三門汽水分離再熱器運行控制分析

徐偉平

【摘 要】三門核電廠常規(guī)島采用的汽水分離再熱器（MSR）為三菱設計，哈鍋制造。本文對其運行控制進行了闡述，通過對比秦山核電廠MSR的運行控制方式，探討分析三門MSR具有的控制特點及后續(xù)投運后的關注問題。

【關鍵詞】汽水分離再熱器（MSR）；再熱溫度控制器（RTC）；熱啟動；冷啟動

中圖分類號： TM623.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）09-0110-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.051

0 引言

汽水分離再熱器（MSR）是核電站常規(guī)島重要設備之一，其功能是降低高壓缸排汽的濕度，并使蒸汽具有一定的過熱度，從而改善低壓缸的工作條件，提高熱力循環(huán)效率。

MSR可靠、安全的運行，關鍵在不受到諸如熱應力，振動等造成的損壞。據(jù)2004年IAEA的成員國核電廠經(jīng)驗反饋報道，由于MSR故障造成的降功率停堆事件多達27次。正確認識MSR的特性，合理運行并能夠及時發(fā)現(xiàn)故障，避免故障擴大對運行人員說顯得尤為重要。三門核電廠采用三菱技術制造的MSR，其在國內(nèi)尚無運行經(jīng)驗可以參考，通過對比分析了解其運行控制特點，對今后的調(diào)試運行實踐來說具有一定意義。

1 三門MSR運行與控制邏輯分析

1.1 三門MSR介紹

三門核電廠常規(guī)島有兩臺臥式MSR，布置在汽機兩側(cè)。每臺MSR由殼體，汽水分離器，兩個一級再熱管束和兩個二級再熱管束組成，長約30米，直徑達4.6米，為第三代“特大容器”型汽水分離再熱器。再熱管束采用傳統(tǒng)的雙流程方形布置，汽水分離采用V形波紋板，設計分離效率達到98%。

1.2 三門MSR冷態(tài)、熱態(tài)啟動過程

汽機開始沖轉(zhuǎn)后，即對MSR一級管道進行暖管預熱。由于新蒸汽溫度壓力很高，因此投入二級再熱器時需要對這部分蒸汽管道和加熱管束進行預熱。當汽機負荷大于10%后（即圖1的A點），MSR二級再熱預暖閥開始開啟，以少量蒸汽對下游管道及二級再熱管束進行預熱，并且掃除積留在管道內(nèi)的不凝結(jié)性氣體。當繼續(xù)升負荷使汽機負荷達到35%時，MSR溫度控制系統(tǒng)對二級再熱蒸汽進行控制。此后，控制系統(tǒng)進入對溫度控制閥的PI控制，控制MSR二級加熱蒸汽的壓力逐漸升高，使得 MSR出口蒸汽的溫度，即低壓缸入口蒸汽溫度從圖1所示的B點，以45°C/h的速率達到負荷設定溫度（C點）。調(diào)節(jié)系統(tǒng)按照負荷設定溫度模式運行直到負荷達到50%，溫度控制閥全開后，控制系統(tǒng)即退出MSR溫度的PI控制，將溫度控制閥旁路閥打開。控制過程就此結(jié)束，之后由于主蒸汽的壓力隨機組負荷增加而減少，MSR二級加熱蒸汽溫度及壓力也隨之減小，低壓缸入口蒸汽溫度也相應減小。直到機組滿功率運行，MSR即處于穩(wěn)定工況。

如果汽機復置時低壓缸的入口金屬溫度大于150℃，那么MSR即自動進入熱啟動模式。與冷啟動過程不同的是，由于此時轉(zhuǎn)子處于高溫狀態(tài)，為了減少對低壓缸轉(zhuǎn)子的熱沖擊并且快速提高轉(zhuǎn)子溫度，使得汽機可以盡快投入，控制系統(tǒng)將溫度控制閥打開5%開度之后（保持3分鐘），將并網(wǎng)時低壓缸入口金屬溫度所對應的飽和壓力，作為控制目標初始值，控制溫度控制閥開度。因此，MSR出口蒸汽溫度有個迅速提高的過程，以達到轉(zhuǎn)子溫度所對應的值。此后控制系統(tǒng)即控制低壓缸入口蒸汽溫度以45°C/h的速率達到負荷設定溫度（204°C，L點）。之后的過程和正常冷態(tài)啟動的過程一致。

2 三門與秦山核電廠MSR運行控制差異分析

2.1 控制手段的差異

秦山核電廠MSR的RTC使用直接測量蒸汽溫度的方式，通過閉環(huán)控制最終低壓缸入口蒸汽溫度。而三門采用開環(huán)控制，測量并控制二級加熱蒸汽的壓力，從而達到間接控制MSR出口蒸汽溫度目的。由于蒸汽壓力的變化，反應在溫度的變化上會有個滯后。因此通過函數(shù)對應的方式，采用壓力控制MSR出口蒸汽溫度，避免了溫度反應滯后帶來的控制困難。

2.2 熱啟動過程的差異

對于秦山核電長MSR RTC系統(tǒng)，汽機在復置后達到600rpm時，就開始通過大小控制閥控制二級再熱蒸汽溫度，使MSR出口蒸汽溫度從低壓缸入口金屬溫度升高到204℃。

三門MSR的熱啟動過程有所不同，當進入熱啟動模式后，首先開啟預暖閥保持管束為熱態(tài)，在汽機并網(wǎng)以后微開溫度控制閥，等待3分鐘后才開始MSR出口蒸汽溫度的迅速升高過程。參照秦山秦山核電根據(jù)高壓轉(zhuǎn)子溫度進行的熱啟動過程，從沖轉(zhuǎn)到并網(wǎng)帶5%基荷所需約10分鐘，在這10分鐘內(nèi)，低壓轉(zhuǎn)子將在冷蒸汽的作用下降溫，而后，在MSR二級再熱器投入時，轉(zhuǎn)子溫度會有個回升的過程，快速升高到204℃。圖1 中的M點即為投入MSR二級再熱前的MSR出口溫度（低于150℃），K點為此時的低壓缸入口金屬溫度，兩者存在較大的溫差。

2.3 MSR掃汽管線配置差異

MSR管束內(nèi)的蒸汽并不全部凝結(jié)，而是含有 2%左右的蒸汽，這部分余汽便成為掃汽，用來將凝結(jié)水以汽液兩相流的形式帶出。如果管內(nèi)蒸汽全部凝結(jié)，則會形成一段水柱，而水柱在流動過程中會繼續(xù)冷卻，產(chǎn)生過冷現(xiàn)象。過冷不僅會造成MSR熱效率下降，而且在水柱產(chǎn)生后，形成“水阻”，流動減慢，在其后蒸汽的推動下，水柱即加速似子彈一樣射出，隨即大量溫度稍高的蒸汽涌出，從而引起震動，并且由于溫度的波動，對結(jié)構密封的嚴密性產(chǎn)生威脅。這也是大部分早期MSR產(chǎn)生泄漏的誘因。因此運行過程中，需要保證MSR各級加熱器掃汽量符合這個要求。

另外，對于不同負荷水平，掃汽占加熱蒸汽的比例不同，典型的一個數(shù)值為100%功率下掃汽占2%總加熱蒸汽量，而50%功率的時候，需要3～10%的掃汽量才能保證MSR加熱管束出口凝結(jié)水不過冷[3]。

秦山核電廠掃汽量的調(diào)節(jié)通過就地調(diào)節(jié)手動截止閥（見圖2），根據(jù)管束出口凝結(jié)水的溫度來確定開度，在滿功率運行后就地進行調(diào)節(jié)。三門MSR二級再熱器掃汽管線配置了節(jié)流孔板及旁路氣動控制閥，隨著負荷的變化對掃汽量進行調(diào)節(jié)，以使MSR工作在最佳穩(wěn)定工況下（變化曲線如圖3所示），提高蒸汽循環(huán)效率。如果出現(xiàn)變功率運行，則此閥能自動調(diào)節(jié)掃汽，無需人為干預。需要運行人員注意的是，掃汽孔板旁路閥動作正常與否，對于整個二回路系統(tǒng)來說可能并不會造成儀表報警，但是對MSR傳熱管的壽命卻至關重要。因此在變功率運行工況下，確認此閥動作到位，掃汽流量正常，是MSR能夠安全運行的關鍵。

2.4 二級再熱蒸汽控制閥門組配置差異

秦山核電廠設置了大泄漏閥和小泄漏閥，截留上游隔離閥泄漏的蒸汽。其目的是避免泄漏蒸汽進入到MSR二級再熱管內(nèi)，防止MSR二級再熱管束在未滿足投入條件時，由于管束受到蒸汽的不均勻加熱而變形損壞。對于一級再熱管束沒有這個問題，因為它是隨著汽機啟動而投入的，而二級再熱管束，由于加熱蒸汽溫度相對較高，加熱不均極易造成傳熱管向上拱起。啟動過程是MSR對熱應力比較敏感的時期，世界上第一臺MSR就是由于啟動時的熱應力而損壞的。因此，針對上述情況，在啟動過程中，特別是在主蒸汽隔離閥（MSIV）下游蒸汽管道開始暖管的過程中，需要關注MSR二級再熱器溫度控制閥下游的溫度儀表指示。若出現(xiàn)溫度異常升高，則表明有泄漏蒸汽存在，此時應采取措施隔離蒸汽。

3 結(jié)論

通過對比分析三門與秦山核電廠MSR運行控制方式的差異，總結(jié)出以下三門MSR運行控制的特點，以及參考的建議：

（1）MSR采用控制二級再熱蒸汽壓力，間接控制低壓缸入口蒸汽溫度，避免了溫度反應滯后給控制帶來的困難，使得控制簡單而有效。

（2）二級再熱器掃汽孔板旁路閥的設置，使得掃汽控制完全自動，無需手動調(diào)節(jié)，并且控制掃汽流量在不同功率運行時做到最優(yōu)化，提高了效率，值得國內(nèi)MSR設計制造借鑒。

（3）MSR在熱啟動時，投入二級再熱器的時間較晚，調(diào)試期間熱啟動較多的情況下需關注汽機轉(zhuǎn)子熱應力影響。

（4）由于二級再熱器的蒸汽控制閥門組沒有配置泄漏閥，為了避免泄漏蒸汽影響二級再熱管束，在主蒸汽投入的過程中，應密切關注溫度控制閥下游的溫度指示，必要時關閉上游蒸汽隔離閥。

【參考文獻】

[1]曲東平.核電汽水分離再熱器管束設計研究，上海汽輪機有限公司.

[2]黃悉然.核電機組汽水分離再熱器的發(fā)展 上海發(fā)電設備研究所.

[3]Jun MANABE and Jiro KASAHARA.Moisture Separator Reheater for NPP Turbines. Mitsubishi Heavy Industries， LTD.