楊少東
(福建福清核電有限公司,福建 福清 350300)
常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)(SRI)是常規(guī)島最大的冷源,它將常規(guī)島系統(tǒng)設(shè)備和部分BOP系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生的熱量導出,保證這些系統(tǒng)的安全運行。并且為保證SRI的正常運行,需要大量的輔助系統(tǒng)運行給予支撐。主要包括:
1)循環(huán)水系統(tǒng)(CRF):為其提供冷卻水;
2)輔助冷卻水系統(tǒng)(SEN):過濾海水和熱交換;
3)大量的SRI負荷熱交換器:為SRI提供足夠的流量,保證SRI泵正常運行。
若需要對以上系統(tǒng)或設(shè)備進行檢修,就需要停運SRI。按照以往大修經(jīng)驗,這在汽輪機打閘3~4天后才具備條件,嚴重影響大修節(jié)奏。本文對SRI系統(tǒng)進行了深入研究,對其停運窗口進行了分析并給出了優(yōu)化意見。
SRI所有用戶及大修常規(guī)島停運期間各負荷的停運條件如表1所示。
從表1可以看出,停運時間最晚的是GGR油冷卻器,較前一個負荷晚2天多。目前短大修二十幾天,而SRI又是常規(guī)島最后停運,最先啟動的系統(tǒng),因此SRI停運檢修時間就10天左右,提前這2~3天對于大修常規(guī)島檢修來說至關(guān)重要。并且它還是CRF/SEN等系統(tǒng)的停運的先決條件。
表1 SRI用戶及其停運條件Table 1 SRI users and their outage conditions
SRI停運的主要制約因素是需要等盤車停運,盤車運行需供應(yīng)潤滑油,而潤滑油又需要冷卻。為保障汽機安全,避免停機后汽機受熱不均產(chǎn)生不可逆變形,要求汽機高壓缸溫度降至120 ℃以下才可以停運汽輪機,但高壓缸溫越接近120 ℃下降越慢,且其降溫方式已無優(yōu)化空間。根據(jù)歷次大修經(jīng)驗,達到汽機停運條件,基本需要70~90 h,這也是目前SRI可以停運時間。
由于維持SRI運行涉及的系統(tǒng)較多,從大修下行做完GRE調(diào)閥試驗后SRI的熱負荷僅剩GGR油冷卻器。而此時GGR的熱源有:
1)潤滑油和頂軸油泵運行產(chǎn)生的熱量;
2)汽輪機發(fā)電機軸承傳遞給潤滑油的熱量。
潤滑油泵和頂軸油泵上游電源均為380 V運行產(chǎn)生的熱量較小,同時汽輪機打閘后盤車狀態(tài)下汽機軸承產(chǎn)生的熱量也較少,而GGR系統(tǒng)管線和油箱的傳熱面積很大。因此可考慮在GGR停運前,將SRI停運,僅靠空氣來冷卻汽機潤滑油。
該方法的關(guān)鍵就是保證潤滑油溫度可控,根據(jù)汽機運行手冊,GGR潤滑油溫度在30~60 ℃內(nèi)可保證汽機運行安全。下面來討論該方法的可行性。
首先根據(jù)能量守恒,有個總的關(guān)系式:
傳遞給潤滑油的熱量=潤滑油散出的熱量+潤滑油溫度升高吸收的熱量
另外,傳遞給潤滑油的熱量=潤滑油和頂軸油泵運行產(chǎn)生的熱量+汽輪機發(fā)電機軸承傳遞給潤滑油的熱量
對于潤滑油和頂軸油泵傳遞給潤滑油的熱量,由于兩臺泵在盤車狀態(tài)下運行電流、電壓穩(wěn)定,因此可視為恒定值;另外在整個盤車狀態(tài)下汽輪機軸承和潤滑油供油溫差恒定,且油流量和油物性參數(shù)恒定,根據(jù)牛頓冷卻公式可知汽機軸承傳遞給潤滑油的熱量也為一定值。
綜上,傳遞給潤滑油的熱量始終為一定值,我們設(shè)定其為Φ。
潤滑油散出的熱量,包括對流和導熱,可表達為:
q=Ak(t-tf)
式中:q——表示潤滑油散出的熱量,W;
A——潤滑油系統(tǒng)的總散熱面積;
k——總傳熱系統(tǒng),保護導熱和對流兩部分,W/( m2·k);
t——汽輪機潤滑油溫度,由于潤滑油一直在大循環(huán),假設(shè)其各處均勻一致;
tf——環(huán)境溫度,假設(shè)保持恒定;
潤滑油溫度升高吸收的熱量,根據(jù)能量守恒,可表示為:
式中:E——潤滑油溫度吸收的熱量,J/min;
c——潤滑油的比熱容,J/(kg·K);
因此根據(jù)總關(guān)系式Φ=q+E可得出:
(1)
這是一個微分方程,假設(shè)任意時刻潤滑油與環(huán)境溫差(t-tf)=θ,初始時刻潤滑油和環(huán)境溫差為θ0=(t0-tf),則上式整理可得:
即:
進行積分:
(2)
可得:
化簡,即
(3)
上式中只有時間τ和潤滑油溫度t是變量,其他均為固定值。對于實際的汽機和潤滑油系統(tǒng),管線和傳熱情況復雜,其參數(shù)雖為固定值,但其具體數(shù)值難以知曉。因此上述潤滑油溫度變化可以寫成如式(4):
t=-ae(-bτ+c)+d
(4)
其中,a、b、c、d均為固定參數(shù),根據(jù)物理意義都是正數(shù)。
該曲線表達式是否正確,可以從福清204及403大修停運SRI時GGR溫度上升曲線來判斷,如圖1和圖4。這兩次大修時為了使相關(guān)檢修工作及時開展,做了提前停運SRI嘗試,但只是根據(jù)經(jīng)驗來控制GGR油溫,沒有理論依據(jù)。整個過程僅根據(jù)汽機高壓缸溫度來判斷SRI停運窗口。
圖1 FQ-204時盤車條件下潤滑油供油和汽輪機軸承溫度趨勢Fig.1 The trend of lubricating oil supply and turbine bearing temperature under turning condition during FQ-204
204大修時SRI在汽機高壓缸溫度132 ℃時停運,GGR運行20 h后停運,期間GGR供油溫度2GGR102MT變化曲線如圖2所示。
圖2 FQ-204時SRI停運后潤滑油溫度變化趨勢Fig.2 The change trend of lubricating oil temperature after SRI shutdown during FQ-204
將該曲線中2SRI停運到GGR停運之間潤滑油溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)點導出,按照式(4)進行函數(shù)擬合,如圖3所示。
圖3 FQ-204時擬合后的潤滑油溫度趨勢Fig.3 The temperature trend of lubricating oil after fitting during FQ-204
計算結(jié)果a=0.350 93,b=0.001 143 2,c=3.722 2,d=54.904;所有真實溫度和擬合曲線點的溫度最大偏差不超過0.3%。
403大修時SRI在汽機高壓缸溫度135 ℃時停運,GGR運行29 h后停運,期間GGR供油溫度4GGR102MT變化曲線如圖4所示。
圖4 FQ-403時SRI停運后潤滑油溫度變化趨勢Fig.4 The change trend of lubricating oil temperature after SRI shutdown during FQ-403
將該曲線中4SRI停運到GGR停運之間潤滑油溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)點導出,按照式(4)進行函數(shù)擬合,如圖5所示。
圖5 FQ-403時擬合后的潤滑油溫度趨勢Fig.5 The temperature trend of lubricating oil after fitting during FQ-403
計算結(jié)果a=0.390 87,b=0.001 077 4,c=3.784 79,d=54.012。且所有真實溫度和擬合曲線點的溫度最大偏差也不超過0.5%。
圖6 FQ-403時SRI停運后環(huán)境溫度變化Fig.6 The ambient temperature change after SRI shutdown during FQ-403
因此,可以在SRI停運后,結(jié)合環(huán)境溫度,選幾個小時潤滑油溫度點進行函數(shù)擬合,能夠較準確的計算出GGR油溫能夠達到的最高溫度。
福清核電204和403大修分別是在5月和9月進行的,平均環(huán)境溫度在24 ℃,潤滑油溫度最大值不會超過55 ℃。因此在每年11月到次年4月之間大修時平均環(huán)境溫度在20 ℃以下,停運SRI時可以不用顧忌GGR潤滑油溫度上漲不可控,可以在GFR停運直接停運SRI。對于在夏天6到8月大修時,環(huán)境平均溫度可能達到30 ℃,此時GGR潤滑油溫度可能會上漲到60 ℃,但提前24 h停運SRI也問題不大,并在SRI停運后的初始幾小時根據(jù)環(huán)境溫度預測會達到的最高溫度。
從油溫上漲關(guān)系式中,傳熱面積A、潤滑油比熱容c、潤滑油質(zhì)量m均很難改變,可以改變的僅有環(huán)境溫度tf,熱源熱量Φ、和潤滑油系統(tǒng)和環(huán)境之間的導熱率k。
3.2.1 環(huán)境溫度tf
環(huán)境溫度影響潤滑油供油和回油管道,及潤滑油箱的傳熱,由于潤滑油箱和潤滑油管道總面積相似,因此增加兩者之一散熱都可以顯著降低GGR系統(tǒng)溫度。
潤滑油管道在MX廠房,空間開闊,大修停機常規(guī)島熱源減少。且停機前已打開MX大門、窗戶、啟動MX廠房內(nèi)風機,MX溫度與室外溫度基本一致,不需要采取其他降溫措施。
但潤滑油箱房間(MX401)內(nèi)封閉,其溫度遠高于MX大廳溫度。當前潤滑油房間(MX401)有一個新風口,2個排風機,2個循環(huán)風機。房間內(nèi)溫度在滿功率運行情況下與室外溫差在10~15 ℃,停機時溫差在5 ℃左右。而潤滑油箱溫度與潤滑油一致,要增加換熱就要增加油箱和房間的溫差??尚械姆椒ㄖ痪褪窃黾有嘛L量,性價比最高的是打開MX401房間前后兩個防火門;再者是吊開主油箱上部的水泥蓋板,該蓋板大修做潤滑油泵和風機預防性維修時都要打開。由于潤滑油箱房間是重點防火區(qū),打開防火邊界的措施需要評估。
還有一種方法是在房間內(nèi)安裝大功率空調(diào),但房間面積200 m2,且地面為鋼格柵蓋板,不穩(wěn)固,無法滿足抗震要求。同時附近無排空調(diào)冷凝水路徑。諸多條件限制無法安裝空調(diào)。
3.2.2 導熱率k
導熱率根據(jù)傳熱機理可以分為“熱傳導”和“對流換熱”,對于熱傳導主要是系統(tǒng)本身,主要是減少管道和設(shè)備內(nèi)的油污。在油質(zhì)合格的情況下不會有大變化。
對流換熱方式中,由于潤滑油管道在MX大廳,空間開闊,人為干預難度大。我們主要考慮潤滑油箱房間改變“表面換熱系數(shù)”的方法。傳熱理論[1]中自然對流換熱基本由材料的尺寸、位置和傳熱介質(zhì)決定,無法改變??筛淖兊目蓪⒆匀粚α鬓D(zhuǎn)換為強迫對流,主要還是增加傳熱表面的風速。這可通過在房間內(nèi)增加風機來實現(xiàn)。風機的安裝位置有以下選擇:
1)安裝在熱交換器處。且由于GGR系統(tǒng)為板式熱交換器,根據(jù)其工作原理(如圖7),在SRI停運時,該熱交換器基本失去冷卻作用。由于在每層隔板之間安裝有橡膠墊片,SRI停運時其冷卻效果近似半橡膠管道,增加其表面空氣流速,對GGR整體的換熱效果影響不大。
圖7 板式熱交換器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.7 The structure of the plate heat exchanger
2)安裝在主油箱頂部。由于熱空氣上升,該區(qū)域溫度最高,但是房間內(nèi)已有2臺循環(huán)風機,每臺額定風量2 685 m3/h,足夠大。因此沒有必要。
3)安裝在GGR油箱最靠墻位置。該位置強和油箱之間的距離不足1 m,傳熱效果很差,安裝風機能夠明顯增加該傳熱面的傳熱效果。但是該區(qū)域位置狹小,沒有穩(wěn)定的地面,且周圍均為易燃油,換熱效果和房間溫度密切相關(guān)。因此安裝的可行性和必要性需要評估。
3.2.3 熱源Φ
從上述分析可知,沒有停GGR系統(tǒng)的主要原因是需要盤車運行保持汽機冷卻均勻。但是盤車有主盤車(8 r/min)和輔助盤車(5 r/h)兩部分組成,主盤車需要潤滑油、頂軸油泵運行,而輔助盤車僅需要頂軸油泵運行即可。交流潤滑油泵運行電流約140 A,頂軸油泵運行電流約100 A??稍跐M足條件后停運主盤車,啟動輔助盤車,停運交流潤滑油泵,可減少熱源約50 kW。
但輔助盤車運行時主控不便于監(jiān)視盤車運行狀態(tài),需要就地確認。且輔助盤車運行不可靠,故障率較高。因此是否采用該方法,及采用該方法的時機需要綜合評估。
冬天在環(huán)境溫度始終維持在20 ℃以下時,可在GRE調(diào)閥試驗完成后直接停運SRI(約汽機打閘后24 h),不用采取任何措施,GGR油溫不會超過55 ℃。
春、秋兩季環(huán)境平均溫度在20~27 ℃,高壓缸溫度140 ℃時停運SRI無需采取措施,GGR潤滑油溫也會保持在55 ℃以下。也可在GRE調(diào)閥試驗結(jié)束后直接停運SRI,但可能會使?jié)櫥蜏爻^55 ℃接近60 ℃。因此建議采取以下措施:
1)SRI停運前提前2~3 h手動降低GGR油溫至30 ℃,以降低潤滑油箱溫度,可減緩油溫升至高溫時間約7~8 h;
2)打開潤滑油箱房間前后防火門,降低房間溫度。
(3)夏季環(huán)境溫度在27 ℃以上時,若在高壓缸溫度140 ℃以上停運SRI,潤滑油溫度可能會略微超過60 ℃,停運SRI時需要采取以下措施。優(yōu)先順序如下:
1)SRI停運前降低GGR油溫至30 ℃,以降低潤滑油箱油溫;
2)打開潤滑油箱房間前后防火門,降低房間溫度;
3)SRI停運6 h后按照式(4)擬合計算最高溫度,確定是否需要采取以下措施:①高壓缸溫在130 ℃以下時,若確定溫度無法控制,可停運主盤車、停運潤滑油泵、啟動輔助盤車;②聯(lián)系維支吊出主油箱上方水泥蓋板。