新型濕冷系統的應用探討與熱力特性研究

陳永記，劉德有，王豐，夏林，汪正明

(河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098)

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新型濕冷系統的應用探討與熱力特性研究

陳永記，劉德有，王豐，夏林，汪正明

(河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098)

摘要：針對模塊式小型壓水堆的特點，提出了新型濕冷系統，并介紹其相應的結構組成、不同型式及運行方式。針對新型濕冷系統的運行特點，建立了新型濕冷系統直流部分與二次循環部分熱負荷比例分配的數學模型。結合某電廠ACP100核電機組，對新型濕冷系統進行熱力特性分析可知，直流冷卻負荷百分比的變化對二次循環流量、凝汽器進口水溫、凝汽器壓力、以及凈微增功率的影響顯著。應用新型濕冷系統的優化計算方法，對循泵耗功進行計算可知，循泵耗功不僅受到循泵運行方式的影響，還與新型濕冷系統的運行方式，以及直流冷卻負荷百分比有關。

關鍵詞：模塊式小型壓水堆；新型濕冷系統；應用探討；熱力特性

0引言

冷端系統是核電廠發電系統中的一個重要組成部分，其工作性能的優劣直接影響整個核電廠的熱經濟性和運行可靠性。與同容量的火電機組相比，核電廠排汽量較大，因此冷端系統對機組的運行經濟性影響更大。通過冷端優化可將核電機組出力提高0.3%左右[1]。

目前針對大型核電廠冷端系統的設計，均參考火電廠冷卻系統的優化設計方法[2]。此外，國內外核電廠冷端系統優化的研究，多側重于汽輪機低壓缸通流設計優化、末級葉片設計優化、凝汽器設計優化和循環水泵(循泵)優化選型[3]。近年來，核反應堆向模塊化、多用途方向發展，而開式直流系統只能應用于水源充足的場合的特點，限制了模塊式小型壓水堆建設廠址選擇的靈活性。并且，隨著海河生態環境保護問題的備受關注[4]，開式直流系統的溫排水給環境帶來的問題也已成為詬病。

針對模塊式小型壓水堆的特點，結合開式直流系統和閉式循環系統的優點，提出了一種新型濕冷系統，探討在水源不太充足的地區應用新型濕冷系統的可行性，并結合相關實例對新型濕冷系統進行熱力特性分析。

1新型濕冷系統介紹

1.1系統結構分析

與傳統的大型核電廠相比，模塊式小型壓水堆具有多用途、廠址選擇更具靈活性等特點，因此，模塊式小型壓水堆新型濕冷系統，在傳統核電廠開式直流系統的基礎上，增加了二次循環冷卻部分，使其具有對水源要求低、廠址適應性強以及對環境影響小等優點。

模塊式小型壓水堆新型濕冷系統以凝汽器為核心，其主要由汽輪機低壓缸、循環水泵、冷卻塔等組成[5]。根據冷卻水的來源，新型濕冷系統可分為直流和二次循環兩個部分。其中，二次循環部分中的冷卻塔，可采用自然通風冷卻塔或機械通風冷卻塔，如圖1所示。

圖1　模塊式小型壓水堆新型濕冷系統示意圖

1.2系統運行分析

當供水水源僅在個別季節不能滿足開式直流系統供水水量，且取水又較經濟方便時，模塊式小型壓水堆的設計可以考慮使用新型濕冷系統。新型濕冷系統的運行方式有3種：1) 直流部分單獨運行；2) 二次循環部分單獨運行；3) 直流部分和二次循環部分同時運行。新型濕冷系統兼有開式直流和閉式循環系統特點，在水源水量豐富時，采用第1種運行方式；在水源水量較為不足時，采用第3種運行方式；在水源最枯時，采用第2種運行方式。

2新型濕冷系統優化設計的數學模型

針對新型濕冷系統的特點，建立了新型濕冷系統優化的數學模型。模型包括兩部分，影響新型濕冷系統運行特性的邊界條件數學模型和新型濕冷系統熱力特性計算的數學模型。

2.1影響新型濕冷系統運行特性的邊界條件(圖2)

1) 機組負荷

當機組負荷變化時，凝汽器內冷卻水的吸熱量可表示為機組負荷的函數，即：

圖2　新型濕冷系統受邊界條件影響示意圖

(1)

式中：Wc—凝汽器內冷卻水的吸熱量，kJ/s；U—機組負荷，MW。

2) 氣象及水文條件

在新型濕冷系統中，外海河水將與經冷卻塔換熱后的冷卻水在水泵吸水前池中混合，經循泵進入凝汽器，則凝汽器進口水溫將隨水源水溫變化而變化，由冷卻塔熱力計算的數學模型[6]可知：

tc1=f2(Pa,Ta,RH,Qm,ΔT,T1,U,M)

(2)

式中：tc1—凝汽器進口冷卻水溫，℃；Pa—大氣壓力，Pa；RH—外界空氣相對濕度；Ta—外界空氣干球溫度，℃；Qm—外海河的質量流量，kg/s；ΔT—直流部分冷卻水引起水源處水的整體溫升，℃；T1—與直流冷卻水混合前外海河的水溫，℃；M為循泵運行方式。

3) 循泵運行方式

冷卻水流量可表示為循泵運行方式與系統靜揚程的關系式：

(3)

式中：qm為凝汽器入口冷卻水的質量流量，kg/s；Hs為系統靜揚程m。

4) 直流冷卻水的溫排要求

在新型濕冷系統中，水源流量或流域面積越大，直流部分的溫排水對水源的溫升影響越小，因此，水文條件將影響直流部分冷卻水的排放，如式(4)所示。

Wc1max=f4(Qm,ΔTmax)

(4)

式中：Wc1max—新型濕冷系統向外海河中排放的最大熱量，kJ/s；ΔTmax—外海河水中生態環境所能承受的最大溫升，℃。

2.2新型濕冷系統熱力特性計算的數學模型

1) 冷端系統的冷卻負荷

當忽略進入凝汽器的其他熱量時，凝汽器中蒸汽的放熱量等于冷卻水的吸熱量，如式(5)。

(5)

式中：Wc—冷端系統的總冷卻負荷，kJ/s；Qs—進入凝汽器的排汽量，kg/s；hs—排汽焓，kJ/kg；hc—凝結水焓，kJ/kg；cw—冷卻水比熱容，kJ(kg·℃)；tc2—凝汽器出口冷卻水水溫，℃。

2) 直流部分的冷卻負荷

當忽略冷卻系統直流部分取水口至排水口之間外海河流段水溫的變化如圖3所示，新型濕冷系統直流部分冷卻水與外海河水混合前后，外海河水的總吸熱量為：

Wc1=QmcwΔT=Qmcw(T2-T1)

(6)

式中：Wc1—直流部分冷卻水向外海河排放的熱量，kJ/s；T2—混合后外海河水的溫度，℃。

圖3　新型濕冷系統直流部分取水與排水簡圖

新型濕冷系統在運行方式的選擇上，遵循的原則是：在不超出外海河流域對冷卻水排放要求的前提下，盡可能提高直流部分的冷卻負荷在總冷卻負荷中的比例。因此，新型濕冷系統直流部分冷卻水向外海河排放的熱量，等于外海河所限制排放的負荷，即Wc1=Wc1max。

3) 二次循環部分的冷卻負荷

與傳統的冷端系統類型相比，新型濕冷系統存在冷卻負荷分配的問題。當外海河流域對溫排水的排放要求明確時，新型濕冷系統二次循環部分承擔的冷卻負荷為：

Wc2=Wc-Wc1=qmcwΔtc-QmcwΔT

(7)

式中：Wc2—二次循環部分承擔的冷卻負荷，kJ/s；Δtc—凝汽器的冷卻溫差，且Δtc=tc2-tc1，℃。

4) 直流部分冷卻水的流量

當忽略冷卻系統直流部分冷卻水的流量損失，以及直流部分取水口與水泵吸水前池之間冷卻水溫度的變化時，新型濕冷系統直流部分冷卻水的流量為：

(8)

式中：t1—直流部分取水口處冷卻水溫度，℃；t2—直流部分排水口處冷卻水溫度，℃。

5) 二次循環部分冷卻水的流量

進入水泵吸水前池的冷卻水的水量，等于循泵的流量，如式(9)：

qm=qm1+qm2

(9)

式中：qm2—二次循環部分中冷卻塔出口冷卻水的質量流量，kg/s。

在冷卻塔的熱力計算中，冷卻塔的出塔水溫取決于冷卻塔的熱力工作點[7]，即冷卻塔冷卻能力數曲線與冷卻塔冷卻負荷曲線的交點，則冷卻塔的出塔水溫可用式(10)表達：

tw2=f5(f',f'',f''',qm2,Δtw)

(10)

式中：f’—冷卻塔的結構參數；f’’—冷卻塔的填料特性參數；f’’’—氣象參數；Δtw—冷卻塔的冷卻溫差，且Δtw=tw2-tw1，℃；tw2—冷卻塔出口冷卻水水溫，℃；tw1—冷卻塔入塔水溫，℃。

如不考慮泵功的影響，以及泵吸水前池至凝汽器進口的熱量損失，有如式(11)：

qm2tw2=qmtc1-qm1t1=qmtc1-qm1T1

(11)

如不考慮凝汽器出口與直流部分排水口之間冷卻水的散熱損失，以及凝汽器出口與冷卻塔入水口之間冷卻水的散熱損失，則有tw1=tc2=t2；若不考慮冷卻水比熱容的變化，由式(7)~式(11)聯立可知，冷卻塔出口冷卻水的質量流量可表示為：

qm2=f6(f',f'',f''',Qm,ΔT,T1,Wc,Δtc,qm)

(12)

式中：f’和f’’與冷卻塔的結構和填料特性有關；f’’’與當地氣象條件有關；Qm、T1和ΔT與當地外海河水文條件以及當地溫排要求有關；Wc與汽輪機的排汽參數有關；Δtc與機組負荷和循泵運行方式有關；qm與循泵的運行方式有關。

6) 冷端系統的凈微增功率

機組微增功率可由已知的不同負荷下機組微增功率曲線求解。假設其排汽壓損為零，排汽壓力等于凝汽器壓力，則微增功率可表示為：

ΔPt=f7(U,pk)

(13)

式中：ΔPt—汽輪機的微增功率，kW；Pk—凝汽器壓力，kPa。

凝汽器的熱力計算采用紀利公式和凝汽器傳熱端差計算公式[8]，凝汽器壓力可表示為：

湟中縣法院對犯罪人員進行審理后依法出具法律文書，然后法院將需要進行社區矯正的服刑人員的相關法律文書送至湟中縣司法局。司法局的社區矯正科接到法律文書后，聯系社區服刑人員到司法局報到。縣司法局的工作人員經核對身份信息、拍照登記存底后，將社區服刑人員的完整信息錄入西寧市社區矯正人員信息平臺，并將法律文書及其他文件材料制作成為該服刑人員的社區矯正工作檔案。縣司法局聯系社區服刑人員居住地所在的康川司法所，送交社區矯正工作檔案，交接對于社區服刑人員的矯正工作。康川司法所接到相關文件材料后，聯系社區服刑人員來所報到，結合相關材料對服刑人員進行風險評估，并告知其相關社區矯正的工作要求。

pk=f8(K,Ac,qm,Δtc,tc1)

(14)

式中：K—凝汽器總體傳熱系數，W/(m2·℃)；Ac—凝汽器總有效冷卻面積，m2。

循泵的耗電功率：

(15)

式中：ρ—冷卻水密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2；H—循泵揚程，m；ηp—循泵效率；ηe—循泵電機效率。

新型濕冷系統的凈微增功率：

ΔP=ΔPt-∑Pp

(16)

式中：ΔP—新型濕冷系統的凈微增功率，kW。

3新型濕冷系統熱力特性分析

3.1基本資料

以某電廠2臺ACP100核電機組為例，冷端系統均采用新型濕冷系統，每臺機組配備1臺N-11000型表面式、雙背壓-單流程凝汽器。每臺機組配備2臺循泵，采用擴大單元制供水。逆流式自然通風冷卻塔塔高75m，面積2500m2。在機組負荷為100%、大氣壓力為101500Pa、干球溫度為18℃、相對濕度為80%、外海河水溫16℃條件下，當直流部分冷卻負荷在直流溫排要求極端范圍內變化時，可得到新型濕冷系統熱力特性圖。圖4中M1、M2、M3分別代表循泵的三種運行方式，即M1為一機一泵，M2為二機三泵，M3為一機二泵。

圖4　直流冷卻負荷百分比(Wc1/Wc)與二次循環流量百分比(qm2/qm)的關系曲線

3.2計算結果及分析

由圖4可知，在三種循泵運行方式下，直流冷卻負荷的變化對二次循環流量都有顯著影響。當直流冷卻負荷百分比(qm2/qm)逐漸增加時，二次循環流量百分比(Wc1/Wc)在不斷減小，且其變化幅度先增大后減小。當直流冷卻負荷百分比(qm2/qm)達到100%時，此時新型濕冷系統的運行方式相當于開式直流系統，二次循環流量百分比(Wc1/Wc)的值會突變為0。因此，可以通過調節二次循環部分的流量來控制直流部分的冷卻負荷。

2) 直流冷卻負荷對凝汽器進口水溫的影響(圖5)

圖5　直流冷卻負荷百分比(Wc1/Wc)與凝汽器進口水溫(tc1)的關系曲線

由圖5可知，在三種循泵運行方式下，直流冷卻負荷的變化對凝汽器進口水溫都有很大影響。直流冷卻負荷百分比在10%~60%之間變化時，直流冷卻負荷百分比變化10%，凝汽器進口水溫(tc1)變化約1℃。隨著直流冷卻負荷百分比(qm2/qm)逐漸增加，凝汽器進口水溫(tc1)不斷減小，且其變化幅度也在逐漸減小。因此，凝汽器的熱力特性會受到直流冷卻負荷百分比的影響。

3) 直流冷卻負荷對凝汽器壓力的影響(圖6)

圖6　直流冷卻負荷百分比(Wc1/Wc)與凝汽器壓力(Pk)的關系曲線

由圖6可知，在3種循泵運行方式下，直流冷卻負荷的變化對凝汽器壓力都有較大影響。凝汽器壓力(Pk)均隨著直流冷卻負荷百分比(qm2/qm)的增加而減小，同時其變化幅度也逐漸減小。直流冷卻負荷百分比在10%~80%之間變化時，直流冷卻負荷百分比變化10%，凝汽器壓力(Pk)變化約0.3kPa。因此，直流冷卻負荷百分比的大小對機組負荷產生重大影響。

4) 直流冷卻負荷對凈微增功率的影響(圖7)

圖7　直流冷卻負荷百分比(Wc1/Wc)對凈微增功率(ΔP)的影響

由圖7可知，在3 種循泵運行方式下，直流冷卻負荷的變化對凈微增功率均有很大影響。隨著直流冷卻負荷百分比(qm2/qm)的增加，凈微增功率(ΔP)先減小后增加，當直流冷卻負荷百分比(qm2/qm)達到100%時，凈微增功率(ΔP)的值將發生突變。因此，當新型濕冷系統處于第二種運行方式時，直流部分冷卻負荷應取外海河所限制排放的負荷。

5) 直流冷卻負荷對循泵耗功的影響

在新型濕冷系統中，冷卻水會發生分流，即分為直流部分和二次循環部分，若流量比例分配不同，則系統管阻也會發生變化，這將對循泵耗功產生影響。表1為不同直流部分冷卻負荷條件下冷卻塔溫差(Δtw)和循泵耗電功率(Pp)的計算結果。

表1　不同直流部分冷卻負荷條件下冷卻塔溫差和循泵耗電功率

由表1可知，在機組負荷、水文及氣象條件和循泵運行方式一定的情況下，隨著直流冷卻負荷百分比(Wc1/Wc)的增加，二次循環部分中冷卻塔的冷卻溫差先減小后增大，循泵的耗功則會先增大后減小，再增大最后減小。這是因為在直流冷卻負荷百分比(Wc1/Wc)增大的過程中，由于二次循環部分冷卻負荷減小的速度大于二次循環部分冷卻水流量減小的速度，所以冷卻塔的溫差會先減小，當直流冷卻負荷百分比(Wc1/Wc)接近100%時，二次循環部分冷卻負荷減小的速度小于二次循環部分冷卻水流量減小的速度，則冷卻塔的溫差最后會慢慢增大，直至二次循環部分的冷卻負荷為0。

對于循泵的耗功，當新型濕冷系統的運行方式由只運行二次循環部分調節到直流部分和二次循環部分同時運行時，冷卻水總流量不變但冷卻水發生分流，則系統管阻增加，循泵的耗功也相應增加；之后二次循環部分冷卻水流量減小，直流部分冷卻水流量增加，則二次循環部分的管阻會相應的減小，直流部分的管阻會相應的增加，當二次循環部分冷卻水流量較大時，二次循環部分的管阻減小的速度大于直流部分的管阻增加的速度，則循泵的耗功會相應減小，但當直流部分冷卻水流量較大時，二次循環部分的管阻減小的速度小于直流部分的管阻增加的速度，則循泵的耗功會相應增加，直至新型濕冷系統的運行方式到只運行直流部分時，循泵的耗功會發生突變。

4結語

1) 針對模塊式小型壓水堆的應用特點，首次提出了新型濕冷系統，并介紹其相應的結構組成、不同型式和運行方式，對不同水源條件下應用新型濕冷系統進行可行性分析可知，新型濕冷系統將大大增加模塊式小型壓水堆廠址選擇的靈活性，在環保要求越來越高的大環境下將有廣闊的應用前景。

2) 針對新型濕冷系統的運行特點，建立了新型濕冷系統直流部分與二次循環部分熱負荷比例分配的數學模型。結合某電廠ACP100核電機組，對新型濕冷系統進行熱力特性分析可知，直流冷卻負荷百分比的變化對二次循環流量、凝汽器進口水溫、凝汽器壓力、以及凈微增功率的影響顯著。

3) 應用新型濕冷系統優化計算方法，對循泵耗功進行計算可知，循泵耗功不僅受到循泵運行方式的影響，還與新型濕冷系統的運行方式，以及直流冷卻負荷百分比有關。

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Research on Application and Thermal Property of New wet Cooling System

CHEN Yong-ji, LIU De-you, WANG Feng, XIA Lin, WANG Zheng-ming

(College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract:According to the characteristics of small modular reactors, the new wet cooling system is proposed for the first time, and the corresponding structure, different types and operation mode are introduced. For the operating characteristics of the new wet cooling system, the mathematical model of heat load proportional distribution for the concurrent part and the cycle part is established. Combined with ACP100 small modular reactors of a power plant, by analyzing thermodynamic property of new wet cooling system, the cooling load percentage changes of the concurrent part have a significant effect on the flow of the cycle part, the inlet water temperature of condenser, and the pressure of condenser, the net incremental power. The result of the study shows that power consumption of the circulating water pump (CWP) is not only affected by the CWP operation mode, but also related to the operation mode of the new wet cooling system, and the cooling load percentage of the concurrent part, so that the optimization method of the new wet cooling system is applied to calculating the CWP power consumption.

Keywords:small modular reactors; new wet cooling system; application; thermodynamic property

收稿日期：2015-01-26

中圖分類號：TK73

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0193-05

作者簡介：陳永記(1987-)，男，河南信陽人，碩士研究生，主要從事火電機組冷端系統節能優化研究。