AP1000凝汽器抽真空系統(tǒng)設(shè)備及運(yùn)行性能淺析

摘 要：降低汽輪機(jī)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(jī)背壓有兩個(gè)有效途徑：一是加強(qiáng)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(jī)提供一個(gè)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(yùn)行方式，并簡(jiǎn)要分析了AP1000抽真空系統(tǒng)運(yùn)行特性及其優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：真空泵 快速啟動(dòng) 保持運(yùn)行 真空度 運(yùn)行特性

中圖分類號(hào)：TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jì)不合理，出力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，凝汽器內(nèi)不凝結(jié)氣體不能及時(shí)抽出，其真空就會(huì)下降，對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性均會(huì)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(tái)真空泵組作為成套裝置供貨，包括一臺(tái)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(jí)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(gè)小水室，小水室中的氣體不會(huì)被擴(kuò)展或壓縮。然而當(dāng)葉輪由A點(diǎn)轉(zhuǎn)到B點(diǎn)時(shí)，兩相鄰葉片之間的容積是逐漸擴(kuò)大的，這就產(chǎn)生了從A點(diǎn)開始的吸氣過程，另一方面當(dāng)葉輪由B點(diǎn)經(jīng)C點(diǎn)轉(zhuǎn)到A點(diǎn)時(shí)，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(gè)過程，并通過這三個(gè)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(jìn)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(cè)后被排入大氣。水被儲(chǔ)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(bǔ)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)效率比較低。AP1000核電站采用真空泵加前置抽氣器聯(lián)合運(yùn)行方式來實(shí)現(xiàn)并維持凝汽器的高真空運(yùn)行。

前置抽氣器由噴嘴、混合室、喉管、擴(kuò)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?dòng)速度v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(shí)，凝汽器中的不凝性氣體將被抽出，再通過擴(kuò)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(yùn)行時(shí)，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(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重汽化現(xiàn)象，對(duì)泵的抽吸能力及泵的結(jié)構(gòu)均會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，真空泵的密封水補(bǔ)充必須經(jīng)過一個(gè)冷卻器，通過汽機(jī)廠房閉式冷卻水系統(tǒng)（TCS）實(shí)現(xiàn)對(duì)來自氣水分離器的密封補(bǔ)水的冷卻，從而保證抽氣效果。

2 系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行分為“快速啟動(dòng)”和“保持運(yùn)行”兩個(gè)階段。

（1）“快速啟動(dòng)”階段。

泵啟動(dòng)條件（即空氣入口閥V611和前置抽氣器動(dòng)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(jī)定子溫度正常）滿足后，操縱員在主控室啟動(dòng)該真空泵組。當(dāng)?shù)谝慌_(tái)真空泵啟動(dòng)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(shí)，發(fā)出信號(hào)自動(dòng)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(yùn)行。與此同時(shí)，操縱員以同樣的方式啟動(dòng)另外兩臺(tái)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(yùn)行，利用液環(huán)式真空泵吸氣量大的特點(diǎn)，將三臺(tái)泵投入，在短時(shí)間內(nèi)將凝汽器中的氣體抽出，達(dá)到縮短機(jī)組啟動(dòng)過程抽真空的時(shí)間，稱為“快速啟動(dòng)”階段。

（2）“保持運(yùn)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(shí)，系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)將前置抽氣器動(dòng)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(jìn)入抽氣器，作為動(dòng)力空氣，真空泵和前置抽氣器處于聯(lián)合運(yùn)行方式，系統(tǒng)轉(zhuǎn)到“保持運(yùn)行”模式。前置抽氣器處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，需要投入相應(yīng)的電加熱器，防止前置抽氣器喉部?jī)鼋Y(jié)。

2.2 凝汽器真空維持階段

汽輪機(jī)帶載運(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)，即凝汽器良好、機(jī)組及熱力系統(tǒng)漏氣正常時(shí)，一般采用兩臺(tái)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(shí)，備用泵組自動(dòng)啟動(dòng)。

3 運(yùn)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(yùn)行及維護(hù)過程中存在以下特點(diǎn)。

3.1 密封水來源冗余設(shè)置

正常運(yùn)行情況下，氣水分離器的密封水由液位開關(guān)LIS611自動(dòng)控制，當(dāng)氣水分離器液位低于160mm時(shí)，液位開關(guān)自動(dòng)打開電磁閥V619進(jìn)行補(bǔ)水，當(dāng)氣水分離器液位高于250mm時(shí)，液位開關(guān)自動(dòng)關(guān)閉補(bǔ)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(shí)，氣水分離器可能會(huì)存在液位過低或過高的風(fēng)險(xiǎn)，過高可以通過溢流管線將多余密封水排走，過低時(shí)液位傳感器LCA611會(huì)產(chǎn)生低報(bào)，從而通知操縱員手動(dòng)打開V618對(duì)氣水分離器補(bǔ)水。并且氣水分離器的補(bǔ)水水源有兩個(gè)，當(dāng)正常補(bǔ)水水源凝結(jié)水由于管道堵塞或者異常故障無(wú)法滿足正常補(bǔ)水需求時(shí)，可由廠區(qū)內(nèi)的除鹽水對(duì)氣水分離器進(jìn)行補(bǔ)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(huì)導(dǎo)致凝汽器壓力波動(dòng)

AP1000抽真空系統(tǒng)相比于其他一些電站，在真空泵組進(jìn)行定期切換時(shí)，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(dòng)甚至導(dǎo)致跳機(jī)。

根據(jù)控制邏輯，在滿足PS612﹤12kPa·a和相應(yīng)的真空泵啟動(dòng)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(dòng)，入口閥V611就會(huì)馬上打開，在備用泵入口和凝汽器之間就會(huì)產(chǎn)生很大的壓差。此時(shí)從入口閥V611至真空泵這一段管道中的空氣就會(huì)在壓差的作用下全部進(jìn)入凝汽器中，嚴(yán)重影響凝汽器的真空度甚至造成停機(jī)，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(xiǎn)及對(duì)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(gè)區(qū)域的循環(huán)水管道可能會(huì)存在結(jié)垢等問題，一旦發(fā)生此現(xiàn)象這個(gè)區(qū)域的真空度會(huì)變得相對(duì)較差，乏蒸汽在這個(gè)區(qū)域就會(huì)不完全凝結(jié)，導(dǎo)致該區(qū)域溫度相對(duì)較高，那么從這個(gè)區(qū)域抽出的氣體溫度會(huì)升高，同時(shí)抽出氣體中水蒸氣的含量也會(huì)增加，使真空泵的效率下降。此時(shí)運(yùn)行人員應(yīng)就地手動(dòng)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(jì)示數(shù)與相鄰管線上的溫度計(jì)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(shí)，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(yǔ)

CMS在機(jī)組啟動(dòng)、冷卻和正常運(yùn)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(duì)于電廠經(jīng)濟(jì)、平穩(wěn)的運(yùn)行十分重要。通過對(duì)CMS系統(tǒng)在凝汽器真空建立和維持過程中運(yùn)行方式和潛在風(fēng)險(xiǎn)的分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論以及改進(jìn)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(yùn)行方式，并且真空泵的密封補(bǔ)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(yùn)行工作量，而且大大提高了真空泵運(yùn)行可靠性。但隨著設(shè)備的運(yùn)行，真空泵補(bǔ)水管線的流阻可能會(huì)逐漸增加，導(dǎo)致泵體內(nèi)密封水不足而影響正常運(yùn)行。個(gè)人建議定期對(duì)補(bǔ)水管線進(jìn)行維護(hù)及對(duì)密封水冷卻器進(jìn)行檢查，防止真空泵的補(bǔ)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(bǔ)水，由于TCS水質(zhì)較高，同時(shí)運(yùn)行過程中通過加藥系統(tǒng)時(shí)刻維持水質(zhì)，因此水質(zhì)可以得到保證，不會(huì)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(jìn)入真空泵后也不會(huì)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(jìn)行泵組切換或者啟動(dòng)備用泵時(shí)，可以避免由于儀表波動(dòng)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。

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