核电站凝汽器真空系统设计及优化

1、核电站凝汽器真空系统设计及优化黄镜欢(广东省电力设计研究院,广东广州510660摘要:介绍了岭澳核电站二期工程凝汽器抽真空系统的组成和功能,对系统的设计特点及要求进行分析和总结,分析了对真空破坏阀安装位置及U形水封建立水密封的优化情况,最后建议:设计时,应确保汽侧真空泵组的选取满足汽轮机在各种运行工况下的要求,在确保系统安全的基础上优化设计。关键词:核电站;抽真空系统;系统设计中图分类号:T K263文献标志码:A文章编号:1007 290X(201104 0039 03Design and Optimization of Condenser Vacuu m System in Nuclear

2、 Power StationH U AN G Jing huan(G uangdo ng Electr ic Pow er De sig n Institute,G uangzho u,G uangdo ng510660,ChinaAbstract:T he paper pr esents c ompo sitio n and functio ns o f condenser v acuum system in the seco nd pha se pr oject of L ing ao nucle ar po w er sta tio n and it a naly zes and sum

3、ma rizes desig n feat ur es and r equire ments o f the sy stem;it analyzes optimiza tio n of installation po sitio n o f vacuum br ea ke r va lve and wate r sea l buildup o f U shaped wat er sea l F inally,it is sug geste d tha t selection o f ste am side va cuum pum p packag e m eet the r equire me

4、nts of steam turbines under var ious o per ating conditio ns,and o ptimization sho uld be o n the basis o f sy stem safe ty.Key words:nucle ar po wer sta tio n;v acuum sy stem;sy stem design凝汽器真空由循环水流量、温度、凝汽器冷却面积等因素决定1。凝汽器汽侧真空泵组的出力大小虽然不是决定真空度的主要因素,但如果凝汽器真空系统设计不合理,凝汽器内不凝结气体不能及时被抽出,其真空就会下降,对汽轮机运行的经济性和

5、安全性均产生重大影响。本文介绍了岭澳核电站凝汽器抽真空系统的功能、组成以及真空泵组的各组成部件功能,总结了系统的设计特点及要求,分析了根据参考核电站运行的反馈经验进行系统的设计优化实际情况,供后续核电站的真空系统设计参考。1 系统描述1 1 工程概况和系统简介凝汽器真空系统的作用是抽出凝汽器中随蒸汽带入的不凝结气体和由大气漏入的空气,建立和保持凝汽器的真空,提高汽轮机组的经济性。核电站的凝汽器真空系统与常规火电厂的凝汽器真空系统功能相同,满足汽轮机在各种运行工况下抽真空的要求,并有效地将凝汽器内的不凝结气体排出2。岭澳二期工程核电站装机容量为2 1000 M W级的压水堆核能发电机组,采用法国

6、阿尔斯通(Alsto m技术,由东方电气集团提供半转速(1500r/m in冲动凝汽式汽轮发电机组。机组为单轴中间再热三缸四排汽,由1个高中压合缸和2个双流式低压缸组成。每台机组配有3套汽侧真空泵组,启动时,3套真空泵组同时运行以加快启动速度;正常运行时,1套运行即可满足机组运行的要求,另2套备用。凝汽器真空系统由3套保持真空的成套设备组成,即抽真空设备、真空破坏系统、真空测量系统和所有相互连接的管道和阀门。系统为主汽轮机提供合适的背压,把气体排往核岛通风系统或在启动时排入大气。第24卷第4期广东电力V ol 24N o 4 2011年4月GUANGDONG ELEC TRIC POWER A

7、 pr 2011收稿日期:2011 03 021 2 系统组成凝汽器抽真空系统流程如图1 所示。图1 凝汽器抽真空系统流程图1台机组由2台循环水泵A 和B 分别向凝汽器A 、B 列供应冷却水,每个凝汽器均有2个抽气口。系统从凝汽器抽气口抽出空气和不凝结气体,A 列抽气管道汇成的母管与B 列抽气管道汇成的母管汇合为1个母管,该母管再分成3个支管分别接至3套汽侧真空泵组入口。A 、B 列抽气母管上分别装有隔离阀,可实现单侧运行。3套汽侧真空泵组是相互独立的,其排气出口也是汇成母管后再排往核岛通风系统或排入大气。岭澳核电站二期工程采用的是水环式真空泵组,每套汽侧真空泵组主要由电动真空泵、密封水泵、密

8、封水热交换器和气水分离箱组成。电动真空泵从主凝汽器吸入不凝结气体,利用密封水泵输送的密封水作为压缩剂,压缩从主凝汽器吸入的不凝结气体;压缩后形成的空气-水混合物被排入气水分离箱进行气水分离,空气从气水分离箱出口被排出抽空气设备,密封水回到分离箱。气水分离箱是密封水泵的贮水箱,密封水泵抽出的密封水经过密封水冷却器后喷入电动真空泵作为工质。密封水冷却器利用海水作为冷却介质来冷却泵组内循环使用的密封水。电动真空泵为1台2级压缩水环泵。电动真空泵从主凝汽器吸入不凝结气体和空气的混合物,混合气体一部分在真空泵的第1级被压缩,然后随密封水排进第2级,被压缩到常压,最后将所有密封水和压缩空气排进分离箱进行气

9、水分离。在低真空阶段,真空泵只有第1级运行,第2级压缩自动旁路;当真空达到某值时,自动启动2级运行。为监测总的空气泄漏率,每套抽空气设备分离箱出口处都设有测量装置。为满足汽轮机紧急停机的需要,每个凝汽器壳体上都设有1根真空破坏管道及真空破坏阀。真空破坏系统可使机组在较短时间内降至盘车转速。2 系统设计要点2 1 设计原则凝汽器抽真空系统的设计及汽侧真空泵组的选取必须满足汽轮机在各种运行工况下抽真空的要求,同时能有效地将凝汽器内的不凝结气体排出。设计需满足以下几项要求:a按照美国传热协会(Heat Exchanger Insti tute,H EI标准,机组启动时,在送入蒸汽之前的真空提升阶段用

10、3套汽侧真空泵组在30min 内将凝汽器的真空提高到30kPa 。b按照HEI 标准,正常运行时,用1套汽侧真空泵组保持主凝汽器真空在要求的范围内。c低负荷或瞬态运行工况时,利用1、2或3套汽侧真空泵组保持主凝汽器真空在最佳水平。d为主汽轮机提供合适的背压。根据汽轮机供货商提供的资料,可得到启动工况的抽气容积,并根据H EI 标准,计算出启动工况的管道流速,从而选取合适的管道规格。正常运行工况下计算汽气混合物的抽出流速时需注意混合比容的计算。2 2 系统设计特点每套抽空气设备入口都设有1个气动蝶阀,当机组启动顺序开始时,首台真空泵启动,凝汽器在大气压下,蝶阀前后压差为零,气动蝶阀立即开启。备用

11、泵投入运行工况,凝汽器已具备一定的真空度,当抽气真空泵启动后且系统入口蝶阀的前后压差小于一定值时,开启气动蝶阀,以致凝汽器真空不会恶化。分离箱出口设出口止回阀和空气流量计,可防止在设备突然跳闸时,空气从出口倒回,破坏凝汽器真空。另外,该出口止回阀带有手柄,通过关闭该阀可测出凝汽器的干空气泄漏量,从而为故障状态下分析原因提供便利。分离箱设有液位开关和补水电磁阀及溢流管路,可自动保持分离箱水位。密封水冷却器的冷却介质为海水,其设计材料40广东电力第24卷需采用耐海水腐蚀的材料。在单台辅助冷却水泵运行的瞬态运行工况下,由于运行的辅助冷却水泵数量减少,使经过每台热交换器的冷却水流量减少,致使密封水温升

12、高,从而使每台泵的容积排量增加,但每台真空泵的实际容积排量余量应仍能满足要求。正常运行工况下,只有1套汽侧真空泵组运行,另外2套备用。备用真空泵进口气动隔离阀是关闭的,此处没有介质流动,形成1个死端,容易积聚凝结水。当备用泵需运行时,积聚的凝结水将会随气流进入真空泵,不利于泵的运行。因此,需要在真空泵抽气进口的管道上设置疏水管,且布置时需设有一定的坡度,保证疏水通畅,使真空泵进口管道一直处于热备用状态。凝汽器壳体上设置了2个真空破坏阀及其管道,汽轮机需要紧急停机时,可使用真空破坏系统使其在较短时间内降至盘车转速。为防止杂物堵塞通道或进入凝汽器,真空破坏阀入口装设了滤网。2 3 系统的控制要求3

13、套汽侧真空泵组均相互独立,每套汽侧真空泵组都有单独的、完全相同的顺序控制系统,在规定的时间内,任何一步启动或运行程序失效,都会导致启动或运行泵的失效,并发出单独的故障报警。启动时,为减少达到需要真空度的启动时间,采用3套汽侧真空泵组一起投入的方式;正常运行时,开启1套汽侧真空泵组,以维持运行需要的凝汽器真空度;在汽轮机低负荷时可投入1套、2套或3套汽侧真空泵组,以保持凝汽器真空。如果运行中的真空泵组跳闸或凝汽器压力大于其设定值,备用泵组投入运行;当凝汽器压力小于其设定值,则联锁停备用泵组。在启动工况下,如果汽轮机轴是热的,在主汽轮机未送轴封蒸汽之前,不应投入真空泵组,以防止冷空气被吸入轴周围而

14、引起过大的温度梯度,损害汽轮机。当汽轮机需紧急停机时,可使用真空破坏系统使机组在较短时间内降至盘车转速。电动真空破坏阀只有在所有抽气真空泵停运,且汽轮机转速低于厂家要求值时才可开启。当分离箱液位低时,会发出报警,并使密封水泵脱扣或不能启动,以保护密封水泵不气蚀。换热器冷却水侧设置流量开关,当换热器因堵塞或其他原因导致流量减少至设定值时,可发出报警信号。3 系统优化3 1 真空破坏阀安装位置优化大亚湾和岭澳核电站一期工程的真空破坏系统只有1个真空破坏阀及1根管道,且真空破坏管道是从凝汽器抽气管道隔离阀下游的母管上接出的,不利于真空破坏系统发挥作用。原因为:真空破坏管道安装在凝汽器抽气管道隔离阀下

15、游,当需要运行真空破坏阀时,因为抽气隔离阀意外(或故障关闭,导致空气不能如期进入凝汽器,达不到真空破坏的目的,影响机组紧急停机。为避免此故障造成的影响,真空破坏阀及其管道应安装在隔离阀上游。岭澳核电站二期工程设置了2个真空破坏阀及其管道,而且管道直接与凝汽器壳体相接,每个凝汽器壳体接1根真空破坏管道,利于真空破坏系统的运行及发挥其应有的作用。3 2 U形水封建立水密封的优化气水分离箱排气管道的疏水管道通过U形水封进行密封,根据岭澳核电站一期工程运营公司反馈,U形水封中经常出现U形管内无水的现象,不能实现排气系统的密封性。因此,在系统设计时对U形水封加接补水管并设置阀门,以便随时补水,方便对其进

16、行运行维护。4 结束语凝汽器的真空对汽轮机运行的经济性和安全性均有重大影响3,合理设计凝汽器抽真空系统,对保持凝汽器真空有着重要作用。设计时,应确保汽侧真空泵组的选取满足汽轮机在各种运行工况下的要求,在确保系统安全的基础上优化设计。参考文献:1肖登文 影响凝汽器性能的因素分析J.广东电力,2008,21(4:61-62,65.XIAO Den g w en An alysis on Factors Aff ecting Per formance of Cond en sersJ.Guangdon g Electric Pow er,2008,21(4:61 62,65.2陈济东 大亚湾核电站系

17、统及运行M.北京:原子能出版社,1998.CH EN Ji don g.Dayaw an Nuclear Power S tation an d the Oper(下转第86页41第4期黄镜欢:核电站凝汽器真空系统设计及优化3 斜井接地加物理降阻方案论证分析本次降阻主要采用斜井接地技术。为了防止外力破坏并长期免维护,根据利用公共用地的原则和线行,在站内接地网外缘,往3条500kV出线、5条220kV出线高压线路绿化带区域两侧位置施工接地斜井,总共施工13口接地斜井。站外斜井距地表约10m,且高压线路下不得建高层建筑,斜井受破坏的概率较小。同时,往斜井内灌满物理降阻剂浆,改良地下深层土壤的电阻率

18、,加强降阻效果。经测试,500 kV横沥变电站表层平均土壤电阻率 =600 m, K=0 55,单根斜井(长度L=100m,深度h=10m,直径d=0 2m电阻R1=0 5K /L ln(L2/hd= 4 5 。与水平网连接后,竣工电阻R2满足1/R2= 1/R1 13+1/0 96,即R2!0 254 ,考虑屏蔽因素,实际竣工电阻R2!R/0 65=0 391 < 0 5 (0 65为屏蔽系数。理论计算结果表明,使用13口斜井可以将接地网接地电阻降至合格范围。4 改造后横沥变电站接地网参数状况评估分析2009年2月,广东省电力试验研究所测量改造后的500kV横沥变电站接地网接地电阻。在

19、出线构架上带着500kV、220kV避雷线和OPGW 的运行状态下,采用类工频小电流法测量500kV 横沥变电站接地网接地电阻值为0 195 。由于变电站出线构架上带着500kV、220kV 避雷线和OPGW将对测试电流进行分流,导致接地电阻测量结果偏小,本次试验在注入电流频率45Hz、电流7A的测试方式下,采用柔性罗哥夫斯基线圈对与500kV和220kV出线构架相连通的80根金属构架及变压器中性点和500kV出线杆塔塔脚进行分流测量,以剔除分流因素的影响,使测试结果更接近真实值。测试结果显示:500 kV开关区金属出线构架分流电流总和为1 202A, 220kV开关区金属构架分流2 151A

20、,变压器中性点分流0 062A,总计2 993A,分流系数0 4879。考虑500kV和220kV出线避雷线和OPGW 的分流后,变电站围墙内的原主接地网接地电阻约为0 195 /(1-0 4879=0 38 ,与理论值相近,达到设计和运行要求,本次地网改造达到预期效果。5 结论a通过改造,500kV横沥变电站接地网接地电阻满足运行要求,整个改造工程效果显著。b选择降阻方案时,不能简单地判断各种降低接地网接地电阻措施的优劣,应根据实际情况将各种措施有效地结合起来才能达到理想的效果。c目前由于征地问题,外扩接地网往往受到站外因素的影响容易遭到破坏,但考虑到线行下一般不能建高层建筑,接地网破坏概率较低,可以充分利用变电站出线线行,采用斜井外扩接地网以降低接地电阻,该方法在大型接地网改造中可以推广。参考文献:1许非吾,徐国柱,沈京华,等 500kV兰亭变电所接地网的技术改造J.华东电力,2005,33(7:88-90.XU Fei w u,XU