核電廠凝汽器循環(huán)水流量?jī)?yōu)化分析

呂杰帥

摘 ?要：根據(jù)凝汽器運(yùn)行特性確定其在滿負(fù)荷下各溫度平臺(tái)、不同傳熱管清潔度下，循環(huán)水流量對(duì)凝汽器運(yùn)行背壓的影響，進(jìn)而確定循環(huán)水流量與機(jī)組出力在各平臺(tái)下的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果顯示，提高循環(huán)水流量能提升機(jī)組出力。在核電廠中，影響循環(huán)水流量主要因素為CRF泵的運(yùn)行特性、凝汽器及附屬設(shè)備阻力、海水潮位，其中鈦管阻力特性和海水潮位為非控制因素，提高CRF泵轉(zhuǎn)速可以提高CRF泵的揚(yáng)程，從而提高循環(huán)水流量，根據(jù)CRF泵特性曲線，并利用泵特性的一般能耗規(guī)律，確定CRF泵轉(zhuǎn)速與泵能耗、流量之間關(guān)系。繪制各邊界條件下流量與機(jī)組出力曲線、流量與CRF能耗曲線最終分析從技術(shù)上是否存在優(yōu)化循環(huán)水流量的可能性。

關(guān)鍵詞：凝汽器;循環(huán)水流量;優(yōu)化;循環(huán)水泵;轉(zhuǎn)速

中圖分類號(hào)：TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：According to the operation characteristics of condenser，simultaneous interpreting the effect of circulating water flow on condenser backpressure under different temperatures and cleanliness of full heat load，and then determining the corresponding relationship between circulating water flow and unit output under different platforms，the results show that increasing the flow of circulating water can increase the output of the unit. In nuclear power plant，the main factors affecting the circulating water flow are the operating characteristics of CRF pump，the resistance of condenser and auxiliary equipment，and the sea water tide level. The titanium tube resistance characteristics and seawater tide level are non control factors. Increasing the speed of CRF pump can improve the head of CRF pump，so as to improve the circulating water flow. According to the characteristic curve of CRF pump and the general energy consumption law of pump characteristics，the operation of CRF pump is determined The relationship between speed and pump energy consumption and flow rate. Draw flow and unit output curve，flow and CRF energy consumption curve under various boundary conditions，and finally analyze whether there is possibility of optimizing circulating water flow technically.

Key words：Condenser;Circulating water flow;Optimization;Circulating water flow pump;Rolate speed

一、凝汽器運(yùn)行與機(jī)組出力關(guān)系

（一）凝汽器的作用與主要參數(shù)指標(biāo)

凝汽器是核電廠二回路的重要組成部分，汽輪機(jī)組末級(jí)乏汽在凝汽器鈦管外壁換熱完成凝結(jié)，為朗肯循環(huán)提供冷源，凝汽器運(yùn)行狀態(tài)直接影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

凝汽器性能的四項(xiàng)基本指標(biāo)為：真空度、過(guò)冷度、含氧量和水阻[1]。

（二）凝汽器真空度與機(jī)組出力關(guān)系

在日常運(yùn)行期間，上述四項(xiàng)指標(biāo)對(duì)電廠經(jīng)濟(jì)性均會(huì)產(chǎn)生影響，其中凝汽器運(yùn)行真空度對(duì)電廠經(jīng)濟(jì)性最大。從定性角度分析，凝汽器真空度每變化1千帕，汽輪機(jī)效率可變化1%—2%[2]。

根據(jù)核電廠凝汽器廠家提供的凝汽器運(yùn)行曲線，機(jī)組功率與背壓之間的關(guān)系表示如下：

W0為機(jī)組設(shè)計(jì)凝汽器真空度（5.78千帕）下機(jī)組的電功率;

Pc為凝汽器真空度，該公式單位為巴（bar）;

W為Pc真空度對(duì)應(yīng)下計(jì)算功率。

凝汽器背壓越大，機(jī)組電功率越小，且隨著背壓增加所影響的電功率下降越快，即當(dāng)凝汽器真空低于一定程度，機(jī)輪機(jī)末級(jí)形成阻塞背壓，末級(jí)氣流形成臨界流（critical flow）[3]，真空度變化與機(jī)組出力變化不大。

二、影響凝汽器真空度的主要參數(shù)

在不考慮不凝結(jié)氣體的情況下（事實(shí)上，目前核電廠凝汽器中以氧為代表的不凝結(jié)氣體含量在3ppb以下，對(duì)凝汽器運(yùn)行影響不大[4]）凝汽器汽側(cè)通常工作在飽和區(qū)內(nèi)，凝汽器內(nèi)的壓力和溫度呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，即

由圖2、圖3可知：

1.整體而言，循環(huán)水流量越大，機(jī)組出力也越大;

2.對(duì)于不同的運(yùn)行工況，循環(huán)水流量增加獲得的機(jī)組出力收益不同。具體來(lái)說(shuō)，在較低溫度時(shí)，循環(huán)水流量增加對(duì)機(jī)組出力提升影響較小;在溫度較高時(shí)，循環(huán)水流量增加對(duì)機(jī)組出力提升影響較大;

3.凝汽器鈦管的清潔度狀態(tài)越好，循環(huán)水流量增加對(duì)機(jī)組出力提升影響越小。

三、影響循環(huán)水流量的主要因素

循環(huán)水泵，從大海中抽取循環(huán)水進(jìn)入凝汽器中，完成汽輪機(jī)乏汽的冷卻凝結(jié)，從整個(gè)過(guò)程來(lái)看，影響循環(huán)水流量主要因素有海水潮位、凝汽器水阻、循環(huán)水泵的出力。

（一）海水潮位

海水潮位為循環(huán)水提供初始靜壓，在循環(huán)水泵出力、凝汽器水阻相同的情況下，海水潮位越高，循環(huán)水流量越大。

北部灣海域海水潮位為一日潮，即約24小時(shí)漲潮落潮一次。

對(duì)某日潮位與流量進(jìn)行流量統(tǒng)計(jì)，如表1。

根據(jù)式（15），循環(huán)水流量提升帶來(lái)的機(jī)組出力變化約為0.1%，折合到實(shí)際電功率約為1兆瓦，即每日海水潮位波動(dòng)引起的機(jī)組出力約為1兆瓦（海水溫度30℃，清潔度0.7）。

（二）凝汽器及其附屬設(shè)備的水阻曲線

在機(jī)組運(yùn)行的一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，凝汽器傳熱管內(nèi)部積累污垢造成水阻曲線變大，從而導(dǎo)致清潔度、循環(huán)水流量下降，進(jìn)而增加循環(huán)水泵功率。

根據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究，在機(jī)組運(yùn)行期間，在保證循環(huán)水流量不變情況下，水阻引起的循環(huán)泵功率增加一般在幾十千瓦級(jí)別，相較于循環(huán)水泵本身功率和機(jī)組電功率影響較小[5]。

（三）循環(huán)水流量與泵功率關(guān)系

根據(jù)泵特性曲線，在泵入口靜壓（海水潮位）、凝汽器水阻保持不變的情況下，想要提升循環(huán)水流量，需要提升泵的轉(zhuǎn)速，泵流量、轉(zhuǎn)速與泵功率關(guān)系可用簡(jiǎn)單相似定理表示[6]。

Q為流體流量，Q0為基準(zhǔn)狀態(tài)下流量;

N為泵功率，N0為基準(zhǔn)狀態(tài)下泵功率;

n為泵轉(zhuǎn)速，n0為基準(zhǔn)狀態(tài)下泵轉(zhuǎn)速。

由式（17）可知，循環(huán)水泵功率與流量呈三次方關(guān)系。

（四）最佳循環(huán)水流量確定

由圖1、圖2可知，增加循環(huán)水流量能夠提升機(jī)組出力，但同時(shí)也會(huì)造成廠用電耗電的增加。而且，隨著循環(huán)水流量提高，機(jī)組出力提升會(huì)越來(lái)越小，而循環(huán)水泵廠用電功率會(huì)越來(lái)越大。存在循環(huán)水最佳流量的情況。

同時(shí)，循環(huán)水流量的最佳值受到凝汽器運(yùn)行外界條件，諸如循環(huán)水溫度、凝汽器鈦管清潔度、海水潮位等因素影響。

圖3、圖4、圖5分別是凝汽器最佳循環(huán)水流量受循環(huán)水溫度、凝汽器清潔度、海水潮位等因素影響的情況。

由圖3可知：

1.在循環(huán)水流量變化±20%范圍內(nèi)，循環(huán)水溫度越低，最佳循環(huán)水流量越低。當(dāng)循環(huán)水溫度低于28℃時(shí)，盡量減少循環(huán)水流量，能夠提升機(jī)組凈功率（機(jī)組發(fā)電功率-機(jī)組CRF循環(huán)水泵功率）。如果循環(huán)水流量相較于目前降低5%（3立方米/秒），可以提升機(jī)組凈功率約1—2兆瓦。溫度越低，提升越多。

2.當(dāng)循環(huán)水溫度大于30℃時(shí)，最佳循環(huán)水流量比目前控制流量低約1%左右，通過(guò)控制流量得到的收益約為0.2兆瓦左右，相對(duì)低溫情況較少。

由圖4可知：

1.清潔度越高，循環(huán)水最佳流量越低;

2.鑒于目前該電廠凝汽器效率試驗(yàn)結(jié)果，清潔度在0.6—0.7之間波動(dòng)，從曲線上來(lái)看，在該清潔度范圍內(nèi)，最佳循環(huán)水流量變化不大。

由圖5可知：

1.潮位越高，最佳循環(huán)水流量越高;

2.高低潮位變化時(shí)，其最佳循環(huán)水流量變化在1%以內(nèi)，引起的機(jī)組凈功率變化不大。

（五）最佳循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速

從上述分析來(lái)看，在不同邊界條件下循環(huán)水流量的最佳工況點(diǎn)會(huì)存在差別，在工程上，如果需要維持循環(huán)水流量處于其最佳工況點(diǎn)，采用的方式為調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速使之實(shí)現(xiàn)可變轉(zhuǎn)速，從而保證其最佳流量。結(jié)合某電廠循環(huán)水泵參數(shù)，計(jì)算在不同工況下最佳的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)相似原理，最佳流量與最佳轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，利用式（16）對(duì)額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行修正，得到最佳轉(zhuǎn)速隨循環(huán)水溫度、清潔度關(guān)系變化情況如圖6。

圖6、圖7進(jìn)一步說(shuō)明影響循環(huán)水泵最佳轉(zhuǎn)速，包括循環(huán)水溫度、凝汽器清潔度、海水潮位等。

從斜率來(lái)看，循環(huán)水溫度對(duì)最佳循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速影響最大;凝汽器清潔度、海水潮位對(duì)循環(huán)水泵最佳轉(zhuǎn)速影響最小。

四、結(jié)論和建議

（一）結(jié)論

1.滿功率時(shí)最佳循環(huán)水流量會(huì)隨著凝汽器運(yùn)行外部和內(nèi)部條件變化而變化，其主要影響因素為循環(huán)水溫度、附近海域的海水潮位情況和凝汽器運(yùn)行的清潔度情況，在以上三種因素中，循環(huán)水溫度影響最大。

2.在循環(huán)水流量變化不大（±20%范圍內(nèi)），當(dāng)循環(huán)水溫度低于28℃時(shí)循環(huán)水流量的降低有利于可以提升機(jī)組凈功率。循環(huán)水溫度越低，降低循環(huán)水流量后提升效果越明顯，因此可以探索增加循環(huán)水泵調(diào)頻，從而保持循環(huán)水最佳流量的方式。

（二）建議

通過(guò)循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，目前僅處于理論分析階段，具體實(shí)施需要全面分析變頻對(duì)機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)的影響。

目前在部分火電廠，機(jī)組已開(kāi)始通過(guò)增加循環(huán)水泵變頻技術(shù)達(dá)到循環(huán)水流量最優(yōu)工況，防城港核電廠應(yīng)積極調(diào)研，探索其可行性。

參考文獻(xiàn)：

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