采暖加熱系統(tǒng)影響凝汽器真空原因分析及解決方案

姚 堯， 王 磊

(華能山東石島灣核電有限公司， 山東威海 264300)

凝汽器真空度是電站運(yùn)行最重要的參數(shù)之一，真空度直接決定著汽輪機(jī)的運(yùn)行效率，同時(shí)也影響汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性[1]。而核電站二回路必須考慮的還有介質(zhì)和能量的回收以保證電廠運(yùn)行時(shí)介質(zhì)和能量損失的最小化，因此與蒸汽系統(tǒng)相關(guān)的疏水絕大部分都通過(guò)和凝汽器相連接的管道回收至凝汽器。

由于凝汽器須維持高真空度，必須綜合介質(zhì)的參數(shù)和廠房規(guī)劃合理地設(shè)計(jì)管徑、設(shè)備、管道布置等內(nèi)容，確保在回收介質(zhì)和能量的同時(shí)保證凝汽器的密封性完整，不會(huì)導(dǎo)致空氣進(jìn)入凝汽器而影響凝汽器真空。

筆者針對(duì)球床模塊式高溫氣冷堆核電站(HTR-PM)采暖加熱系統(tǒng)出現(xiàn)影響凝汽器真空的問(wèn)題進(jìn)行了原因分析并提出了解決方案。

1 原因分析

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

HTR-PM采暖加熱系統(tǒng)采用汽-水傳熱方式為HTR-PM常規(guī)島及BOP(Balance of Plant)廠房暖氣片或者暖風(fēng)機(jī)提供熱水，用于保障廠房冬季的溫度在可接受的范圍。采暖加熱系統(tǒng)使用汽輪機(jī)抽汽(表壓力為0.645 MPa，溫度為203 ℃)或輔助鍋爐的蒸汽(表壓力為1.25 MPa的飽和蒸汽)作為熱源，蒸汽經(jīng)減溫、減壓至表壓力為 0.4 MPa、溫度為155 ℃后，進(jìn)入采暖加熱器并把熱量傳遞給采暖熱水。采暖凝結(jié)水流入凝結(jié)水回收罐后通過(guò)2臺(tái)凝結(jié)水回收泵加壓回收。輔助鍋爐供汽時(shí)采暖凝結(jié)水回收至輔助鍋爐除氧器；汽輪機(jī)第二級(jí)抽汽供汽時(shí)，采暖凝結(jié)水回收至凝汽器；如果水質(zhì)不合格則不回收，直接排至地溝。

采暖加熱系統(tǒng)設(shè)置1套閉式凝結(jié)水回收裝置，設(shè)備采用模塊形式，凝結(jié)水回收裝置采用間歇式凝結(jié)水回收方式，凝結(jié)水回收泵根據(jù)凝結(jié)水回收罐內(nèi)的液位自動(dòng)動(dòng)作，當(dāng)高液位時(shí)水泵啟動(dòng)排水，低液位時(shí)水泵停止工作。閉式凝結(jié)水回收裝置分別通過(guò)1個(gè)手動(dòng)隔離閥向凝汽器、輔助鍋爐除氧器及排水地溝排水[2]。

1.2 問(wèn)題描述

采暖加熱系統(tǒng)閉式凝結(jié)水回收裝置初始系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1 ，凝結(jié)水回收罐上部安裝公稱直徑為89 mm(DN89)的溢流管道，用于故障情況下凝結(jié)水回收罐水位過(guò)高無(wú)法排走時(shí)溢流排至地溝。

圖1 凝結(jié)水回收裝置及標(biāo)高示意圖

汽輪機(jī)停運(yùn)時(shí)，輔助鍋爐為采暖加熱系統(tǒng)提供加熱蒸汽，蒸汽凝結(jié)水回收至輔助鍋爐除氧器，輔助鍋爐除氧器表壓力為0.02 MPa；汽輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，第二級(jí)抽汽為采暖加熱系統(tǒng)提供加熱蒸汽，蒸汽凝結(jié)水回收至凝汽器。

凝汽器正常運(yùn)行時(shí)絕對(duì)壓力pv約為4.5 kPa，凝結(jié)水回收罐正常運(yùn)行時(shí)內(nèi)部絕對(duì)壓力p0約為大氣壓力(101.3 kPa)。加熱蒸汽凝結(jié)水回收至凝汽器的流程中，閥7關(guān)閉、閥8打開(kāi)，由于凝結(jié)水回收罐和凝汽器之間的靜壓差，導(dǎo)致凝結(jié)水回收罐的水不斷被抽入凝汽器，當(dāng)凝結(jié)水回收罐中水排空時(shí)，空氣會(huì)通過(guò)溢流管道倒流進(jìn)入凝結(jié)水回收罐然后進(jìn)入凝汽器，導(dǎo)致凝汽器真空受到影響，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致凝汽器低真空停機(jī)。

1.3 理論計(jì)算

在采暖加熱系統(tǒng)中，凝結(jié)水回收罐底部水平標(biāo)高H1=0.73 m，連接凝汽器的閥8位置標(biāo)高H3=3.45 m。系統(tǒng)管道布置方式為蒸汽凝結(jié)水回收至凝汽器的運(yùn)行方式，即蒸汽凝結(jié)水通過(guò)閥8排至凝汽器。假設(shè)凝結(jié)水回收泵停運(yùn)，凝結(jié)水回收罐的水由p0和pv的壓力差驅(qū)動(dòng)。正常運(yùn)行時(shí)凝結(jié)水回收罐低水位相對(duì)于底部高度H2=0.46 m(標(biāo)高為1.19 m)。

利用靜態(tài)計(jì)算法初步計(jì)算凝結(jié)水回收罐和凝汽器之間管道上需要的水封高度[3]，假設(shè)所需水封高度為H。根據(jù)靜壓平衡計(jì)算[4]得到：

p0+ρg(H1+H2)=pv+ρg(H3+H)

(1)

式中：ρ為水的密度，取983.2 kg/m3(60 ℃時(shí))；g為重力加速度，取9.8 m/s2；p0取 101.3 kPa；pv取4.5 kPa。

計(jì)算得出H=7.79 m，即在不考慮設(shè)計(jì)裕量的前提下，需要增加7.79 m的水封才能保證凝結(jié)水回收罐中的水位保持在低水位，且凝汽器真空不會(huì)受到影響。原設(shè)計(jì)存在較大的缺陷，未能充分考慮到凝汽器真空和凝結(jié)水回收罐之間的靜壓差的影響，因此采暖加熱系統(tǒng)至凝汽器回水管道必須重新設(shè)計(jì)才能滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行要求。

2 解決方案

目前，解決方案有三種：在去凝汽器的管道上增加水封(單級(jí)水封或多級(jí)水封)、增加電動(dòng)隔離閥。借鑒其他電廠軸封加熱器或者疏水管道連接至凝汽器喉部的管道布置經(jīng)驗(yàn)，可以利用水封來(lái)實(shí)現(xiàn)凝汽器和外接管道之間的嚴(yán)密性。水封分為單級(jí)水封和多級(jí)水封，單級(jí)水封和多級(jí)水封的結(jié)構(gòu)和原理基本一致，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)置。

2.1 增加單級(jí)水封

增加單級(jí)水封后的流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 增加單級(jí)水封

增加的水封位置位于閥8下游和凝汽器接口之間管道上，管徑和前后管道的尺寸保持一致，水封高度為10 m，滿足靜態(tài)計(jì)算的7.79 m要求且有充分的設(shè)計(jì)裕量。只要泵的揚(yáng)程≥靜態(tài)計(jì)算法算出的水封高度，系統(tǒng)可以在保證水封完整性的前提下，將采暖凝結(jié)水排入凝汽器。

單級(jí)水封的優(yōu)點(diǎn)為：沒(méi)有電氣和機(jī)械傳動(dòng)裝置，無(wú)磨損和卡澀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便；無(wú)密封元件，密封性好；初始充注操作簡(jiǎn)單。但是單級(jí)水封的不足也很明顯，由于在大氣壓力下需要約10 m的水封，安裝位置需要足夠的高度，對(duì)于安裝空間要求較大，在電廠里管道布置縱橫交錯(cuò)，因此決定了單級(jí)水封的利用受到很多限制。

2.2 增加多級(jí)水封

增加多級(jí)水封后的流程圖見(jiàn)圖3。

圖3 增加多級(jí)水封

增加的水封位置同樣位于閥8下游和凝汽器接口之間管道上，水封共5級(jí)，每級(jí)2 m，水封總高度為10 m，滿足靜態(tài)計(jì)算的7.79 m要求且有充分的設(shè)計(jì)裕量。只要泵的揚(yáng)程≥靜態(tài)計(jì)算法算出的水封高度，系統(tǒng)可以在保證水封完整性的前提下，將采暖凝結(jié)水排入凝汽器。

多級(jí)水封是一個(gè)單獨(dú)模塊，由于高度相比單級(jí)水封(10 m)小了很多，因此相對(duì)單級(jí)水封來(lái)說(shuō)，在電廠里安裝位置限制小，可以根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際需要增減水封級(jí)數(shù)，同時(shí)調(diào)整每級(jí)水封的高度。由于和單級(jí)水封一樣沒(méi)有電氣和機(jī)械傳動(dòng)裝置，所以多級(jí)水封無(wú)磨損和卡澀，可靠性高。但是多級(jí)水封結(jié)構(gòu)相對(duì)于單級(jí)水封較為復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)專門(mén)的充注管道和排空管道，制造成本會(huì)相應(yīng)提高，檢修難度也會(huì)相應(yīng)提高，且彎頭較多，雜質(zhì)易沉積，容易造成水封內(nèi)部腐蝕。多級(jí)水封內(nèi)部可能產(chǎn)生水塞、氣塞，造成水封內(nèi)部液位異常，導(dǎo)致疏水不暢。

2.3 增加電動(dòng)隔離閥

在凝結(jié)水回收罐到凝汽器排水閥8的上游增加電動(dòng)隔離閥[5]，具體見(jiàn)圖4。

圖4 增加電動(dòng)隔離閥

增加電動(dòng)隔離閥后，電動(dòng)隔離閥的開(kāi)關(guān)動(dòng)作和凝結(jié)水回收泵A、B的啟停指令保持一致。當(dāng)凝結(jié)水回收罐水位較高時(shí)，凝結(jié)水回收泵A或B啟動(dòng)的同時(shí)，電動(dòng)隔離閥快速開(kāi)啟；當(dāng)凝結(jié)水回收罐水位較低時(shí)，凝結(jié)水回收泵A或B停運(yùn)，電動(dòng)隔離閥同步快速關(guān)閉。在保證蒸汽凝結(jié)水正常排出的工況下，可以保證凝結(jié)水回收罐的水不會(huì)排空，同時(shí)保證凝汽器真空不受影響。因此，增加電動(dòng)隔離閥的方案具有合理性、可行性。

增加電動(dòng)隔離閥的優(yōu)點(diǎn)為：與增加水封的方案相比，電動(dòng)隔離閥的安裝幾乎不受空間的制約，因此安裝位置靈活。但增加電動(dòng)隔離閥也存在較多的缺點(diǎn)：有電氣和機(jī)械傳動(dòng)裝置，需要設(shè)計(jì)專門(mén)的接線和控制邏輯；頻繁動(dòng)作可能引起磨損和卡澀，對(duì)設(shè)備制造和安裝質(zhì)量要求非常高；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備成本為這三種方案中最高，且對(duì)后期維護(hù)保養(yǎng)要求也最高；而且電動(dòng)隔離閥和閥8均存在墊片等密封件，若發(fā)生墊片損壞或者泄漏，同樣會(huì)影響凝汽器真空。

綜合考慮功能性、經(jīng)濟(jì)性、材料、安裝等各種因素，經(jīng)過(guò)詳細(xì)討論計(jì)算并論證后，選擇了第一種方案，即在HTR-PM采暖加熱系統(tǒng)和凝汽器之間的管道增加10 m單級(jí)水封作為實(shí)際施工方案，該方案得到設(shè)計(jì)院和電廠的一致認(rèn)可，不過(guò)最終的系統(tǒng)運(yùn)行效果還需要長(zhǎng)期運(yùn)行來(lái)檢驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

在電廠中，影響凝汽器真空的因素各種各樣，同時(shí)也有各種成熟的技術(shù)方案用于工程實(shí)踐中來(lái)進(jìn)行防范和優(yōu)化。筆者針對(duì)HTR-PM采暖加熱系統(tǒng)出現(xiàn)的影響凝汽器真空的問(wèn)題，提出上述三種方案用于討論、分析和比較，為電廠中出現(xiàn)的此類問(wèn)題給予一定參考。上述三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，沒(méi)有絕對(duì)的最優(yōu)化選項(xiàng)。在實(shí)際的工程運(yùn)用中需要考慮諸多的影響因素，根據(jù)實(shí)際需求選擇最合適的優(yōu)化方案。