移，這說明壓水堆核電機(jī)組的中低壓可利用焓降處于不斷縮短的狀態(tài)，為保證中低壓缸中蒸汽的充分膨脹，再熱壓力需適當(dāng)提高，機(jī)組循環(huán)效率可由此實現(xiàn)長足提升。

表1展示了相關(guān)參數(shù)受再熱壓力變化影響出現(xiàn)的定性變化趨勢。深入分析可以發(fā)現(xiàn)，高壓排汽濕度會因過高的再熱壓力而減小，總焓降會同時出現(xiàn)顯著降低;可用總焓降會在中低壓情況下實現(xiàn)長足提升，但部分級次會受到中低壓影響而過早進(jìn)入濕蒸汽區(qū)，效率會因此受到較為負(fù)面影響;高壓可用的總焓降會因再熱壓力過低而增大，但高壓缸效會因此增大的高壓排汽濕度而減小，存在一定上升趨勢的中低壓效率會伴隨著可利用焓降減小?？傊?，大型壓水堆核電汽輪機(jī)組的循環(huán)效率會因此再熱壓力的過低或過高而出現(xiàn)顯著下降。

2.2.3 最佳再熱壓力范圍選取

大型壓水堆核電汽輪機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性會直接受到再熱壓力的選擇影響，整個電廠的設(shè)計及相關(guān)部件的選擇也會同時受到較為深遠(yuǎn)影響。以國產(chǎn)百萬等級核電機(jī)組的汽輪發(fā)電機(jī)組布置為例，該機(jī)組中的汽輪機(jī)本體部件與MSR系統(tǒng)的尺寸基本相當(dāng)，因此可認(rèn)為MSR系統(tǒng)已經(jīng)成為大型壓水堆核電站汽輪發(fā)電機(jī)組的主機(jī)之一，再熱壓力的大小直接關(guān)系著再熱閥門、再熱熱段管道、MSR本體、高壓排汽管等部件的選擇。

結(jié)合國內(nèi)外核電工程經(jīng)驗不難發(fā)現(xiàn)，早期的部分核電汽輪機(jī)在可靠性層面存在嚴(yán)重問題，應(yīng)力腐蝕則是引發(fā)問題的主要原因，這類應(yīng)力腐蝕主要發(fā)生在過熱區(qū)向濕蒸汽的過渡區(qū)。結(jié)合大型壓水堆核電汽輪機(jī)組蒸汽膨脹特點可以發(fā)現(xiàn)，其蒸汽膨脹線和飽和線交點明顯較高，這說明火電機(jī)組過渡區(qū)部件的工作溫度明顯低于核電機(jī)組，二者的溫差在30℃左右。溫度直接影響核電汽輪機(jī)的應(yīng)力腐蝕程度，腐蝕惡化的嚴(yán)重性會隨著溫度的升高而提升，而為了保證核電汽輪機(jī)的應(yīng)力腐蝕控制在合理區(qū)間，再熱壓力具備的過渡區(qū)工作溫度控制能力必須得到充分發(fā)揮，大型壓水堆核電汽輪機(jī)組的可靠性可由此得到更好保障。

結(jié)合上述分析，研究最終得到了圖2所示的主蒸汽壓力與最佳再熱壓力范圍圖，結(jié)合該圖可以發(fā)現(xiàn)，大型壓水堆核電汽輪機(jī)組的主蒸汽壓力一般應(yīng)控制在13～18%區(qū)間。結(jié)合相關(guān)研究資料可以發(fā)現(xiàn)，已完成設(shè)計并投運(yùn)的典型EPR、CAP1400、CPR1000壓水堆核電汽輪機(jī)組的主蒸汽壓力分別設(shè)置為7.43MPa、5.38MPa、6.43MPa，再熱壓力則分別設(shè)置為1.15MPa、1.01MPa、0.95MPa，數(shù)據(jù)均處于最佳再熱壓力范圍，且機(jī)組的結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行中性能較為優(yōu)異，本文研究的實用性由此得到了較好證明。

3 結(jié)論

綜上所述，大型壓水堆核電汽輪機(jī)再熱壓力的選擇較為關(guān)鍵，本文提及的工程驗證則說明了研究中提及的大型壓水堆核電汽輪機(jī)組最佳再熱壓力范圍的可靠性，因此同類設(shè)計的開展必須重點關(guān)注這一范圍。

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[3]史卓忠.新型壓水堆核電廠一次調(diào)頻汽輪機(jī)控制探討[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2015（10）：81-83.作者簡介：楊海林（1979.04—），男，河北滄州人，漢族，本科，工程師，研究方向為核電站運(yùn)行管理。