核電站凝汽器與火電廠凝汽器比較研究

吉慧敏　周濤　劉健全

摘 要：通過對核電站凝汽器與火電凝汽器在結構特性、材料選用和運行參數等方面的比較，闡述了兩系統之間結構、運行的差異與共性。兩者的運行流程均為：汽機排出蒸汽→蒸汽與銅管接觸→凝結水→管壁→熱井→加熱器。但是核電凝汽器會設置水幕噴淋管組，它的管束也比火電凝汽器的數量多，核電凝汽器管束的布置有古錢幣式、帶狀式等排列方式，相對于火電凝汽器的均勻分布的布置方式要復雜些。設計的要求迥異導致了兩者總體傳熱效率的不同。

關鍵詞：核電凝汽器 火電凝汽器 共性 差異

中圖分類號：TM623.7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）09（b）-0052-05

Abstract： This paper describes the structure， operational differences and similarities between the two systems through the comparison of thermal power plant condenser condenser ， in terms of structure， material selection and operation parameters.Both run the same process，that is，Steam Turbine's exhaust steam→Contact with the steam side of condenser copper tube→Condensation Condensate along the wall→Hot Well→Heater.However， the condenser water curtain spraying pipe is set in nuclear power group，It's much more than the number of power plant condenser tube bundle，Nuclear Power Plant condenser tube bundle arrangement of the layout of ancient coins or ribbon type etc is more complicated than the uniform distribution of thermal power plant.Different design requirements lead to the overall different heat transfer efficiency.

Key Words： Nuclear condenser； Power plant condenser； Commence； Differences

凝汽器是凝氣式汽輪機的主要輔助設備，其熱力性能對汽輪機裝置運行的經濟性[1]和安全可靠性[2]都具有重大的影響。隨著汽輪機單機容量的不斷提高，凝汽器的尺寸和質量越來越大，而且伴隨著鍋爐和核動力裝置在電力工業中的應用和發展，對與之配套的電站凝汽器的性能[3]也提出了更高的要求。通過比較核電凝汽器和火電凝汽器二者之間的共同點和差異性，可以為凝汽器設計[4]及運行中相互借鑒。

1 工作原理

1.1 功能

1.1.1 凝結作用

凝汽器通過冷卻水與乏汽進行熱交換，帶走其汽化潛熱而使它凝結成水，再經過回熱作為鍋爐給水，循環使用。

1.1.2 維持作用

這是降低凝氣式發電機組的終參數、對提高電廠循環效率是必要的。

1.1.3 除氧作用

現代凝汽器都要求有除氧作用，從而達到防止機組腐蝕的要求。

1.1.4 回收作用

凝汽器能夠接受機組啟停和正常運行中的疏水，接收機組啟停和甩負荷過程中系統的旁路排氣，以回收熱量和減少循環工質損失；凝汽器還可以作為一級熱網加熱器。

1.2 結構

凝汽器可分為表面式凝汽器和混合式凝汽器兩種，而國內絕大多數電站凝汽器都以江水或海水作冷卻水，所以一般運用的凝汽器為表面式凝汽器。

某火電廠表面式凝汽器的結構[5]，如圖1所示。某核電表面式凝汽器的結構[6]，如圖2所示。

從圖1可以看出，某火電站表面勢凝汽器主要組成有冷卻水出入口、前后水室、蒸汽入口、冷卻管以及凝結水集水箱等。

從圖2可以看出，某核電表面式凝汽器的主要組成有殼體、水室、噴淋管、疏水盤、熱井等。

1.3 運行

無論是核電凝汽器還是火電凝汽器，在凝汽器啟動之前，應先將凝汽器投入運行并投入主抽氣設備，使凝汽器內形成一定真空，啟動前應關閉凝汽器上所有放水閥門，打開循環水出口、入門口。

2 特點比較

2.1 共性

目前，世界各國不管是火電機組還是核電機組凝汽器均有采用不銹鋼、鈦板或鈦復合板作為管板材料，而母材則采用普通碳鋼。

火電機組和核電機組中的凝汽器功能和運行步驟基本一致。即：排氣在凝汽器中持續地凝結成水，形成高度真空；排出凝結時放出的熱量并送走生成的凝結水。

凝汽器管材的腐蝕防護兩者都可以采用涂料涂覆和陰極保護。

2.2 結構差異性

2.2.1 布置

在凝汽器汽側，具有一定流速的汽機排汽會對凝汽器內部件造成沖蝕。為了達到防沖蝕的效果，一般在迎汽區頂部布置卻管，但是與火電相比，核電汽輪機的排汽濕度更大，排汽夾帶的水滴經蒸汽加速后，對凝汽器內部件的沖蝕更嚴重[7]。比較圖1、圖2我們可以看出，凝汽器均由殼體、水室、冷卻水管、熱井及附屬設備組成。不同的是，核電凝汽器設置了水幕噴淋管組，它可以防止低旁蒸汽進入凝汽器后引起升溫，另外它的輸水管、排水管、支撐管也比火電凝汽器的數量多，布置也更復雜一些。

2.2.2 管束

對于凝汽器而言，由于管束振動產生的后果往往很嚴重。所以管束振動是一個被關注的重要問題。相同等級的核電與火電相比，核電凝汽器蒸汽凝結量約為火電的2倍，并且還要滿足可能存在的最危險工況安全運行。管束的布置遵循著相同的原則：管束第一排應稀疏一些；留有一定的蒸汽通道；蒸汽、空氣混合物到抽氣口途徑短；設擋汽板；留有到熱井的蒸汽通道；有空氣冷卻區；設凝結水擋板[7]。

秦山600MW核電凝汽器的管束布置[8]，如圖3所示。

西門子所屬火電凝汽器的管束布置[9]，如圖4所示。

從圖3可以看到，秦山核電凝汽器管束布置是先進的古錢幣式排列形式，傳熱效率高，結構布置合理，汽流均勻進人管束，汽阻小，蒸汽空氣混合物向抽汽口運動路程短，在管束四周有足夠蒸汽通道，部分蒸汽直接下流對凝結水進行回熱除氧，使凝結水出口含氧量小、過冷度低，該管束排列形式的總傳熱系數比按照HEI標準計算的總傳熱系數可提高5%（這個余量并不包括在傳熱面積計算余量之內），從而提高了機組效率。

從圖4可以看出，西門子凝汽器的管束由4～8組小管束組成，對稱均勻分布，管板中管孔所占的比例相對較少，管束排列較為疏松，使傳熱更為有利，相同條件下可減少凝汽器的面積。該型管束的總傳熱系數，比按H E I 標準計算的計算值，可以提高10%～15%，機組效率由此亦可得到提高。

2.2.3 疏水

核電機組系統與火電機組有所不同，核電系統中多了很多其他疏水。如MSR殼側疏水、MSR高壓再熱器疏水和MSR低壓再熱器疏水等。這些疏水的增加，加大了疏水布置的難度。

2.3 參數差異

將某熱力發電廠[10]、大亞灣核電站[11]、嶺澳核電站凝汽器[11]熱力性能的參數比較，如表1 所示。

從表1可以看到，影響凝汽器熱力性能的因素是多方面的，除循環海水入口溫度外，主要有凝汽器冷卻管清潔系數、循環海水流量及冷卻管束布置方式。大亞灣采用的橢圓形布置方式有以下特點：汽流流經的管子太密集，通道窄，汽流流速高，流阻大，傳熱效率大大降低；與之相比，嶺澳核電站的帶狀布置方式，蒸汽通道面積大，流速低，不凝結氣體通道又大大縮小，致使壓力損失較小，并且將空氣冷卻區布置在了管束最佳位置上，有利于不凝結氣體的冷卻和排出，從而大大提高了冷卻管傳熱性能。而某熱力發電廠與核電站相較而言，冷卻水流速低，流量小，管束布置密集，傳熱效率很不理想。

2.4 腐蝕的差異

現代高參數、大容量機組中由于凝汽器密封性差而引起汽水品質不良從而導致腐蝕的問題日漸嚴重，因其泄漏而導致的水冷壁爆管事故時有發生。

核電最初所用的凝汽器碳鋼殼體多采用環氧樹脂涂層進行內防腐，但由于涂層損壞導致殼體腐蝕穿孔時有發生，故改為襯膠保護?；痣娝玫哪鞑糠譃殂~合金管板的腐蝕問題卻在增加襯膠保護后存在一定的加劇趨勢，所以一般采用外加電流陰極保護的措施。

只應用于核電站和海水冷卻的鈦管因表面具有一層鈍化膜在任何水質的沖刷下都不會發生變化，且有比不銹鋼高得多的耐蝕性，另外也不會造成核電站二回路的銅污染?；痣娦袠I內由于銅管材不良的使用弊端開始推廣不銹鋼管材，不銹鋼管不像銅管材需要人造保護膜措施，不會出現汽側的氨腐蝕和水側的侵蝕腐蝕。

3 改進措施

3.1 性能改進的共同性措施

從評價凝汽器的性能指標[12]來講，兩者通用的改進措施如下。

（1）真空。凝汽器真空的好壞，對循環效率所產生的影響是和機組初參數的影響同等重要。如300MW的機組[13]，若凝汽器真空下降1kPa，則機組的熱耗約上升52.68kJ/（kW·h），而機組初壓下降490kPa，機組熱耗才上升20.93kJ/（kW·h）。核電機組的凝汽器對真空的要求更為嚴格。

（2）凝結水過冷度。一般凝結水過冷度增加1%，火電機組的煤耗量將增加約0.13%，而對于核電機組來講，性能優良的凝汽器，在不采用專門除氧裝置的條件下，自身就可以使過冷度接近零。

（3）凝結水含氧量。測試表明，凝結水含氧量隨負荷的降低而增大，且沿管長不均勻分布。

3.2 性能改進的差異性措施

（1）核電凝汽器殼體不變的情況下，凝汽器管束可采用帶狀布置方式，蒸汽通道面積大，流速低，不凝結氣體通道又大大縮小，大大提高了冷卻管傳熱性能。

（2）核電對凝汽器冷卻管進行清洗，應采用在線清洗方式。

（3）火電凝汽器的管束可以布置在主蒸汽通道上，以減少蒸汽阻力，增加換熱面積，強化傳熱。

3.3 腐蝕的共同性改進措施

針對凝汽器的腐蝕，兩者通用的改進措施[14]如下。

（1）對于低壓缸高速排汽汽流限定的情況下可以加裝導流板以使上部管束汽流變得均勻分布從而降低凝汽器的沖刷腐蝕。

（2）在凝汽器安裝前后對冷卻管減少或消除殘余拉伸應力是消除凝汽器應力腐蝕行之有效的方法。

（3）在凝汽器的結構設計時應注意結構設計，改善抽氣狀況，并把添加劑注到主給水使氨及氨的化合物濃度減少到最低限度以降低凝結水腐蝕。

（4）在工藝處理過程中，避免鐵在銅鎳合金中的沉淀以及在冷卻水中加入亞離鐵子來對銅合金表面進行預處理，從而降低凝汽器的點蝕、隙蝕和硫化物腐蝕。

3.4 腐蝕的差異性改進措施

（1）核電使用的不銹鋼凝汽器中，冷卻水的濃縮倍率越高，冷卻水對不銹鋼的侵蝕性越強，鈣垢等析出造成冷卻水中含氧酸根離子濃度下降，冷卻水在濃縮過程中對不銹鋼侵蝕性的增大。在火電廠銅管凝汽器的腐蝕中，氯離子的腐蝕占主導作用，硫酸根濃度越高，對銅管的侵蝕性越強。

（2）核電凝汽器中，由于用阻垢劑起到阻垢和對不銹鋼[15]的緩蝕效果，隨著阻垢劑濃度的增大，耐蝕性能提高。當阻垢劑濃度達到一定數值，不銹鋼極化曲線出現過鈍化。加酸可以顯著提高冷卻水體系的阻垢緩蝕效果。在火電凝汽器中，主要表現在其容易使銅產生孔蝕，較高濃度的S2-對鈍化膜的作用使得其保護性能下降，在含S2-的水中，氧與S2-共同作用，使銅管的鋅選擇溶解加劇。

4 結論

經過比較，國內無論火電廠還是核電站的凝汽器基本采用的用冷卻水作為冷卻介質的表面式凝汽器。

（1）結構方面，均由殼體、水室、冷卻水管、熱井及附屬設備組成。不同的是，核電凝汽器管道數量更多，布置也更復雜一些。

（2）核電凝汽器與火電凝汽器的功能及運行過程的原理基本一致，排氣在凝汽器中不斷地凝結成水，建立高度真空，將凝結時放出的熱量排出、最后將生成的凝結水匯集送走。

（3）材料方面，火電廠凝汽器的管材大多采用銅管材和待大規模推廣的不銹鋼材料，核電站凝汽器絕大多數采用不銹鋼、鈦板或鈦復合板作為管板材料，而母材則采用普通碳鋼。

（4）火電廠的凝汽器改進方案可以參考核電站傳熱性能高的凝汽器，凝汽器熱力性能的因素是多方面的，通過改變管束的布置方式提高總體傳熱系數，并考慮適當地增加循環水量， 以提高凝汽器的傳熱性能。

（5）無論是火電還是核電凝汽器都應盡量減少腐蝕危險，各種管材各具有不同的優缺點，火電廠和核電站都須注意各種材質的獨特性能并應結合冷卻水質及運行工況使腐蝕降低至最小程度或避免。

參考文獻

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