AP1000凝汽器抽真空系統(tǒng)設(shè)備及運行性能淺析

摘 要：降低汽輪機背壓是核電廠提高循環(huán)熱效率的重要手段之一，而維持汽輪機背壓有兩個有效途徑：一是加強密封減少泄漏，二是維持凝汽器的抽真空能力。凝汽器抽真空系統(tǒng)用來抽出凝汽器里的空氣和不凝性氣體，建立并維持凝汽器里的真空，從而為汽輪機提供一個合適的背壓。該文主要介紹了三代核電技術(shù)AP1000的凝汽器抽真空系統(tǒng)設(shè)備及運行方式，并簡要分析了AP1000抽真空系統(tǒng)運行特性及其優(yōu)缺點。

關(guān)鍵詞：真空泵 快速啟動 保持運行 真空度 運行特性

中圖分類號：TM62 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（b）-0047-03

凝汽器真空由真空系統(tǒng)密封性、循環(huán)水流量、循環(huán)水溫度、凝汽器傳熱管導(dǎo)熱效率等因素決定。凝汽器側(cè)真空泵組的出力大小雖然不是決定真空度的最主要因素，但如果凝汽器真空系統(tǒng)設(shè)計不合理，出力達不到設(shè)計要求，凝汽器內(nèi)不凝結(jié)氣體不能及時抽出，其真空就會下降，對汽輪機運行的經(jīng)濟性和安全性均會產(chǎn)生重大影響。

1 AP1000凝汽器抽真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

AP1000凝汽器抽真空系統(tǒng)（CMS）由三套液環(huán)式真空泵組組成，每臺真空泵組作為成套裝置供貨，包括一臺液環(huán)式真空泵、氣水分離器、前置抽氣器、密封水冷卻器及相應(yīng)的儀表、閥門和管線。如下圖1所示。

1.1 液環(huán)式真空泵

AP1000核電站采用的是單級單作用式液環(huán)式真空泵，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。葉輪偏心地置于由泵體組成的腔室中，當(dāng)徑向葉輪在部分充水的殼體中運轉(zhuǎn)時，由于受離心力的作用，水被甩向四周，形成同心的水環(huán)，該水環(huán)被葉片等分成若干個小水室，小水室中的氣體不會被擴展或壓縮。然而當(dāng)葉輪由A點轉(zhuǎn)到B點時，兩相鄰葉片之間的容積是逐漸擴大的，這就產(chǎn)生了從A點開始的吸氣過程，另一方面當(dāng)葉輪由B點經(jīng)C點轉(zhuǎn)到A點時，葉片之間的容積逐漸變小，使原先吸入的氣體經(jīng)壓縮后排出。可見，液環(huán)式真空泵的工作可分成吸氣、壓縮、排氣三個過程，并通過這三個過程連續(xù)不斷地抽吸氣體。

1.2 氣水分離器

從凝汽器抽出的不凝性氣體夾帶著一些真空泵中的工作介質(zhì)（水），通過真空泵出口管道進入氣水分離器。在氣水分離器中，分離出來的氣體一部分作為前置抽氣器的工作介質(zhì)，另一部分通過放射性監(jiān)測后被排入大氣。水被儲存在氣水分離器中，通過泵的自吸作用以及氣水分離器與泵入口的壓差，克服管道和密封水冷卻器的阻力后連續(xù)補充至真空泵。

1.3 前置抽氣器

液環(huán)式真空泵在低真空范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)時，具有較高效率抽送氣體的能力。但是由于受到結(jié)構(gòu)的限制特別是受工作液體飽和汽化壓力的限制，使得液環(huán)式真空泵在凝汽器真空度較高時效率比較低。AP1000核電站采用真空泵加前置抽氣器聯(lián)合運行方式來實現(xiàn)并維持凝汽器的高真空運行。

前置抽氣器由噴嘴、混合室、喉管、擴散管等組成，采用氣水分離器中分離出來的空氣作為工作介質(zhì)，不需要額外的蒸汽或壓縮空氣。工作介質(zhì)通過噴嘴，將壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣饶埽捎诨旌鲜抑薪孛孀钚。虼丝諝饬鲃铀俣葀最大，根據(jù)伯努利方程，混合室中形成的壓力p最小，當(dāng)?shù)陀谀鞅硥簳r，凝汽器中的不凝性氣體將被抽出，再通過擴散管將速度能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽⒆罱K通過真空泵排入氣水分離器中。

1.4 密封水冷卻器

液環(huán)式真空泵在運行時，為保持抽吸能力，其密封水必須保持一定的過冷度。假設(shè)真空泵密封水溫度過高，由于泵入口處負(fù)壓大，此區(qū)域便會產(chǎn)生嚴(yán)重汽化現(xiàn)象，對泵的抽吸能力及泵的結(jié)構(gòu)均會產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，真空泵的密封水補充必須經(jīng)過一個冷卻器，通過汽機廠房閉式冷卻水系統(tǒng)（TCS）實現(xiàn)對來自氣水分離器的密封補水的冷卻，從而保證抽氣效果。

2 系統(tǒng)運行原理

2.1 真空建立階段

凝汽器在建立真空的過程中，抽真空系統(tǒng)的運行分為“快速啟動”和“保持運行”兩個階段。

（1）“快速啟動”階段。

泵啟動條件（即空氣入口閥V611和前置抽氣器動力空氣入口閥V613關(guān)閉、前置抽氣器旁路閥V612打開、氣水分離器液位正常以及真空泵電機定子溫度正常）滿足后，操縱員在主控室啟動該真空泵組。當(dāng)?shù)谝慌_真空泵啟動后，由于V611關(guān)閉，導(dǎo)致V611后的壓力下降很快。當(dāng)壓力儀表開關(guān)PS612﹤12KPa.a時，發(fā)出信號自動打開V611，并且在主控室畫面上顯示“P.U.ON”，表示該真空泵組已經(jīng)正常運行。與此同時，操縱員以同樣的方式啟動另外兩臺真空泵組。

由此可見，在凝汽器真空建立的初始階段，前置抽氣器沒有投入運行，利用液環(huán)式真空泵吸氣量大的特點，將三臺泵投入，在短時間內(nèi)將凝汽器中的氣體抽出，達到縮短機組啟動過程抽真空的時間，稱為“快速啟動”階段。

（2）“保持運行”階段

隨著凝汽器壓力的降低，導(dǎo)致逆止閥V614下游壓力表開關(guān)PS613的示數(shù)下降，當(dāng)降到11kPa·a并且在操作畫面上顯示該真空泵組為“P.U·ON”時，系統(tǒng)發(fā)出信號將前置抽氣器動力空氣入口閥V613打開，旁路閥V612關(guān)閉，氣水分離器中的氣體在壓差的作用下進入抽氣器，作為動力空氣，真空泵和前置抽氣器處于聯(lián)合運行方式，系統(tǒng)轉(zhuǎn)到“保持運行”模式。前置抽氣器處于運行狀態(tài)時，需要投入相應(yīng)的電加熱器，防止前置抽氣器喉部凍結(jié)。

2.2 凝汽器真空維持階段

汽輪機帶載運行時真空泵組投入的數(shù)量由排入凝汽器乏汽流量的多少、海水的溫度以及真空系統(tǒng)的密封性等決定。在正常運行時，即凝汽器良好、機組及熱力系統(tǒng)漏氣正常時，一般采用兩臺真空泵維持凝汽器的真空。當(dāng)備用真空泵入口閥V611上游的壓力儀表開關(guān)PS611>12kPa·a（即凝汽器內(nèi)壓力）時，備用泵組自動啟動。

3 運行特性分析

AP1000核電站的凝汽器抽真空系統(tǒng)是液環(huán)式真空泵成套供貨裝置，在運行及維護過程中存在以下特點。

3.1 密封水來源冗余設(shè)置

正常運行情況下，氣水分離器的密封水由液位開關(guān)LIS611自動控制，當(dāng)氣水分離器液位低于160mm時，液位開關(guān)自動打開電磁閥V619進行補水，當(dāng)氣水分離器液位高于250mm時，液位開關(guān)自動關(guān)閉補水電磁閥防止?jié)M溢。但當(dāng)液位開關(guān)存在邏輯控制故障時，氣水分離器可能會存在液位過低或過高的風(fēng)險，過高可以通過溢流管線將多余密封水排走，過低時液位傳感器LCA611會產(chǎn)生低報，從而通知操縱員手動打開V618對氣水分離器補水。并且氣水分離器的補水水源有兩個，當(dāng)正常補水水源凝結(jié)水由于管道堵塞或者異常故障無法滿足正常補水需求時，可由廠區(qū)內(nèi)的除鹽水對氣水分離器進行補水，滿足液環(huán)式真空泵的正常液位需求。

3.2 定期切換不會導(dǎo)致凝汽器壓力波動

AP1000抽真空系統(tǒng)相比于其他一些電站，在真空泵組進行定期切換時，CMS通過在入口閥V611后安裝逆止閥V614可以有效的防止凝汽器真空度出現(xiàn)波動甚至導(dǎo)致跳機。

根據(jù)控制邏輯，在滿足PS612﹤12kPa·a和相應(yīng)的真空泵啟動條件后，V611打開。當(dāng)PS612發(fā)生故障導(dǎo)致示數(shù)降到12kPa·a以下后，一旦備用真空泵啟動，入口閥V611就會馬上打開，在備用泵入口和凝汽器之間就會產(chǎn)生很大的壓差。此時從入口閥V611至真空泵這一段管道中的空氣就會在壓差的作用下全部進入凝汽器中，嚴(yán)重影響凝汽器的真空度甚至造成停機，而安裝逆止閥V614后可以有效避免出現(xiàn)以上情況。

3.3 凝汽器局部區(qū)域結(jié)垢風(fēng)險及對策

由于凝汽器內(nèi)的循環(huán)冷卻水是海水，因此凝汽器內(nèi)某個區(qū)域的循環(huán)水管道可能會存在結(jié)垢等問題，一旦發(fā)生此現(xiàn)象這個區(qū)域的真空度會變得相對較差，乏蒸汽在這個區(qū)域就會不完全凝結(jié)，導(dǎo)致該區(qū)域溫度相對較高，那么從這個區(qū)域抽出的氣體溫度會升高，同時抽出氣體中水蒸氣的含量也會增加，使真空泵的效率下降。此時運行人員應(yīng)就地手動調(diào)節(jié)出現(xiàn)狀況的凝汽器水室抽氣出口閥門，使該管線上的溫度計示數(shù)與相鄰管線上的溫度計示數(shù)差值在5℃-10℃之間。如果該區(qū)域結(jié)垢十分嚴(yán)重導(dǎo)致溫差異常高時，應(yīng)關(guān)閉其出口閥門，以阻止蒸汽繼續(xù)被抽出，從而可以改善凝汽器的真空。

4 結(jié)語

CMS在機組啟動、冷卻和正常運行期間抽出凝汽器里的空氣和不凝性氣體，建立并維持凝汽器的真空，對于電廠經(jīng)濟、平穩(wěn)的運行十分重要。通過對CMS系統(tǒng)在凝汽器真空建立和維持過程中運行方式和潛在風(fēng)險的分析，得出以下幾點結(jié)論以及改進建議：

（1）AP1000核電站抽真空系統(tǒng)采用液環(huán)式真空泵和前置抽氣器聯(lián)合運行方式，并且真空泵的密封補水通過泵的自吸能力，取消了管線上的循環(huán)水泵，不僅減輕了運行工作量，而且大大提高了真空泵運行可靠性。但隨著設(shè)備的運行，真空泵補水管線的流阻可能會逐漸增加，導(dǎo)致泵體內(nèi)密封水不足而影響正常運行。個人建議定期對補水管線進行維護及對密封水冷卻器進行檢查，防止真空泵的補水能力下降。

（2）CMS通過電廠閉式冷卻水系統(tǒng)（TCS）來冷卻密封補水，由于TCS水質(zhì)較高，同時運行過程中通過加藥系統(tǒng)時刻維持水質(zhì)，因此水質(zhì)可以得到保證，不會堵塞流道，從而不影響真空泵的效率。并且即使冷卻器泄漏，TCS水進入真空泵后也不會出現(xiàn)嚴(yán)重的部件腐蝕。

（3）AP1000凝汽器抽真空系統(tǒng)在真空泵入口管線上安裝了逆止閥V614，因此進行泵組切換或者啟動備用泵時，可以避免由于儀表波動等異常現(xiàn)象導(dǎo)致凝汽器真空降低或氣水分離器水位下降過快等現(xiàn)象。

參考文獻

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