工業(yè)汽輪機在核電廠循環(huán)水泵站的應用

文_王俊 深圳市深燃清潔能源有限公司

1 工業(yè)汽輪機方案設(shè)置

核電廠正常運行時，將蒸汽再熱器（MSR）出口蒸汽用于驅(qū)動工業(yè)汽輪機，替代電動機拖動循環(huán)水泵。機組啟動或高壓缸排汽不可用時，汽源采用輔助蒸汽。每臺機組配置2×50%容量的循環(huán)水泵，每臺循環(huán)水泵參數(shù)見表1。

表1 循環(huán)水泵參數(shù)表

工業(yè)汽輪機排汽采用單獨設(shè)置小凝汽器純凝（方案1）或進入1#低壓加壓器（方案2）兩種方案回收。

1.1 方案1介紹

汽輪機高壓缸排汽除濕再熱后作為工業(yè)汽輪機進汽，帶動循環(huán)水泵轉(zhuǎn)動做功后的廢汽通過設(shè)置在循環(huán)水泵房的小凝汽器凝結(jié)后回收到主凝汽器。小凝汽器的冷卻水來自海水，設(shè)置一臺小循環(huán)泵完成海水循環(huán)冷卻。該方案需要單獨設(shè)置凝汽器，循環(huán)水泵及凝結(jié)水泵，設(shè)置設(shè)備較多，但工業(yè)汽輪機效率較高，對現(xiàn)有總圖布局改動最小。

根據(jù)汽輪機熱平衡圖，正常運行時工業(yè)汽輪機的蒸汽采用MSR出口蒸汽，機組啟動或高壓缸排汽不可用時采用輔助蒸汽。MSR出口蒸汽經(jīng)過除濕及蒸汽管道后考慮10%損失，輔助蒸汽經(jīng)過蒸汽管道后考慮5%損失。根據(jù)杭州汽輪機有限公司（杭汽）的估算，凝汽器背壓按照11.5kPa考慮。方案1汽輪機相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 方案1汽輪機參數(shù)

1.2 方案2介紹

方案2采用背壓式的工業(yè)汽輪機方案。MSR出口蒸汽作為工業(yè)汽輪機進汽，帶動循環(huán)水泵轉(zhuǎn)動做功后的廢汽排入1#低壓加熱器。汽輪機的排汽熱量可以回收利用，另外也不用增加小凝汽器和相關(guān)設(shè)備。該方案相對方案1減少了凝汽器，循環(huán)水泵及凝結(jié)水泵設(shè)置，并且回收利用了排汽熱量用與加熱二回路凝結(jié)水，但工業(yè)汽輪機效率較低，對現(xiàn)有廠房布局改動也較大。

方案2正常運行時工業(yè)汽輪機的蒸汽采用MSR出口蒸汽，機組啟動或高壓缸排汽不可用時采用輔助蒸汽。MSR出口蒸汽經(jīng)過除濕及蒸汽管道后考慮10%損失，輔助蒸汽經(jīng)過蒸汽管道后考慮5%損失。汽輪機排汽進入1#低加考慮5%壓力損失。方案2汽輪機相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 方案2汽輪機參數(shù)

2 技術(shù)風險分析

汽輪機用于驅(qū)動核電循環(huán)水泵，因此汽輪機的安全穩(wěn)定尤為重要。故汽輪機設(shè)計過程中，應用成熟的機型、成熟的結(jié)構(gòu)。由于進汽為飽和蒸汽，針對濕蒸汽對汽輪機的不利條件，需要有相應的評估處理措施。

經(jīng)過與杭汽交流，該公司成熟的機型業(yè)績有NK50/56，該型汽輪機應用于多個項目的給水泵。但沒有應用于同類型功率循環(huán)水泵的業(yè)績，僅在艦船上有小功率循環(huán)水泵的應用業(yè)績。杭汽也有飽和蒸汽機組業(yè)績，但針對濕蒸汽，需要在汽輪機進口前增加除濕裝置，保證汽輪機進口為飽和蒸汽。

2.1 減速齒輪箱

NK50/56汽輪機轉(zhuǎn)速5500rpm而循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速為168rpm，且汽輪機布置為臥式，循環(huán)水泵布置為立式。汽輪機需通過齒輪箱減速后轉(zhuǎn)換為立式傳動才能與循環(huán)水泵間接相連。

轉(zhuǎn)速5500rpm減速到168rpm無法通過一級減速完成，需設(shè)置兩級減速。所以設(shè)置一級臥式齒輪箱從5500rpm減速到1000rpm，然后二級傘型齒輪箱從1000rpm減速到168rpm。通過與杭汽交流了解到，目前國內(nèi)傘型齒輪箱減速箱在大功率工業(yè)汽輪機上沒有應用業(yè)績，只有在艦船上的小功率汽輪機上有運行業(yè)績。

2.2 總圖布置

采用方案1，不用改變循環(huán)水泵房在總圖中的布置位置，相應的循環(huán)水廊道也不用變化，只需要在循環(huán)水泵房內(nèi)做相應改造和在常規(guī)島廠房增加一條抽汽管線。該方案對總圖布局變更最小，但由于常規(guī)島廠房距離循環(huán)水泵房距離遠，抽汽阻力大，凝結(jié)水回主凝汽器距離遠，需設(shè)置凝結(jié)水回水泵。

采用方案2，由于小汽輪機排汽需進入1#低壓加熱器，所以小汽輪機不能距離常規(guī)島廠房太遠，循環(huán)水泵房需緊靠常規(guī)島廠房布置。該方案對現(xiàn)有總圖布置變化較大，需要大量協(xié)調(diào)工作。由于泵房緊靠常規(guī)島廠房，可減少抽汽阻力。

2.3 泵房布置

由于增加了小汽機（包括其輔助設(shè)備），泵房需要增加小循泵，泵房土建布置及管線布置均比電機驅(qū)動復雜，但布置方面不存在不可行的風險。小汽輪機臥式傳動轉(zhuǎn)立式輸出，需要增加轉(zhuǎn)向齒輪箱，目前無相關(guān)業(yè)績，存在制造及運行風險。此外，采用小汽機后，原一臺電機實現(xiàn)的驅(qū)動現(xiàn)在需要多系統(tǒng)配合（新型齒輪箱、小汽輪機、小凝汽器、小循環(huán)水系統(tǒng)、油系統(tǒng)）才能完成，系統(tǒng)復雜、故障點增加，使可靠性降低。

3 投資收益分析

3.1 泵房改造投資

每臺機組設(shè)置一座泵房，采用一機兩泵的布置方案。采用電動泵時，泵房總平面尺寸約63m×50m；采用汽動泵時，受小汽輪機及其輔助設(shè)備布置需要，泵房總平面尺寸約75m×55m。同比泵房面積增加約30%，土建造價增加約2700萬元。

3.2 其它投資估算

方案1增加的投入包括抽汽管道、工業(yè)汽輪機相關(guān)設(shè)備（汽水分離器、工業(yè)汽輪機、凝汽器、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵、輔助鍋爐、輔助蒸汽管道和閥門等）、輔助鍋爐房土建、泵房改造等。

以上總計投入成本為0.806億元，各部分投資估算見表4。節(jié)省的成本為減少了循環(huán)水泵電機，每臺300萬元。則凈總投入約為0.746億元。

表4 方案1投資估算表

方案2增加的投入包括抽汽管道、工業(yè)汽輪機相關(guān)設(shè)備（汽水分離器、工業(yè)汽輪機、輔助鍋爐、輔助蒸汽管道和閥門等）、輔助鍋爐房土建、泵房改造等。

以上總計投入成本為7200萬元，各部分投資估算見表5。節(jié)省的成本為減少了循環(huán)水泵電機，每臺300萬元。則凈總投入約為6600萬元。

表5 方案2投資估算表

3.3 效益估算

方案1產(chǎn)生的效益為減少廠用電消耗量，但是同時也減少了汽輪機出力。詳細數(shù)據(jù)見下表6。

表6 方案1收益估算表

根據(jù)上表計算知，方案1由于小汽輪機效率比大汽輪機低，所以改造后不但不能增加總的電量輸出，反而減少了總的輸出電量，對于電廠完全是負效益，不應采納。

方案2產(chǎn)生具體數(shù)據(jù)見表7。

表7 方案2收益估算表

相對方案1，由于小汽輪機排汽通過1#低加回收利用，減少了汽輪機抽汽，所以機組出力相對方案1有所增加。

根據(jù)表7計算知，方案2由于小汽輪機效率比大汽輪機低，所以改造后不但不能增加總的電量輸出，反而減少了總的輸出電量，對于電廠完全是負效益，不應采納。

4 結(jié)語

在技術(shù)方面，即使工業(yè)汽輪機技術(shù)較為成熟，但帶動循環(huán)水泵是否可行還有待論證；其次，由于工業(yè)汽輪機與循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速相差大，需要使用減速齒輪箱，且汽輪機臥式布置，而循環(huán)水泵立式布置，因此需要設(shè)置傘型減速齒輪箱，但目前國內(nèi)沒有如此大功率傘型齒輪箱應用業(yè)績。技術(shù)上存在一定風險。

在經(jīng)濟方面，方案1和2由于小汽輪機效率相對大汽輪機低，會減少電廠總的出力。另外，還會增加額外設(shè)備電耗和廠房投資費用，所以整體為負收益。

核電廠循環(huán)水泵使用汽泵在經(jīng)濟和技術(shù)上都是不適宜，如果沒有特殊用途，不建議采用。