核電凝汽器抽真空設備的選型與配置

鮑旭東

(中核核電運行管理有限公司， 浙江海鹽 314300)

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核電凝汽器抽真空設備的選型與配置

鮑旭東

(中核核電運行管理有限公司， 浙江海鹽 314300)

介紹了某1089MW核電機組凝汽器抽真空設備的選型、配置方案優選和應用效果。分析了水環真空泵加裝大氣噴射器的必要性和凝汽器真空設備方案優選的影響因素，給出了凝汽器抽真空設備的設計要求和3×100%、3×50%與3×75%容量的抽真空設備的配置方案。分析結果和應用效果均表明：3×75%容量的選型方案相對經濟合理。

核電凝汽器； 水環真空泵； 設備選型； 工程應用

核電站常規島凝汽器抽真空系統的功能是在機組啟動前，將凝汽器及其相關設備和汽水管路中的空氣抽出，為沖轉汽輪機創造條件；在機組正常運行期間，將凝汽器空冷區中不凝結氣體抽出，改善管束的傳熱效果，維持凝汽器設計真空，以保證汽輪機運行的經濟性。凝汽器抽真空設備是保證核電汽輪發電機組安全和經濟運行的重要設備。按照常規島設計要求，抽真空設備的運行性能要滿足汽輪機在各種負荷工況下抽出凝汽器內的空氣及不凝結氣體的需要，而且在機組啟動前可將凝汽器的真空度提高到一定程度，并且抽真空時間能夠滿足機組啟動要求。在機組正常運行中，若抽氣設備不能及時將凝汽器中積聚的空氣抽出，會使管束傳熱惡化，凝汽器真空下降，機組的熱耗率增大。若發生抽真空設備故障引發凝汽器真空急劇下降，會造成汽輪機低壓缸的排汽溫度快速上升，易發生汽輪發電機組振動、動靜部件碰摩等設備故障。

筆者針對某1089MW核電機組進行凝汽器抽真空設備選型，論證了采用水環真空泵的依據，并闡述了該核電機組加裝水環真空泵大氣噴射器的必要性。通過多個方案的比較，找到既經濟又滿足機組要求的選型方案。

1 凝汽器抽真空設備的選型

1.1凝汽器抽真空設備的類型

電站凝汽器抽真空設備主要有機械式(如水環真空泵)和射流式(如射水式和射汽式)抽氣器兩類。早期在國內電廠小型機組中幾乎都采用射流式抽氣器，而現在300MW以上汽輪發電機組配套設計中都選用了機械水環真空泵。從抽真空設備運行特性上看，機械水環真空泵在低真空下的抽吸能力較額定工況大得多，機組啟動前建立真空所需時間遠少于使用射流式抽氣器所需的時間。在設計工況下機械水環真空泵維持高真空的抽吸空氣量也遠遠大于射流式抽氣器，因此機械水環真空泵運行特性更適應電站凝汽器運行工況變化的要求。火電和核電站的實際應用都已證明機械水環真空泵的設備設計和制造技術是成熟的，運行是安全可靠的。

1.2水環真空泵的機組特點

水環真空泵示意圖見圖1。水環真空泵體中裝有適量的水作為工作液；葉輪與泵體呈偏心位置，兩端由側蓋封住，側蓋端面上開有吸氣口和排氣口，分別與泵的入口和出口相通。當葉輪旋轉時，水在離心力的作用下被葉輪拋向四周，在泵體內部和葉輪之間形成一個旋轉的、近似于等厚度的封閉水環，此時葉輪輪轂與水環之間形成一個月牙形空間，而這一空間又被葉輪分成葉片數目相等的若干個互不相通的封閉小腔。在葉輪的前半轉(吸入側)，小腔的容積逐漸增大，氣體經吸氣口被吸入到小腔中；在葉輪的后半轉(排出側)，小腔容積逐漸減小，氣體被壓縮，壓力升高，然后經排氣口排出?？梢娝h真空泵是靠泵腔容積的變化來實現吸氣、壓縮和排氣的，屬于變容式真空泵。在泵體中的工作液體除傳遞能量作用外，還起密封工作腔和冷卻氣體的作用。

水環真空泵加裝大氣噴射器示意圖見圖2。大氣噴射器安裝在水環真空泵的入口管段上，是利用真空泵負壓與大氣壓形成壓差而產生空氣射流，大氣噴射器可以獲得比真空泵更低的抽吸壓力。啟動水環真空泵，此時大氣噴射器的旁路閥打開，入口閥關閉，從凝汽器來的氣體經過旁路閥被真空泵抽出。當真空抽到一定值時，打開大氣噴射器的入口閥，旁路閥關閉，在大氣壓力作用下空氣從噴嘴進入，經噴嘴收縮得到加速，形成高速噴射流，在混合室形成高真空，將凝汽器來的被抽氣體吸入混合室內。混合氣體進入擴壓管后速度降低，壓力升高，最后達到大氣噴射器排氣壓力，即水環真空泵吸氣壓力，再由水環真空泵把氣體吸入，排出泵外。

水環真空泵的制造技術經過多年的發展和改進，其設計已更為合理，更能適應電站凝汽器運行工況變化的要求。對于電動機驅動的機械式水環真空泵組通過簡單的儀表控制就可實現泵組的自動化控制，可主控室遠方遙控，可自動聯鎖啟動，運行操作簡單，提高了抽真空系統運行的可靠性和自動化程度。

1.3水環真空泵加裝大氣噴射器的必要性

水環真空泵用水作為工作介質，當真空泵吸入區域的絕對壓力接近水溫對應的飽和蒸汽壓時, 水將出現汽化，此時在吸入區域會產生大量的氣泡, 當進入封閉小腔內的壓縮過渡區域, 水中氣泡被壓縮會發生破裂，氣泡的破裂會對葉輪金屬表面產生汽蝕損壞。水環真空泵的汽蝕損壞和離心式水泵的汽蝕損壞原理是一樣的，如果水環真空泵長時間處于汽蝕狀態運行，在氣泡產生和破裂的部位，金屬表面會出現點蝕，造成葉輪出現蜂窩狀或裂紋損壞，需要對葉輪進行維修或更換。同時，當真空泵的工作介質發生嚴重汽化時，汽蝕會導致水環真空泵噪聲劇增和發生振動故障。如果氣體充滿葉輪流道，還會造成真空泵的抽氣能力明顯下降，進而導致凝汽器的真空不能達到設計要求。

依據文獻[1]要求，電站抽真空設備的設計壓力為3.38kPa，或者為凝汽器設計壓力，但還需綜合考慮在各種工況下凝汽器運行可能達到的真空度，來選擇確定抽真空設備的設計壓力值。為了防止水環真空泵發生汽蝕，運行中要求水環真空泵抽氣口處壓力必須比工作水溫對應的飽和壓力高。同時為了保證從凝汽器抽取一定量的氣汽混合物，還需考慮凝汽器汽阻和從凝汽器到真空泵抽氣口處的壓降，因此水環真空泵抽氣口處壓力要比凝汽器壓力略低一些。以某核電廠1089MW核電機組常規島設計為例，凝汽器設計工況壓力為5.1kPa，夏季工況壓力為8.1kPa，閉式冷卻水的設計溫度為25℃(最高溫度為38℃)。假設水環真空泵設計壓力按標準取3.38kPa，其對應的飽和溫度為26.1℃，若此時閉式冷卻水設計溫度為25℃，因為換熱器存在傳熱端差約2K，則水環真空泵組內部工作液的溫度約為27℃，所以在3.38kPa壓力下工作，水環真空泵會出現汽蝕；或者以凝汽器壓力為設計值來考慮，因從凝汽器到抽真空設備入口處管道存在壓降，在夏季工況時，水環真空泵吸入口壓力應低于凝汽器設計壓力8.1kPa(其對應的飽和溫度為41.77℃)，而此時閉式冷卻水溫度為38℃，則工作液的溫度約為40℃，接近41.77℃，因而此工況點下水環真空泵運行極易產生汽蝕。

為避免水環真空泵在上述狀態下運行，最佳的方案是水環真空泵加裝大氣噴射器。加裝大氣噴射器后，水環真空泵的抽吸壓力在12kPa以上，此抽吸壓力對應的飽和溫度約為50℃以上，這樣水環真空泵在各種工況下，工作液溫度都會低于抽吸壓力所對應的飽和溫度，且有一定的裕量，可以完全避免汽蝕現象的產生而輕易達到凝汽器要求的抽吸壓力。當然由于投入大氣噴射器運行，會增加真空泵泵組的功耗，引起電動機輸出的軸功率升高，但相對而言增加了大氣噴射器后，泵組更能適應電站凝汽器抽真空設備運行特性要求，還有利于泵組降低噪聲，改善振動，并完全避免了汽蝕對泵的危害，因此水環真空泵增設大氣噴射器是利大于弊。

2 凝汽器抽真空設備配置方案優選

2.1設計要求

該機組的凝汽器設備為單背壓、雙殼體、單流程結構，采用海水直接冷卻。凝汽器設計工況壓力為5.1kPa (在海水平均溫度19.4℃時)，夏季工況壓力為8.1kPa。汽輪機最大連續工況(TMCR)時凝汽器接受排汽量為2953.99t/h，閥門全開工況(VWO)時排汽量為3033.79t/h。設備設計規范書要求凝汽器抽真空設備的選型要符合HEI標準的相關要求。根據該機組汽輪機和凝汽器設備在TMCR工況下的設計參數，在HEI標準條件下，即在壓力3.38kPa、溫度22℃時，確定凝汽器抽真空設備的抽干空氣能力為82kg/h，同時還需考慮抽出水蒸氣量為180kg/h，所以機組在運行時，從凝汽器中抽出的是空氣與水蒸氣的混合物，總量為262kg/h。HEI標準還要求機組啟動前凝汽器抽真空設備全部投入時，從大氣壓力抽至33.86kPa時的抽空時間不大于30min。設計院在設備規范書中提出單臺抽真空設備的抽氣量要達到100%能力的要求，即每臺機組抽真空設備配置要求為3×100%設計。

對于抽真空設備的冷卻水水源設計問題，若選擇開式循環水(海水)作為設備冷卻水，由于某核電廠工程廠址的海水中泥沙含量高，運行中若水流速慢，易發生泥沙沉積造成流道堵塞，若水流速高，則海水管道易產生沖刷和腐蝕，維修更換費用高。而常規島閉式工業水系統水質為除鹽水，根據運行經驗該核電廠項目選擇了閉式工業水(除鹽水)系統為抽真空設備提供冷卻用水。

2.2影響方案優選的因素

在設備采購階段，對設備供貨方案進行評價時，需要考慮以下影響凝汽器抽真空設備選型的因素：

(1) 設備外形尺寸對廠房布置的影響。通常凝汽器抽真空設備布置在汽輪機廠房的底層，由于受設備層平面布置空間的限制，因而對抽真空設備設計的外形尺寸有一定要求。

(2) 設備采購投資費用的高低。不同的設備設計方案對設備的制造成本影響很大，確定設備選型方案時必須考慮設備采購性價比，以減少工程投資費用。

(3) 泵組冷卻水耗用量的大小。常規島閉式冷卻水系統設計對用戶耗水量有一定的限制，因不同的水環真空泵組冷卻水耗用量有所差異，選型時需要考慮對常規島閉式冷卻水系統設計產生的影響。

(4) 設備運行時耗用廠用電的多少。凝汽器抽真空設備是長期連續運行設備，水環真空泵配套電動機的功率對廠用電消耗有直接影響，因而設備選型電動機的功率應盡可能小，降低電廠設計廠用電率。

(5) 抽真空時間是否滿足機組啟動要求。機組啟動前凝汽器抽真空時間的長短直接影響到汽輪機組的啟動時間。如果能夠縮短抽真空時間，機組就可盡早并網發電，為電廠創造直接的經濟效益。

(6) 設備容量配置對運行方式的影響。凝汽器抽真空設備的容量配置方案是電廠運行最關心的問題之一，許多電廠設計要求凝汽器抽真空設備容量為3×100%，即一臺運行兩臺備用；也有電廠選擇了3×50%，即兩臺運行一臺備用。在電廠的實際運行中，由于凝汽器及真空相關系統的嚴密性好壞存在不確定性，容易受到機組設備狀況、維修水平和運行操作等諸多因素的影響，因而一般都要求凝汽器抽真空設備必須提供足夠大的抽吸空氣的能力，以確保在各種運行工況下維持凝汽器真空達到設計值。

2.3比較配置方案

針對該機組凝汽器抽真空設備的設計要求，某設備供應商提供了帶大氣噴射器的水環真空泵機組的三種配置方案(見表1)。

表1 抽真空設備的方案比較

以上三種方案的水環真空泵組的運行特點如下：

(1) 對于3×100%配置方案，每臺真空泵出力為82kg/h，正常運行時只需1臺真空泵即可完全滿足HEI標準要求。“一運兩備”的運行方式非常靈活，但設備出力裕量過大，設備閑置。

(2) 對于3×50%配置方案，每臺真空泵出力為45kg/h，因此2臺真空泵同時運行時完全可以滿足HEI標準要求，“兩運一備”的運行方式靈活，但真空泵設計出力裕量較小，在凝汽器真空系統嚴密性不好的情況下，可能需投入第3臺泵運行。

(3) 對于3×75%配置方案，每臺真空泵出力為61.2kg/h，因此2臺真空泵同時運行時完全可以滿足HEI標準要求，真空泵設計出力有足夠大的裕量。即使在凝汽器真空系統嚴密性不好的情況下，也不需投入第3臺泵運行；而在嚴密性很好的情況下，可以只運行1臺泵。此方案真空泵的運行方式靈活，可靠性高。

綜上所述，真空泵3×75%選型方案是相對合理和經濟的。

3 凝汽器抽真空設備應用效果

凝汽器抽真空系統在電站正常運行期間是連續運行的。該核電廠1089MW核電機組的每臺機組配置了3臺水環真空泵組，每臺水環真空泵組由真空泵、電動機、大氣噴射器、換熱器、分離器、氣動控制閥及儀表控制裝置等設備組成(見圖3)。

單臺水環真空泵與大氣噴射器采用的是并聯連接方式，電站計算機控制系統控制真空泵組設備的啟動或停運。當水環真空泵啟動時，真空泵入口壓力達到23kPa時自動關閉大氣噴射器入口閥，旁通閥打開，此時大氣噴射器退出運行，水環真空泵單獨運行；當水環真空泵入口壓力達到13kPa時，自動打開大氣噴射器入口閥，關閉旁通閥，投入大氣噴射器運行，水環真空泵只是為噴射器提供驅動氣源，通過大氣噴射器將凝汽器中被抽氣體抽出。在正常運行時，壓力高于15kPa聯鎖啟動備用泵，低于8kPa聯鎖停止備用泵。經過設備安裝單體調試和系統聯調測試，該核電廠項目的真空泵機組運行平穩，噪聲、振動都正常。2015年2月21日在該項目調試階段的一次機組啟動前抽真空中，3臺75%真空泵全部投入后大約在30min內抽真空到32.5kPa，達到了HEI的標準要求，而此數據恰好能夠說明，如果真空泵配置采用3×50%方案，則很難達到HEI標準有關機組啟動前抽真空時間不大于30min的要求(見圖4)。

該核電廠項目的2臺機組在首個燃料循環的0～100%額定功率啟動過程中，每臺機組都只需保持1臺真空泵運行，就能夠維持凝汽器壓力在5～6kPa穩定。夏季高溫季節機組帶滿負荷穩定運行，海水溫度在31～33℃變化，閉式工業水溫為33～35℃時，1號機組凝汽器壓力維持在8.3～8.69kPa，2號機組凝汽器壓力維持在7.8～8.78kPa。真空泵實際運行采用“一運兩備”方式，單臺帶大氣噴射器的水環真空泵組運轉穩定，性能良好，具有很好的運行適應性。

4 結語

(1) 凝汽器抽真空設備是對汽輪發電機組安全和經濟運行有直接影響的重要輔機設備，其設計選型和容量配置需考慮核電廠常規島的設計條件、凝汽器設備運行特性、設備投資費用，以及設備運行方式和運行經濟性等諸多方面因素。

(2) 該核電廠1089MW核電機組在凝汽器抽真空設備設計選型時，通過對多個方面影響因素的分析，對比三種不同容量配置方案，用戶最終選擇了3×75%容量配置的帶大氣噴射器的水環真空泵組。

(3) 經過安裝調試與運行驗證，設備運行性能達到了系統設計要求，可以選擇多種的運行方式。工程實踐證明，該機組凝汽器抽真空設備選型及容量配置的選擇是合理的，對同類機組具有借鑒意義。

[1] Heat Exchange Institute. Standards for steam surface condensers[M]. 10th ed. Cleveland Ohio: HEI, 2006.

Configuration Optimization and Application Effect of the Condenser Vacuum Pump in a Nuclear Power Station

Bao Xudong

(CNNP Nuclear Power Operation Management Co., Ltd., Haiyan 314300, Zhejiang Province, China)

An introduction is presented to the equipment selection, configuration optimization and application effect of the condenser vacuum pump in a 1089MW nuclear power station, including an analysis on the necessity of adding air ejector to the water-ring vacuum pump and on the factors influencing the configuration optimization of the condenser vacuum pump. Meanwhile, design requirements and configuration schemes of 3×100%, 3×50% and 3×75% capacity were proposed for the condenser vacuum pump. Analysis and application results show that the scheme of 3×75% capacity is relatively reasonable and economical.

condenser of nuclear power unit; water-ring vacuum pump; equipment selection; practical application

2016-05-04

鮑旭東(1966—)，男，高級工程師，現從事核電站設備可靠性管理工作。

E-mail: baoxd@cnnp.com.cn

TM623.4

A

1671-086X(2016)06-0407-05