工業汽輪機在核電廠循環水泵站的應用

文_王俊 深圳市深燃清潔能源有限公司

1 工業汽輪機方案設置

核電廠正常運行時，將蒸汽再熱器（MSR）出口蒸汽用于驅動工業汽輪機，替代電動機拖動循環水泵。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%容量的循環水泵，每臺循環水泵參數見表1。

表1 循環水泵參數表

工業汽輪機排汽采用單獨設置小凝汽器純凝（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汽輪機進汽，帶動循環水泵轉動做功后的廢汽通過設置在循環水泵房的小凝汽器凝結后回收到主凝汽器。小凝汽器的冷卻水來自海水，設置一臺小循環泵完成海水循環冷卻。該方案需要單獨設置凝汽器，循環水泵及凝結水泵，設置設備較多，但工業汽輪機效率較高，對現有總圖布局改動最小。

根據汽輪機熱平衡圖，正常運行時工業汽輪機的蒸汽采用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出口蒸汽經過除濕及蒸汽管道后考慮10%損失，輔助蒸汽經過蒸汽管道后考慮5%損失。根據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汽輪機相關參數見表2。

表2 方案1汽輪機參數

1.2 方案2介紹

方案2采用背壓式的工業汽輪機方案。MSR出口蒸汽作為工業汽輪機進汽，帶動循環水泵轉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設備。該方案相對方案1減少了凝汽器，循環水泵及凝結水泵設置，并且回收利用了排汽熱量用與加熱二回路凝結水，但工業汽輪機效率較低，對現有廠房布局改動也較大。

方案2正常運行時工業汽輪機的蒸汽采用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出口蒸汽經過除濕及蒸汽管道后考慮10%損失，輔助蒸汽經過蒸汽管道后考慮5%損失。汽輪機排汽進入1#低加考慮5%壓力損失。方案2汽輪機相關參數見表3。

表3 方案2汽輪機參數

2 技術風險分析

汽輪機用于驅動核電循環水泵，因此汽輪機的安全穩定尤為重要。故汽輪機設計過程中，應用成熟的機型、成熟的結構。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。

經過與杭汽交流，該公司成熟的機型業績有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水泵的業績，僅在艦船上有小功率循環水泵的應用業績。杭汽也有飽和蒸汽機組業績，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汽輪機轉速5500rpm而循環水泵轉速為168rpm，且汽輪機布置為臥式，循環水泵布置為立式。汽輪機需通過齒輪箱減速后轉換為立式傳動才能與循環水泵間接相連。

轉速5500rpm減速到168rpm無法通過一級減速完成，需設置兩級減速。所以設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，目前國內傘型齒輪箱減速箱在大功率工業汽輪機上沒有應用業績，只有在艦船上的小功率汽輪機上有運行業績。

2.2 總圖布置

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

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島廠房太遠，循環水泵房需緊靠常規島廠房布置。該方案對現有總圖布置變化較大，需要大量協調工作。由于泵房緊靠常規島廠房，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立式輸出，需要增加轉向齒輪箱，目前無相關業績，存在制造及運行風險。此外，采用小汽機后，原一臺電機實現的驅動現在需要多系統配合（新型齒輪箱、小汽輪機、小凝汽器、小循環水系統、油系統）才能完成，系統復雜、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、工業汽輪機相關設備（汽水分離器、工業汽輪機、凝汽器、凝結水泵、循環水泵、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。節省的成本為減少了循環水泵電機，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、工業汽輪機相關設備（汽水分離器、工業汽輪機、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。節省的成本為減少了循環水泵電機，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。詳細數據見下表6。

表6 方案1收益估算表

根據上表計算知，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產生具體數據見表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 結語

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

在經濟方面，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，還會增加額外設備電耗和廠房投資費用，所以整體為負收益。

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