秦山一期常規(guī)島設(shè)備更新設(shè)計(jì)研究

黃家運(yùn)，李儒鵬，邱天明，都立國

(中國電力工程顧問集團(tuán) 華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

1 概 述

1.1 項(xiàng)目概況

秦山一期300 MW級(jí)機(jī)組是中國大陸第一座自主開發(fā)、自行設(shè)計(jì)、自行建造和運(yùn)營管理的核電機(jī)組，標(biāo)志著“中國核電從這里起步”，被譽(yù)為“國之光榮”。機(jī)組于1985年3月20日正式開工，1991年12月15日首次并網(wǎng)發(fā)電，截止到2019年已運(yùn)行近28年，機(jī)組自1991年投運(yùn)以來各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良，運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行業(yè)績處于國內(nèi)外核電機(jī)組前列。

秦山一期300 MW級(jí)機(jī)組原設(shè)計(jì)壽期為30年，按照國外核電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)核電站運(yùn)行到設(shè)計(jì)壽命時(shí)，經(jīng)過技術(shù)改造可延長使用20年。據(jù)此，鑒于機(jī)組多年來良好的運(yùn)行情況，秦山一期300 MW級(jí)機(jī)組在2014年啟動(dòng)了運(yùn)行許可證延續(xù)工作，擬將機(jī)組運(yùn)行壽命延長至50年。

作為核電機(jī)組配套的常規(guī)島熱力系統(tǒng)及其發(fā)電相關(guān)的主要設(shè)備，其設(shè)計(jì)壽命亦為30年。為滿足核電站運(yùn)行許可證延續(xù)階段的安全可靠運(yùn)行，在完成部分關(guān)鍵設(shè)備壽期評(píng)估和可行性研究的基礎(chǔ)上，通過堆機(jī)參數(shù)匹配和優(yōu)化，采用先進(jìn)成熟的技術(shù)對(duì)包括汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)在內(nèi)的部分常規(guī)島主輔設(shè)備或部件開展技術(shù)升級(jí)和更新改造，并對(duì)常規(guī)島工藝系統(tǒng)配置及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度核算，從而為機(jī)組運(yùn)行壽命的延長奠定基礎(chǔ)。參照國外核電站運(yùn)行許可證延續(xù)經(jīng)驗(yàn)，秦山核電廠在運(yùn)行許可證到期前5年(2016年)啟動(dòng)了秦山一期300 MW級(jí)機(jī)組常規(guī)島設(shè)備更新工作，此項(xiàng)目稱之《常規(guī)島設(shè)備更新項(xiàng)目》。

1.2 項(xiàng)目目標(biāo)和要求

秦山一期實(shí)施常規(guī)島設(shè)備更新項(xiàng)目，要實(shí)現(xiàn)以下三大目標(biāo)：

1)消除常規(guī)島關(guān)鍵設(shè)備存在的問題、安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)，滿足核電站安全、可靠、高效運(yùn)行的要求;

2)延長汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行使用壽命，滿足機(jī)組運(yùn)行許可證延續(xù)工作的要求，確保上述設(shè)備在達(dá)到原設(shè)計(jì)壽命30年后，更新的設(shè)備及其部件(不包括易損件、消耗品)的設(shè)計(jì)使用壽命滿足延長運(yùn)行至50年的要求，并適應(yīng)未來設(shè)備老化和過時(shí)管理的需要;

3)通過常規(guī)島的技術(shù)改造，適當(dāng)提高機(jī)組的效率和出力，以實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)性。

基于以上目標(biāo)，常規(guī)島設(shè)備更新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案需滿足機(jī)組運(yùn)行許可證延續(xù)和增容改造兩項(xiàng)要求，從而實(shí)現(xiàn)改造后機(jī)組安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)行。

2 主要設(shè)計(jì)方案

2.1 方案關(guān)注重點(diǎn)

按照秦山一期常規(guī)島設(shè)備更新項(xiàng)目需要實(shí)現(xiàn)的三大目標(biāo)，制定切實(shí)的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)關(guān)注以下主要內(nèi)容:

1)提升機(jī)組發(fā)電功率，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。我國早期設(shè)計(jì)的核電機(jī)組，在核島設(shè)計(jì)上存在較多的設(shè)計(jì)裕量，在進(jìn)行延續(xù)運(yùn)行項(xiàng)目時(shí)，通過試驗(yàn)和評(píng)估，在保證安全的前提下，可釋放核島的潛力，并同時(shí)對(duì)機(jī)組冷端部分進(jìn)行優(yōu)化，盡可能提升機(jī)組的發(fā)電功率，提供機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性;

2)關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)優(yōu)選先進(jìn)成熟技術(shù)。通過試驗(yàn)和壽命分析后，對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行更換時(shí)，優(yōu)先考慮先進(jìn)成熟的技術(shù)，并考慮其相關(guān)輔助系統(tǒng)的適應(yīng)性;

3)通過堆機(jī)參數(shù)深度匹配，優(yōu)化汽輪發(fā)電機(jī)組選型。結(jié)合試驗(yàn)和多年運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)反應(yīng)堆和汽輪機(jī)各工況進(jìn)行優(yōu)化合理匹配，選擇合適的汽輪機(jī)進(jìn)口主蒸汽參數(shù)，確定最優(yōu)的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組型式，從而提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性;

4)基座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度核算，確保機(jī)組后續(xù)安全運(yùn)行。對(duì)于原汽輪機(jī)基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足改造后汽輪發(fā)電機(jī)組的要求，需進(jìn)行模態(tài)分析、動(dòng)力計(jì)算，校核基座強(qiáng)度，提出合適的改造方案，確保機(jī)組的安全運(yùn)行;

5)二回路設(shè)備適應(yīng)性分析，確保運(yùn)行安全可靠。對(duì)常規(guī)島二回路主要的加熱器、泵和調(diào)節(jié)閥等設(shè)備要進(jìn)行壽命評(píng)估后，要對(duì)于增容后設(shè)備參數(shù)進(jìn)行核算，確定二回路主要設(shè)備滿足機(jī)組增容改造后安全可靠運(yùn)行的要求;

6)二回路系統(tǒng)壓降及管道規(guī)格核算，確保機(jī)組高效安全運(yùn)行。按照新的設(shè)計(jì)參數(shù)，核算主蒸汽和抽汽系統(tǒng)壓降是否滿足新的熱平衡圖的要求，從而確保機(jī)組出力達(dá)到預(yù)定值；同時(shí)，對(duì)常規(guī)島二回路主要汽水管道的規(guī)格進(jìn)行核算，對(duì)于流速超限的管道要根據(jù)管道現(xiàn)狀，加強(qiáng)金屬監(jiān)督，定期測量壁厚，對(duì)于減薄部位管段要重點(diǎn)監(jiān)測或更換，確定機(jī)組安全運(yùn)行。

2.2 汽輪機(jī)更新方案

秦山一期300 MW機(jī)組的汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠的902機(jī)型的汽輪機(jī)，設(shè)計(jì)壽命為30年，運(yùn)行到30年壽期，汽輪機(jī)葉片、轉(zhuǎn)子、內(nèi)缸與隔板等關(guān)鍵部件將進(jìn)入壽命耗損故障期，這些關(guān)鍵部件的故障率隨著時(shí)間的推移而不斷上升，將會(huì)影響秦山一期300 MW級(jí)汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

飽和蒸汽核電汽輪機(jī)的大多數(shù)葉片工作在濕蒸汽區(qū)，主要的損傷機(jī)理有振動(dòng)高周疲勞、腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕、水蝕等，隨著運(yùn)行時(shí)間增長，累積壽命損耗增大。運(yùn)行到設(shè)計(jì)壽命后，呈故障集中出現(xiàn)趨勢，故障率快速上升。根據(jù)秦山一期300 MW級(jí)核電汽輪機(jī)低壓末級(jí)葉片已存在水蝕缺損，需要定期對(duì)葉片水蝕缺損情況進(jìn)行檢測與評(píng)估，并保證合理的運(yùn)行方式，才能在一定程度上保障汽輪機(jī)安全運(yùn)行。由于葉片水蝕行為不僅和設(shè)計(jì)制造措施有關(guān)，還依賴于機(jī)組運(yùn)行模式以及不可預(yù)估的水蒸氣成分，低壓末級(jí)葉片運(yùn)行到設(shè)計(jì)壽命，水蝕損傷將會(huì)快速發(fā)展，影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子主要的損傷機(jī)理有啟停低周疲勞、運(yùn)行高周疲勞、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞等，隨著運(yùn)行時(shí)間增長，累積壽命損耗增大。超設(shè)計(jì)壽命使用，呈故障集中出現(xiàn)趨勢，非計(jì)劃停運(yùn)率快速上升。

核電汽輪機(jī)的內(nèi)缸與隔板等靜止承壓部件，溫度分布不均勻，熱應(yīng)力比較大，主要的損傷機(jī)理有啟停低周疲勞、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞等，隨著運(yùn)行時(shí)間增長，累積壽命損耗增大。超設(shè)計(jì)壽命使用，呈故障集中出現(xiàn)趨勢，非計(jì)劃停運(yùn)率快速上升。

根據(jù)國內(nèi)外汽輪機(jī)事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，葉片、轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)動(dòng)部件的事故次數(shù)約占汽輪機(jī)事故次數(shù)的三分之一，這些轉(zhuǎn)動(dòng)部件斷裂的后果都比較嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失巨大；汽輪機(jī)隔板、內(nèi)缸等部件超設(shè)計(jì)壽命使用，存在內(nèi)缸嚴(yán)重變形、隔板靜葉脫落等將導(dǎo)致汽輪機(jī)動(dòng)靜碰摩等安全風(fēng)險(xiǎn)。

基于以上原因，在秦山一期常規(guī)島設(shè)備更新項(xiàng)目中，除汽輪機(jī)外缸和軸承座外，對(duì)原汽輪機(jī)本體進(jìn)行了整體更換，并保持本體外部管道接口規(guī)格不變。更換的汽輪機(jī)采用先進(jìn)通流優(yōu)化技術(shù)(AIBT)的汽輪機(jī)，機(jī)型由原末級(jí)葉片為869 mm的902機(jī)型改為末級(jí)葉片為905 mm的HN350機(jī)型。改造前和改造后的高壓模塊設(shè)計(jì)方案如圖1和如圖2所示。

圖1 汽輪機(jī)高壓模塊(改造前)

圖2 汽輪機(jī)高壓模塊(改造后)

2.3 發(fā)電機(jī)更新方案

秦山一期發(fā)電機(jī)為上海發(fā)電機(jī)廠第一代300 MW級(jí)發(fā)電機(jī)，設(shè)計(jì)壽命為30年。運(yùn)行到30年壽期，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈、主勵(lì)磁機(jī)、副勵(lì)磁機(jī)等關(guān)鍵部件將進(jìn)入壽命耗損故障期，這些關(guān)鍵部件的故障率隨著時(shí)間的推移而不斷上升，影響秦山一期300 MW級(jí)發(fā)電機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈絕緣、定子線圈絕緣、主勵(lì)磁機(jī)的線圈絕緣、副勵(lì)磁機(jī)的線圈絕緣，主要損傷機(jī)理是電老化、熱老化、冷熱循環(huán)老化、振動(dòng)機(jī)械老化等，隨著運(yùn)行時(shí)間增長，累積壽命損耗增大。超設(shè)計(jì)壽命使用，存在絕緣事故頻發(fā)、發(fā)電機(jī)線圈絕緣燒損等安全風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)電機(jī)機(jī)座、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯的使用壽命，大于發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)的絕緣壽命，在定子鐵芯絕緣測試與轉(zhuǎn)子鐵芯無損檢測安全的基礎(chǔ)上，這些部件可以實(shí)現(xiàn)超設(shè)計(jì)壽命的安全運(yùn)行。

秦山一期運(yùn)行中出現(xiàn)過發(fā)電機(jī)端部溫度高、發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)風(fēng)溫超過原設(shè)計(jì)報(bào)警值、發(fā)電機(jī)汽側(cè)和勵(lì)側(cè)冷風(fēng)存在較大溫差等情況。

基于以上原因，在常規(guī)島設(shè)備更新項(xiàng)目中，將發(fā)電機(jī)更改為采用成熟的第三代發(fā)電技術(shù)的雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)，僅保留原定子鐵心和轉(zhuǎn)子鍛件，勵(lì)磁系統(tǒng)也由原來的三機(jī)交流有刷勵(lì)磁改為靜態(tài)勵(lì)磁。

發(fā)電機(jī)通風(fēng)和定子線圈設(shè)計(jì)如圖3、圖4所示。

圖3 發(fā)電機(jī)通風(fēng)部分

圖4 發(fā)電機(jī)定子線圈

2.4 堆機(jī)參數(shù)匹配

秦山一期汽輪發(fā)電機(jī)組原設(shè)計(jì)銘牌功率為310 MW，2007年發(fā)電機(jī)定子線圈改造后，銘牌功率改為320 MW。通過試驗(yàn)結(jié)果表明，原機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)組的功率達(dá)到330 MW時(shí)，反應(yīng)堆熱功率小于原設(shè)計(jì)方案TMCR工況對(duì)應(yīng)的1 025 MW，秦山一期核島設(shè)備還有一定的出力余量，因此秦山核電一期核電機(jī)組有一定的增容潛力。

參考同類機(jī)組運(yùn)行的巴基斯坦恰希瑪核電站等國際慣例，結(jié)合國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《汽輪機(jī)規(guī)范》(IEC 60045-1)及國家標(biāo)準(zhǔn)《核電廠常規(guī)島設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50958—2013)，改造后取TMCR額定工況下的功率作為機(jī)組的銘牌功率，并按此作為汽輪機(jī)供貨商的保證功率考核值。

選擇一個(gè)合適的TMCR額定工況下的汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)成為堆機(jī)參數(shù)匹配的重點(diǎn)，該參數(shù)的選擇需滿足在核島設(shè)備不變化的前提下，將機(jī)組的出力和效率盡可能的提高，同時(shí)，在對(duì)應(yīng)機(jī)組規(guī)定的任何工況運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)堆熱功率均滿足安全分析報(bào)告的要求。另外，進(jìn)汽參數(shù)盡可能與供貨商已成熟運(yùn)行的汽輪機(jī)模塊相匹配，從而能夠使汽輪本體的效率達(dá)到最優(yōu)。

通過與核島設(shè)計(jì)方及汽機(jī)供貨商的多次配合和迭代運(yùn)算，最終確定的TMCR額定工況下汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)詳見表1。

表1 TMCR額定工況下汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)

2.5 機(jī)組背壓的優(yōu)化

本次常規(guī)島設(shè)備更新改造，提高機(jī)組出力是三大目標(biāo)之一。而提高機(jī)組出力，除了選擇合適的汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)外，對(duì)機(jī)組冷端參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化也是手段之一，優(yōu)化冷端參數(shù)最直接的方法就是優(yōu)化機(jī)組背壓。

而通過壽命分析，本次改造不對(duì)凝汽器及冷端循環(huán)水系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，因此背壓的優(yōu)化只能利用已有的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

秦山一期機(jī)組原設(shè)計(jì)背壓為4.9 kPa(a)，凝汽器是20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)的，當(dāng)時(shí)基于技術(shù)條件所限，計(jì)算相對(duì)比較保守，因此凝汽器的面積存在較大的裕量。雖然近幾年隨著秦山基地核電機(jī)組增加造成的溫排水影響及氣候的變化，循環(huán)冷卻水溫度有所上升，但研究發(fā)現(xiàn)秦山一期機(jī)組實(shí)際運(yùn)行背壓數(shù)據(jù)基本都低于原設(shè)計(jì)背壓值。最終，根據(jù)秦山一期近三年每天晝夜的運(yùn)行背壓數(shù)據(jù)，采用理論分析的方法，并考慮到延續(xù)運(yùn)行至50年壽命等因素，最終將凝汽器TMCR額定工況下設(shè)計(jì)背壓優(yōu)化至4.8 kPa(a),從而進(jìn)一步提高了機(jī)組的出力。

2.6 汽機(jī)基座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核

本次增容改造后，機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子質(zhì)量增加，將直接引起汽輪發(fā)電機(jī)基座上的質(zhì)量分布改變，由此引起汽輪發(fā)電機(jī)基座振動(dòng)擾力值的改變，同時(shí)會(huì)增大基座的動(dòng)力響應(yīng)。為確保改造后的汽輪發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需對(duì)原秦山一期設(shè)計(jì)的300 MW汽輪發(fā)電機(jī)基座進(jìn)行動(dòng)力分析和強(qiáng)度驗(yàn)算。

通過建立基座模型進(jìn)行有限元分析(見圖5、圖6)，采用現(xiàn)有資料和原設(shè)計(jì)混凝土及鋼筋強(qiáng)度，經(jīng)模態(tài)分析和動(dòng)力計(jì)算，機(jī)組增容改造后振動(dòng)線位移滿足規(guī)范要求；經(jīng)強(qiáng)度校核驗(yàn)算，基座框架柱和框架梁強(qiáng)度計(jì)算能滿足原設(shè)計(jì)時(shí)采用的《工業(yè)與民用建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TJ 7—74)規(guī)范要求?；炷聊途眯孕璋磭鴺?biāo)《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50144—2008)要求進(jìn)行耐久性檢測；按原設(shè)計(jì)，混凝土保護(hù)層厚度滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)規(guī)范要求。

圖5 汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)有限元模型

圖6 汽機(jī)基座截面

綜上所述，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，汽輪發(fā)電機(jī)基座的動(dòng)力和強(qiáng)度均能滿足原設(shè)計(jì)時(shí)采用的《工業(yè)與民用建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TJ 7—74)規(guī)范的要求，僅部分部位的配筋不滿足構(gòu)造要求，經(jīng)過研究認(rèn)為不影響本次改造的功能使用，目前階段無需對(duì)原基座進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造。

2.7 二回路加熱器適應(yīng)性分析

根據(jù)堆機(jī)匹配后的汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)和優(yōu)化后的凝汽器設(shè)計(jì)背壓，主機(jī)廠提供了改造后的熱平衡圖，按照熱平衡圖相關(guān)參數(shù)，需對(duì)二回路相關(guān)加熱器進(jìn)行增容改造后的適應(yīng)性分析。

通過對(duì)二回路加熱器的熱負(fù)荷進(jìn)行分析表明，增容改造后2號(hào)高壓加熱器、3號(hào)高壓加熱器、1號(hào)低壓加熱器、2號(hào)低壓加熱器、3號(hào)低壓加熱器、除氧器、凝汽器、高壓疏水?dāng)U容器、汽水分離再熱器均能滿足機(jī)組增容改造后的要求，具備適應(yīng)改造后的增容能力。但改造后1號(hào)高壓加熱器熱負(fù)荷超過原設(shè)計(jì)值10%以上，需要更換傳熱面積更大的1號(hào)高壓加熱器；若不更換1號(hào)高壓加熱器，給水溫度將有所降低，影響蒸汽發(fā)生器的參數(shù)和汽輪機(jī)的熱耗率，因此本次增容改造確定更換1號(hào)高壓加熱器。

此外，汽水分離再熱器的進(jìn)汽分配管存在局部腐蝕現(xiàn)象和筒體減薄問題，考慮到MSR成本和本次大修周期等因素，暫時(shí)不進(jìn)行改造。建議采取加強(qiáng)金屬監(jiān)督、在大修中測量管束厚度、根據(jù)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間推算管束減薄速率并預(yù)測管束剩余壽命等管理措施，并依據(jù)管束的減薄情況、剩余壽命以及管束堵管情況，定期給出安全性分析報(bào)告和改進(jìn)措施；提前依據(jù)管束壁厚減薄情況和剩余壽命確定更換時(shí)間，從而保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

2.8 二回路泵組參數(shù)復(fù)核

根據(jù)改造后的熱平衡圖和管道布置，對(duì)二回路給水泵、凝結(jié)水泵和工業(yè)水泵的流量和揚(yáng)程進(jìn)行了復(fù)核，從而確定本次改造是否需要更新相關(guān)設(shè)備。

秦山一期給水系統(tǒng)配置3臺(tái)50%容量的電動(dòng)給水泵，兩用一備，給水泵設(shè)計(jì)流量為1077 t/h。根據(jù)秦山一期原熱平衡圖，在最大連續(xù)出力工況下單臺(tái)給水泵組的流量為1007.5 t/h，根據(jù)改造后最新的熱平衡圖，在額定工況(TMCR)下單臺(tái)給水泵組的新流量為985 t/h，給水泵組在最大連續(xù)出力工況時(shí)的原流量大于改造后額定工況(TMCR)時(shí)的新流量，表明給水泵組能滿足改造后給水系統(tǒng)的流量需求；根據(jù)泵的揚(yáng)程曲線，新流量對(duì)應(yīng)的泵揚(yáng)程大于原流量對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程，表明原給水泵組能滿足改造后給水系統(tǒng)的揚(yáng)程要求。因此，原給水泵組的選型滿足改造后給水系統(tǒng)的技術(shù)要求。

秦山一期凝結(jié)水系統(tǒng)配置三臺(tái)50%容量的凝結(jié)水泵，兩用一備，單臺(tái)凝結(jié)水泵設(shè)計(jì)流量為750 t/h。根據(jù)秦山一期原熱平衡圖，在最大連續(xù)出力工況下單臺(tái)凝結(jié)水泵的原流量為635.95 t/h；根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，單臺(tái)凝結(jié)水泵的最大運(yùn)行流量為806.69 t/h；按照改造后最新的熱平衡圖，在額定工況(TMCR)下單臺(tái)凝結(jié)水泵的新流量為629.284 t/h。對(duì)比改造前后凝結(jié)水泵的流量，凝結(jié)水泵的原額定流量和試驗(yàn)測得的水泵最大流量均大于改造后的新額定流量，表明原凝結(jié)水泵能滿足改造后凝結(jié)水系統(tǒng)的流量需求；根據(jù)泵的揚(yáng)程曲線，新額定流量對(duì)應(yīng)的泵揚(yáng)程大于原額定流量對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程，表明原凝結(jié)水泵能滿足改造后凝結(jié)水系統(tǒng)的揚(yáng)程要求。因此，原凝結(jié)水泵的選型滿足改造后凝結(jié)水系統(tǒng)的技術(shù)要求。

秦山一期工業(yè)水系統(tǒng)配置兩臺(tái)100%容量的工業(yè)水泵，一用一備。根據(jù)《核電廠常規(guī)島設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50958—2013)，工業(yè)水泵的容量不應(yīng)小于機(jī)組最大冷卻水量的110%。一臺(tái)機(jī)組所需的最大冷卻水水量為640 t/h，考慮10%的余量，機(jī)組所需的工業(yè)水量為 704 t/h，小于原工業(yè)水泵的設(shè)計(jì)流量1080 t/h。因此，原工業(yè)水泵的選型滿足改造后工業(yè)水系統(tǒng)的流量需求。

2.9 主蒸汽系統(tǒng)和抽汽系統(tǒng)管道壓降計(jì)算

根據(jù)主機(jī)廠提供的改造后熱平衡圖，按照原有管道布置情況，計(jì)算二回路主蒸汽系統(tǒng)和抽汽系統(tǒng)管道壓降是否滿足熱平衡圖的要求，是保證機(jī)組出力達(dá)到熱平衡圖要求的一項(xiàng)關(guān)鍵工作。

根據(jù)《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5054—2016)和《核電廠常規(guī)島汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》(NB/T 20193—2012)的規(guī)定，對(duì)于管道終端與始端介質(zhì)比容不大于1.6或壓降不大于初壓40%的蒸汽管道壓降。可按下列公式計(jì)算：

(1)

式中：ξt——管道總的阻力系數(shù)，包括沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)之和；

ω——管內(nèi)介質(zhì)流速，(單位為米每秒)(m/s)；

ν——介質(zhì)的比容，(單位為立方米每千克)(m3/kg)；當(dāng)Δp≤0.1p時(shí)，可取已知的管道始端或終端比容；當(dāng)0.1p1<Δp≤0.4p1時(shí)，應(yīng)取管道始端和終端比容的平均值。其中管道總阻力系數(shù)可按下列公式計(jì)算：

(2)

式中：ξt——管道總阻力系數(shù)；

λ——管子摩擦系數(shù)；

L——管道總展開長度，包括附件長度(m)；

∑ξ1——管道附件的局部阻力系數(shù)總和。

根據(jù)核島設(shè)計(jì)方提供的核島和常規(guī)島設(shè)計(jì)分界處蒸汽參數(shù)，對(duì)TMCR額定工況及部分負(fù)荷工況的主蒸汽管道進(jìn)行了阻力計(jì)算。在TMCR工況時(shí)，主蒸汽管道的壓降最大，總壓降為0.2227 MPa,壓降比為4.0%。其中包括安全殼內(nèi)的主蒸汽管道壓降為0.0227 MPa(a)和安全殼至汽輪機(jī)主汽閥前的主蒸汽管道壓降為0.2 MPa(a)。此時(shí)主汽閥前主蒸汽的壓力約為5.3473 MPa(a)，與熱平衡圖計(jì)算中主蒸汽閥前壓力值5.34 MPa(a)基本一致。

根據(jù)主機(jī)廠提供的改造后熱平衡圖中各抽汽管道的壓力、溫度及流量數(shù)據(jù)，對(duì)秦山一期的各級(jí)抽汽管道阻力進(jìn)行了計(jì)算。一級(jí)抽汽管道的總壓降為0.1265 MPa，壓降比約為4.79%，小于汽機(jī)廠熱平衡圖中的計(jì)算壓降值0.1325 MPa，滿足汽機(jī)廠熱力計(jì)算對(duì)一級(jí)抽汽管道壓降的要求。二級(jí)抽汽管道的總壓降為0.0383 MPa，壓降比約為2.26%，小于汽機(jī)廠熱平衡圖中的計(jì)算壓降值0.0849 MPa，滿足汽機(jī)廠熱力計(jì)算對(duì)二級(jí)抽汽管道壓降的要求。三級(jí)抽汽管道的總壓降為0.0128 MPa，壓降比約為1.61%，小于汽機(jī)廠熱平衡圖中的計(jì)算壓降值0.0401 MPa，滿足汽機(jī)廠熱力計(jì)算對(duì)三級(jí)抽汽管道壓降的要求。四級(jí)抽汽管道的總壓降為0.0184 MPa，壓降比約為5.28%，小于汽機(jī)廠熱平衡圖中的計(jì)算壓降值0.0349 MPa，滿足汽機(jī)廠熱力計(jì)算對(duì)四級(jí)抽汽管道壓降的要求。五級(jí)抽汽管道的總壓降為0.0037 MPa，壓降比約為2.70%，小于汽機(jī)廠熱平衡圖中的計(jì)算壓降值0.0045 MPa，滿足汽機(jī)廠熱力計(jì)算對(duì)五級(jí)抽汽管道壓降的要求。

2.10 二回路主要汽水管道規(guī)格復(fù)核

根據(jù)改造后熱平衡圖中各管道的壓力、溫度及流量數(shù)據(jù)，需對(duì)秦山一期現(xiàn)用主要汽水管道的規(guī)格和流速進(jìn)行核算，從而確保機(jī)組運(yùn)行的安全性。

通過流速計(jì)算和規(guī)格復(fù)核，除旁路閥后管道、一級(jí)抽汽管道、一級(jí)高加沖洗管道、給水泵再循環(huán)管道、1號(hào)低加危急疏水管道外，二回路其他汽水管道均未超過《核電廠常規(guī)島汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》(NB/T 20193—2012)所要求的推薦流速上限，管道的材質(zhì)也在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

對(duì)于流速超限的旁路閥后管道、一級(jí)抽汽管道、一級(jí)高加沖洗管道、給水泵再循環(huán)管道、1號(hào)低加危急疏水管道，考慮改造周期及目前管道情況，建議對(duì)相應(yīng)管道(特別是管線中的閥門、節(jié)流孔板、彎頭、三通、大小頭等結(jié)構(gòu)突變區(qū)域)進(jìn)行金屬監(jiān)督和定期測量壁厚等措施，必要時(shí)及時(shí)更換減薄部位管段(特別是當(dāng)壁厚減薄到最小壁厚時(shí)，必須及時(shí)更換)，從而保證管道安全運(yùn)行。另外，對(duì)于與海水接觸的冷卻水管道，除了采取上述措施，還建議加強(qiáng)海水腐蝕監(jiān)督，定期檢查涂料和陽極塊的完整性，如發(fā)現(xiàn)內(nèi)涂料脫落和陽極塊缺失，應(yīng)及時(shí)填補(bǔ)涂料和更換陽極塊，從而保證管道安全運(yùn)行。

3 結(jié) 論

作為秦山一期運(yùn)行許可證延續(xù)工作的一部分，目前常規(guī)島設(shè)備更新項(xiàng)目已實(shí)施完畢，項(xiàng)目完成了堆機(jī)參數(shù)匹配、汽輪發(fā)電機(jī)組本體設(shè)備更新、1號(hào)高壓加熱器的更換、基座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核算、二回路主要設(shè)備的壽命評(píng)估和參數(shù)復(fù)核、主蒸汽和抽汽管道壓降復(fù)核、二回路主要汽水管道的規(guī)格核算等工作。

改造后的機(jī)組額定工況下的出力增至350 MW，機(jī)組于2018年10月29日通過了350 MW連續(xù)168 h試運(yùn)行，并已完成勵(lì)磁系統(tǒng)建模、發(fā)電機(jī)進(jìn)相、PSS參數(shù)正定、機(jī)組熱力性能等相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)組在TMCR額定工況下能在350 MW負(fù)荷連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。改造后的機(jī)組達(dá)到了常規(guī)島設(shè)備更新項(xiàng)目的目標(biāo)，消除了常規(guī)島關(guān)鍵設(shè)備存在的問題、安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)，延長了機(jī)組運(yùn)行使用壽命，提升了機(jī)組的出力從而提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

4 意 義

我國核電從秦山一期300 MW級(jí)機(jī)組發(fā)展到今天，運(yùn)行機(jī)組數(shù)量已達(dá)到40余臺(tái)，在核電設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行上也已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，也取得了豐碩的成果。但對(duì)于核電機(jī)組設(shè)計(jì)壽命初次到期后的運(yùn)行許可證延續(xù)工作還處于探索階段，作為運(yùn)行許可證延續(xù)工作中的重要部分，常規(guī)島設(shè)備更新工作也無先例可參照。

本次秦山一期常規(guī)島設(shè)備更新項(xiàng)目是我國第一次為核電機(jī)組延續(xù)運(yùn)行進(jìn)行的一次全面的常規(guī)島更新和復(fù)核工作，該項(xiàng)目的成功實(shí)施，為我國后續(xù)核電機(jī)組運(yùn)行許可證延續(xù)進(jìn)行常規(guī)島設(shè)備更新提供了一種可借鑒的模式，具有非常重要的示范作用和借鑒意義。