基于冷端優(yōu)化的二次循環(huán)冷卻核電汽輪機(jī)選型研究

周廣沙， 金 濤， 曲曉明

(中國(guó)電建集團(tuán)核電工程有限公司，濟(jì)南 250000)

隨著我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施，核電作為清潔能源最重要的基本負(fù)荷電源，其規(guī)模日益增加，核電廠的選址也由沿海逐漸轉(zhuǎn)向內(nèi)陸。與沿海核電汽輪機(jī)的直流循環(huán)冷卻系統(tǒng)不同的是，內(nèi)陸核電汽輪機(jī)大多采用帶冷卻塔的二次循環(huán)冷卻方式，因此其冷端系統(tǒng)更為復(fù)雜；同時(shí)，核電汽輪機(jī)排汽量比同容量的火電汽輪機(jī)排汽量大很多，因此其冷端條件對(duì)機(jī)組出力、設(shè)備投資及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響更大。

筆者基于冷端優(yōu)化理論，采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析方法，對(duì)二次循環(huán)冷卻核電汽輪機(jī)開(kāi)展選型研究，并且綜合考慮建設(shè)投資、運(yùn)行費(fèi)用、電廠收益，以選擇合適的機(jī)組背壓及機(jī)型，為提高二次循環(huán)冷卻核電機(jī)組建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性提供參考。

1 核電汽輪機(jī)選型特點(diǎn)

1.1 核島模塊的單一性

目前，我國(guó)主要研發(fā)和推進(jìn)建設(shè)的百萬(wàn)級(jí)核電機(jī)組主要有AP1000、EPR1000、HPR1000。相比于常規(guī)火電機(jī)組，核島設(shè)計(jì)更加注重安全性。通過(guò)常年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累并逐步進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化，幾種百萬(wàn)級(jí)核島的堆芯設(shè)計(jì)相對(duì)固定，并且核電機(jī)組設(shè)計(jì)推行模塊化設(shè)計(jì)，整體設(shè)計(jì)相對(duì)具有單一性。

1.2 常規(guī)島匹配核島的原則

火電機(jī)組通常采用“爐跟機(jī)”的選型方式，需要進(jìn)行汽輪機(jī)初參數(shù)選擇、爐型選擇及機(jī)爐協(xié)調(diào)分析等[1]。核電汽輪機(jī)選型與火電不同，對(duì)于核電機(jī)組而言，只要堆型確定，汽輪機(jī)的進(jìn)汽初參數(shù)就已經(jīng)確定，并且蒸汽發(fā)生器一般無(wú)流通裕量，也不能超壓，因此核電汽輪機(jī)的發(fā)電功率主要取決于排汽面積和機(jī)組背壓[2]。

1.3 核電機(jī)組帶基本負(fù)荷的特性

首先，核電機(jī)組設(shè)計(jì)要求其具有可調(diào)峰能力，但是核電汽輪機(jī)通常采用節(jié)流調(diào)節(jié)，在低負(fù)荷時(shí)效率下降得比火電機(jī)組明顯；其次，核電機(jī)組具有運(yùn)行費(fèi)用低、換料周期長(zhǎng)的特點(diǎn)[3]；最后，核電汽輪機(jī)進(jìn)汽為次高壓的飽和蒸汽，雖然飽和蒸汽傳熱系數(shù)大可以提高傳熱強(qiáng)度，但是如果機(jī)組經(jīng)常甩負(fù)荷或大幅度變負(fù)荷運(yùn)行，可能使汽輪機(jī)部件出現(xiàn)很高的熱應(yīng)力進(jìn)而引起疲勞損壞[4]。因此，核電汽輪機(jī)主要帶基本負(fù)荷運(yùn)行。

綜上所述，對(duì)于核電機(jī)組的設(shè)計(jì)，在汽輪機(jī)選型階段就引入冷端優(yōu)化理論，研究凝汽器與循環(huán)水系統(tǒng)的合理配置，對(duì)于汽輪機(jī)合理選型和保證核電機(jī)組最大出力尤為重要。

2 冷端優(yōu)化理論

2.1 最佳真空理論

在電廠運(yùn)行過(guò)程中，凝汽器最佳真空指在一定的循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度、凝汽量的前提下，汽輪機(jī)輸出功率隨循環(huán)水量的增加而增加，同時(shí)循環(huán)水泵的功耗也隨循環(huán)水量的增加而增加，當(dāng)機(jī)組輸出凈功率為最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的凝汽器真空為最佳真空[5]。

凝汽器真空由其飽和蒸汽溫度確定，飽和蒸汽溫度計(jì)算公式[6]為：

tc=tw1+Δt+δt

(1)

Δt=(ht-hc)/(4.187m)

式中：tc為飽和蒸汽溫度，℃；tw1為循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度，℃；Δt為循環(huán)冷卻水溫升，K；δt為傳熱端差，K；m為循環(huán)水冷卻倍率；qmw為循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量，t/h；K為凝汽器總傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·K)；Ac為凝汽器面積，m2；ht為汽輪機(jī)排汽比焓，kJ/kg；hc為凝汽器熱井凝結(jié)水比焓，kJ/kg。

凝汽器真空不僅與循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度有關(guān)，即與冷卻塔條件(如水文氣象條件等)有關(guān)，同時(shí)與循環(huán)水量有關(guān)，即與循環(huán)水冷卻倍率有關(guān)，還與凝汽器的面積及材質(zhì)、低壓缸的型式等有關(guān)。

2.2 年總費(fèi)用最小法

冷端優(yōu)化的本質(zhì)是結(jié)合機(jī)組運(yùn)行的具體條件，利用最佳真空理論對(duì)冷端參數(shù)等(主要包括機(jī)組背壓、凝汽器面積、循環(huán)水冷卻倍率、循環(huán)水泵配置、循環(huán)水管徑等)進(jìn)行組合，然后進(jìn)行水力、熱力及經(jīng)濟(jì)性計(jì)算并比較分析，得出滿足工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的最優(yōu)設(shè)計(jì)背壓及最優(yōu)的冷端設(shè)備配置方案。通過(guò)汽輪機(jī)選型使得設(shè)備、建(構(gòu))筑物投資和系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的總和折算到年總費(fèi)用最小，從而使電廠總的經(jīng)濟(jì)效益最佳。

年總費(fèi)用計(jì)算公式[7]為：

C=PμAFCR+(Ap-At)

(2)

式中：C為年總費(fèi)用，萬(wàn)元；P為冷端系統(tǒng)工程投資費(fèi)用，萬(wàn)元；μAFCR為年固定費(fèi)用率，%；Ap為循環(huán)水泵年電費(fèi)，萬(wàn)元；At為功率微增年電費(fèi)，萬(wàn)元。

3 二次循環(huán)冷卻核電汽輪機(jī)冷端優(yōu)化

傳統(tǒng)的年總費(fèi)用最小法是基于狹義的冷端優(yōu)化理論，即在凝汽器熱力設(shè)計(jì)時(shí)，假定汽輪機(jī)的排汽量、排汽比焓已經(jīng)確定，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，綜合確定凝汽器真空、凝汽器面積、循環(huán)水量的最佳值[8]。技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素主要考慮汽輪機(jī)功率微增與循環(huán)水泵功耗增加，進(jìn)行綜合比較。

與已投產(chǎn)核電機(jī)組不同的是：在核電汽輪機(jī)選型階段，影響凝汽器真空的參數(shù)均未確定。因此，最佳真空應(yīng)為：在一定的變化幅度內(nèi)對(duì)各變量進(jìn)行組合計(jì)算，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定最佳配置下的凝汽器真空。針對(duì)冷端采用二次循環(huán)冷卻的核電機(jī)組，與沿海直流循環(huán)冷卻核電機(jī)組有所差別，其循環(huán)水冷卻倍率與進(jìn)口溫度都受到冷卻塔面積的制約。此外，由于不同機(jī)型(雙缸四排汽機(jī)組、三缸六排汽機(jī)組)的額定功率存在差異，在汽輪機(jī)選型階段，經(jīng)濟(jì)性對(duì)比中需要考慮不同機(jī)型的投資差異，其中冷卻塔的投資尤為重要[9]。

綜上所述，二次循環(huán)冷卻核電汽輪機(jī)選型階段冷端優(yōu)化組合應(yīng)綜合考慮：機(jī)組型式、循環(huán)水量、循環(huán)水泵配置方案、循環(huán)水管方案、凝汽器管束材質(zhì)、凝汽器面積、循環(huán)水冷卻倍率、冷卻塔型式及面積等。

所采用的年總費(fèi)用最小法的計(jì)算公式為：

C=(P+ΔP)μAFCR+(Ap-At)+ΔAt’

(3)

式中：ΔP為不同機(jī)型引起的主廠房布置的投資差，萬(wàn)元；ΔAt’為不同機(jī)型在初始假定背壓下的軸功率差異造成的費(fèi)用差，萬(wàn)元。

4 核電汽輪機(jī)選型案例

某項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)2臺(tái)AP1000核電機(jī)組，廠址年平均氣溫為23 ℃，相對(duì)濕度為81%，大氣壓力為100.95 kPa；核島來(lái)主蒸汽壓力和溫度分別為5.53 MPa、226.7 ℃，質(zhì)量流量為1 888 kg/s；汽輪機(jī)采用帶自然通風(fēng)冷卻塔的二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)(海水作為補(bǔ)給水源)。

4.1 汽輪機(jī)型式初選

從理論上分析，機(jī)組背壓越低，汽輪機(jī)效率越高。但基于汽輪機(jī)極限背壓理論和最佳真空理論，在進(jìn)行機(jī)型初選時(shí)應(yīng)根據(jù)以往工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備制造能力統(tǒng)籌考慮。表l為凝汽式汽輪機(jī)循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度和機(jī)組背壓的關(guān)系。該核電廠根據(jù)國(guó)內(nèi)外推薦的汽輪機(jī)冷端參數(shù)及廠址氣象條件初步選定的汽輪機(jī)型式見(jiàn)表2。

表1 凝汽式汽輪機(jī)循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度與機(jī)組背壓的關(guān)系

表2 初步選定的汽輪機(jī)型式

4.2 功率微增曲線

圖1為汽輪機(jī)廠家提供的各機(jī)型功率微增曲線。

圖1 不同型式汽輪機(jī)的功率微增曲線

4.3 冷端系統(tǒng)組合

(1) 冷卻倍率的選擇。

循環(huán)水量與冷卻倍率和汽輪機(jī)排汽量有關(guān)，而排汽量是凝汽器真空的函數(shù)(其參數(shù)變量已通過(guò)凝汽器真空在冷端優(yōu)化計(jì)算中得到反映)；因此，循環(huán)水量的變化在冷端優(yōu)化計(jì)算中還需要冷卻倍率的變化來(lái)反映。根據(jù)水文氣象條件并參考國(guó)內(nèi)外同類型機(jī)組，該機(jī)組冷端優(yōu)化計(jì)算中冷卻倍率選取45～66(步距為3)。

(2) 循環(huán)水泵的配置。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，暫不考慮該機(jī)組冷卻系統(tǒng)循環(huán)水泵配置方式的比選，優(yōu)化計(jì)算時(shí)采用1臺(tái)機(jī)組配置4臺(tái)循環(huán)水泵的單元制方案。循環(huán)水泵耗電的電價(jià)按上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)計(jì)算，耗電量按理論功率計(jì)算。循環(huán)水泵房設(shè)備及土建投資費(fèi)用按電力工程概算指標(biāo)，參照工程當(dāng)?shù)貎r(jià)格和工程的實(shí)際情況綜合考慮。

(3) 循環(huán)水母管的配置。

汽輪機(jī)選型階段冷端優(yōu)化主要目的是研究冷端系統(tǒng)主要配置，為突出主要比選參數(shù)，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)初步確定循環(huán)水母管只考慮DN3600、DN3800兩種型號(hào)，管道材質(zhì)為混凝土預(yù)應(yīng)力管。

(4) 凝汽器型式的選擇。

凝汽器型式的選擇需要考慮到汽輪機(jī)型式，凝汽器面積根據(jù)凝汽量及推薦機(jī)型背壓等進(jìn)行初選。該機(jī)組凝汽器面積選擇70 000～140 000 m2(步距為10 000 m2)。

(5) 冷卻塔型式的選擇。

塔型考慮采用高位集水的海水冷卻塔，并且按照1臺(tái)機(jī)組配置1座冷卻塔開(kāi)展優(yōu)化計(jì)算。冷卻塔面積根據(jù)不同機(jī)型推薦背壓及凝汽量等進(jìn)行初選，該機(jī)組冷卻塔面積選擇11 000～23 000 m2(步距為10 000 m2)。

4.4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表3，凝汽器冷卻管材質(zhì)選擇鈦管。

表3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

4.5 選型計(jì)算分析

在該核電汽輪機(jī)選型階段，擬定方案見(jiàn)表4。

對(duì)不同方案的年總費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，選取各種汽輪機(jī)型式年總費(fèi)用最小的前3種方案，得到的冷端優(yōu)化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

不同型式汽輪機(jī)的基準(zhǔn)發(fā)電功率有所差異(見(jiàn)表2)，并且設(shè)備本身存在價(jià)差。例如，四缸六排汽的汽輪機(jī)比三缸四排汽的汽輪機(jī)的初投資增加約10 000萬(wàn)元，相同型式汽輪機(jī)采用69’葉片比采用57’葉片的初投資增加約1 000萬(wàn)元。此外，不同型式汽輪機(jī)的長(zhǎng)度不同，造成汽輪機(jī)主廠房的長(zhǎng)度也有所差異，三缸汽輪機(jī)比四缸汽輪機(jī)在汽輪機(jī)主廠房布置時(shí)，跨度減少約10 m，建筑投資減少約3 500萬(wàn)元。

綜合考慮上述因素后，對(duì)表5中年總費(fèi)用最小的方案重新進(jìn)行計(jì)算后，得到汽輪機(jī)選型的最優(yōu)方案見(jiàn)表6。

表4 選型階段的擬定方案

表5 冷端優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

表6 汽輪機(jī)選型的最優(yōu)方案

按照傳統(tǒng)的冷端優(yōu)化理論可以計(jì)算出擬定汽輪機(jī)型式后的最小年總費(fèi)用，如果按照該年最小費(fèi)用比較不同方案的優(yōu)劣時(shí)，方案由優(yōu)到劣的排序?yàn)椋喝姿呐牌p背壓-57’葉片、三缸四排汽單背壓-57’葉片、三缸四排汽單背壓-69’葉片、四缸六排汽三背壓-57’葉片、四缸六排汽單背壓-57’葉片。

考慮機(jī)組初始功率差異及相關(guān)初投資的影響后，汽輪機(jī)型式方案由優(yōu)到劣的排序?yàn)椋核母琢牌硥?57’葉片、三缸四排汽雙背壓-57’葉片、三缸四排汽單背壓-59’葉片、三缸四排汽單背壓-57’葉片、四缸六排汽單背壓-57’葉片。優(yōu)化結(jié)果傾向采用效率更高的四缸六排汽三背壓-57’葉片汽輪機(jī)型式。

5 結(jié)語(yǔ)

在二次循環(huán)核電汽輪機(jī)選型階段引入冷端優(yōu)化，綜合考慮了大型冷卻塔、循環(huán)水系統(tǒng)、凝汽器配置、汽輪機(jī)型式及相關(guān)其他差異等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后得出最優(yōu)冷端組合方案，基本滿足項(xiàng)目決策需求，所選擇的方案更加符合汽輪機(jī)選型階段的實(shí)際情況。

建議后續(xù)核電機(jī)組在汽輪機(jī)選型階段進(jìn)行冷端優(yōu)化，適時(shí)考慮碳交易權(quán)的敏感性分析；同時(shí)，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需求，分析各種型式汽輪機(jī)運(yùn)行的靈活性、安全性，以最終確定合理型式。