基于冷端優化的二次循環冷卻核電汽輪機選型研究

周廣沙， 金 濤， 曲曉明

(中國電建集團核電工程有限公司，濟南 250000)

隨著我國“雙碳”戰略的實施，核電作為清潔能源最重要的基本負荷電源，其規模日益增加，核電廠的選址也由沿海逐漸轉向內陸。與沿海核電汽輪機的直流循環冷卻系統不同的是，內陸核電汽輪機大多采用帶冷卻塔的二次循環冷卻方式，因此其冷端系統更為復雜；同時，核電汽輪機排汽量比同容量的火電汽輪機排汽量大很多，因此其冷端條件對機組出力、設備投資及運行經濟性的影響更大。

筆者基于冷端優化理論，采用技術經濟分析方法，對二次循環冷卻核電汽輪機開展選型研究，并且綜合考慮建設投資、運行費用、電廠收益，以選擇合適的機組背壓及機型，為提高二次循環冷卻核電機組建設的經濟性提供參考。

1 核電汽輪機選型特點

1.1 核島模塊的單一性

目前，我國主要研發和推進建設的百萬級核電機組主要有AP1000、EPR1000、HPR1000。相比于常規火電機組，核島設計更加注重安全性。通過常年設計經驗積累并逐步進行細節優化，幾種百萬級核島的堆芯設計相對固定，并且核電機組設計推行模塊化設計，整體設計相對具有單一性。

1.2 常規島匹配核島的原則

火電機組通常采用“爐跟機”的選型方式，需要進行汽輪機初參數選擇、爐型選擇及機爐協調分析等[1]。核電汽輪機選型與火電不同，對于核電機組而言，只要堆型確定，汽輪機的進汽初參數就已經確定，并且蒸汽發生器一般無流通裕量，也不能超壓，因此核電汽輪機的發電功率主要取決于排汽面積和機組背壓[2]。

1.3 核電機組帶基本負荷的特性

首先，核電機組設計要求其具有可調峰能力，但是核電汽輪機通常采用節流調節，在低負荷時效率下降得比火電機組明顯；其次，核電機組具有運行費用低、換料周期長的特點[3]；最后，核電汽輪機進汽為次高壓的飽和蒸汽，雖然飽和蒸汽傳熱系數大可以提高傳熱強度，但是如果機組經常甩負荷或大幅度變負荷運行，可能使汽輪機部件出現很高的熱應力進而引起疲勞損壞[4]。因此，核電汽輪機主要帶基本負荷運行。

綜上所述，對于核電機組的設計，在汽輪機選型階段就引入冷端優化理論，研究凝汽器與循環水系統的合理配置，對于汽輪機合理選型和保證核電機組最大出力尤為重要。

2 冷端優化理論

2.1 最佳真空理論

在電廠運行過程中，凝汽器最佳真空指在一定的循環冷卻水進口溫度、凝汽量的前提下，汽輪機輸出功率隨循環水量的增加而增加，同時循環水泵的功耗也隨循環水量的增加而增加，當機組輸出凈功率為最大值時對應的凝汽器真空為最佳真空[5]。

凝汽器真空由其飽和蒸汽溫度確定，飽和蒸汽溫度計算公式[6]為：

tc=tw1+Δt+δt

(1)

Δt=(ht-hc)/(4.187m)

式中：tc為飽和蒸汽溫度，℃；tw1為循環冷卻水進口溫度，℃；Δt為循環冷卻水溫升，K；δt為傳熱端差，K；m為循環水冷卻倍率；qmw為循環冷卻水質量流量，t/h；K為凝汽器總傳熱系數，kJ/(m2·h·K)；Ac為凝汽器面積，m2；ht為汽輪機排汽比焓，kJ/kg；hc為凝汽器熱井凝結水比焓，kJ/kg。

凝汽器真空不僅與循環冷卻水進口溫度有關，即與冷卻塔條件(如水文氣象條件等)有關，同時與循環水量有關，即與循環水冷卻倍率有關，還與凝汽器的面積及材質、低壓缸的型式等有關。

2.2 年總費用最小法

冷端優化的本質是結合機組運行的具體條件，利用最佳真空理論對冷端參數等(主要包括機組背壓、凝汽器面積、循環水冷卻倍率、循環水泵配置、循環水管徑等)進行組合，然后進行水力、熱力及經濟性計算并比較分析，得出滿足工程技術經濟條件的最優設計背壓及最優的冷端設備配置方案。通過汽輪機選型使得設備、建(構)筑物投資和系統運行費用的總和折算到年總費用最小，從而使電廠總的經濟效益最佳。

年總費用計算公式[7]為：

C=PμAFCR+(Ap-At)

(2)

式中：C為年總費用，萬元；P為冷端系統工程投資費用，萬元；μAFCR為年固定費用率，%；Ap為循環水泵年電費，萬元；At為功率微增年電費，萬元。

3 二次循環冷卻核電汽輪機冷端優化

傳統的年總費用最小法是基于狹義的冷端優化理論，即在凝汽器熱力設計時，假定汽輪機的排汽量、排汽比焓已經確定，通過技術經濟比較，綜合確定凝汽器真空、凝汽器面積、循環水量的最佳值[8]。技術經濟因素主要考慮汽輪機功率微增與循環水泵功耗增加，進行綜合比較。

與已投產核電機組不同的是：在核電汽輪機選型階段，影響凝汽器真空的參數均未確定。因此，最佳真空應為：在一定的變化幅度內對各變量進行組合計算，通過技術經濟比較后確定最佳配置下的凝汽器真空。針對冷端采用二次循環冷卻的核電機組，與沿海直流循環冷卻核電機組有所差別，其循環水冷卻倍率與進口溫度都受到冷卻塔面積的制約。此外，由于不同機型(雙缸四排汽機組、三缸六排汽機組)的額定功率存在差異，在汽輪機選型階段，經濟性對比中需要考慮不同機型的投資差異，其中冷卻塔的投資尤為重要[9]。

綜上所述，二次循環冷卻核電汽輪機選型階段冷端優化組合應綜合考慮：機組型式、循環水量、循環水泵配置方案、循環水管方案、凝汽器管束材質、凝汽器面積、循環水冷卻倍率、冷卻塔型式及面積等。

所采用的年總費用最小法的計算公式為：

C=(P+ΔP)μAFCR+(Ap-At)+ΔAt’

(3)

式中：ΔP為不同機型引起的主廠房布置的投資差，萬元；ΔAt’為不同機型在初始假定背壓下的軸功率差異造成的費用差，萬元。

4 核電汽輪機選型案例

某項目規劃建設2臺AP1000核電機組，廠址年平均氣溫為23 ℃，相對濕度為81%，大氣壓力為100.95 kPa；核島來主蒸汽壓力和溫度分別為5.53 MPa、226.7 ℃，質量流量為1 888 kg/s；汽輪機采用帶自然通風冷卻塔的二次循環冷卻系統(海水作為補給水源)。

4.1 汽輪機型式初選

從理論上分析，機組背壓越低，汽輪機效率越高。但基于汽輪機極限背壓理論和最佳真空理論，在進行機型初選時應根據以往工程設計經驗和設備制造能力統籌考慮。表l為凝汽式汽輪機循環冷卻水進口溫度和機組背壓的關系。該核電廠根據國內外推薦的汽輪機冷端參數及廠址氣象條件初步選定的汽輪機型式見表2。

表1 凝汽式汽輪機循環冷卻水進口溫度與機組背壓的關系

表2 初步選定的汽輪機型式

4.2 功率微增曲線

圖1為汽輪機廠家提供的各機型功率微增曲線。

圖1 不同型式汽輪機的功率微增曲線

4.3 冷端系統組合

(1) 冷卻倍率的選擇。

循環水量與冷卻倍率和汽輪機排汽量有關，而排汽量是凝汽器真空的函數(其參數變量已通過凝汽器真空在冷端優化計算中得到反映)；因此，循環水量的變化在冷端優化計算中還需要冷卻倍率的變化來反映。根據水文氣象條件并參考國內外同類型機組，該機組冷端優化計算中冷卻倍率選取45～66(步距為3)。

(2) 循環水泵的配置。

為簡化計算，暫不考慮該機組冷卻系統循環水泵配置方式的比選，優化計算時采用1臺機組配置4臺循環水泵的單元制方案。循環水泵耗電的電價按上網標桿電價計算，耗電量按理論功率計算。循環水泵房設備及土建投資費用按電力工程概算指標，參照工程當地價格和工程的實際情況綜合考慮。

(3) 循環水母管的配置。

汽輪機選型階段冷端優化主要目的是研究冷端系統主要配置，為突出主要比選參數，根據以往工程經驗初步確定循環水母管只考慮DN3600、DN3800兩種型號，管道材質為混凝土預應力管。

(4) 凝汽器型式的選擇。

凝汽器型式的選擇需要考慮到汽輪機型式，凝汽器面積根據凝汽量及推薦機型背壓等進行初選。該機組凝汽器面積選擇70 000～140 000 m2(步距為10 000 m2)。

(5) 冷卻塔型式的選擇。

塔型考慮采用高位集水的海水冷卻塔，并且按照1臺機組配置1座冷卻塔開展優化計算。冷卻塔面積根據不同機型推薦背壓及凝汽量等進行初選，該機組冷卻塔面積選擇11 000～23 000 m2(步距為10 000 m2)。

4.4 技術經濟指標

相關的技術經濟指標見表3，凝汽器冷卻管材質選擇鈦管。

表3 技術經濟指標

4.5 選型計算分析

在該核電汽輪機選型階段，擬定方案見表4。

對不同方案的年總費用進行計算，選取各種汽輪機型式年總費用最小的前3種方案，得到的冷端優化計算結果見表5。

不同型式汽輪機的基準發電功率有所差異(見表2)，并且設備本身存在價差。例如，四缸六排汽的汽輪機比三缸四排汽的汽輪機的初投資增加約10 000萬元，相同型式汽輪機采用69’葉片比采用57’葉片的初投資增加約1 000萬元。此外，不同型式汽輪機的長度不同，造成汽輪機主廠房的長度也有所差異，三缸汽輪機比四缸汽輪機在汽輪機主廠房布置時，跨度減少約10 m，建筑投資減少約3 500萬元。

綜合考慮上述因素后，對表5中年總費用最小的方案重新進行計算后，得到汽輪機選型的最優方案見表6。

表4 選型階段的擬定方案

表5 冷端優化計算結果

表6 汽輪機選型的最優方案

按照傳統的冷端優化理論可以計算出擬定汽輪機型式后的最小年總費用，如果按照該年最小費用比較不同方案的優劣時，方案由優到劣的排序為：三缸四排汽雙背壓-57’葉片、三缸四排汽單背壓-57’葉片、三缸四排汽單背壓-69’葉片、四缸六排汽三背壓-57’葉片、四缸六排汽單背壓-57’葉片。

考慮機組初始功率差異及相關初投資的影響后，汽輪機型式方案由優到劣的排序為：四缸六排汽三背壓-57’葉片、三缸四排汽雙背壓-57’葉片、三缸四排汽單背壓-59’葉片、三缸四排汽單背壓-57’葉片、四缸六排汽單背壓-57’葉片。優化結果傾向采用效率更高的四缸六排汽三背壓-57’葉片汽輪機型式。

5 結語

在二次循環核電汽輪機選型階段引入冷端優化，綜合考慮了大型冷卻塔、循環水系統、凝汽器配置、汽輪機型式及相關其他差異等因素，經技術經濟比較后得出最優冷端組合方案，基本滿足項目決策需求，所選擇的方案更加符合汽輪機選型階段的實際情況。

建議后續核電機組在汽輪機選型階段進行冷端優化，適時考慮碳交易權的敏感性分析；同時，結合項目實際需求，分析各種型式汽輪機運行的靈活性、安全性，以最終確定合理型式。