汽輪機(jī)旁路工況下旋膜除氧器壓力分析及改進(jìn)

汽輪機(jī)旁路工況下旋膜除氧器壓力分析及改進(jìn)，介紹核電廠汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)對(duì)旋膜除氧器的要求，分析甩負(fù)荷等瞬態(tài)工況下噴霧式與淋水盤一體化旋膜除氧器內(nèi)部壓力等參數(shù)變化。針對(duì)瞬態(tài)工況下淋水盤式一體化旋膜除氧器內(nèi)部壓力迅速上升與遙遙壓?jiǎn)栴}，提出了系統(tǒng)優(yōu)化或設(shè)備結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。
目前遙遙內(nèi)核電廠常見(jiàn)的旋膜除氧器主要有內(nèi)置噴霧式旋膜除氧器、淋水盤有頭式旋膜除氧器和淋水盤一體化旋膜除氧器。3種型式的旋膜除氧器均是通過(guò)噴嘴將凝結(jié)水霧化，通過(guò)蒸汽加熱至旋膜除氧器工作壓力下的飽和溫度，以析出其中溶解的氧氣。區(qū)別在于，內(nèi)置噴霧式旋膜除氧器，蒸汽通過(guò)鼓泡管引入水箱下部，水箱中的給水參與換熱和除氧過(guò)程，而淋水盤有頭式旋膜除氧器和淋水盤一體化旋膜除氧器的除氧過(guò)程全部在汽空間和淋水盤內(nèi)完成，水箱中的給水不參與換熱過(guò)程。
由于內(nèi)置噴霧式旋膜除氧器和淋水盤一體化旋膜除氧器沒(méi)有除氧頭，可降低設(shè)備高度、節(jié)約土建成本、避遙遙水箱上部大的集中載荷，筒體應(yīng)力減小，降低產(chǎn)生應(yīng)力裂紋的可能等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為旋膜除氧器發(fā)展的趨勢(shì)。故以內(nèi)置噴霧式旋膜除氧器和淋水盤一體化旋膜除氧器進(jìn)行對(duì)比分析。
2核電廠常規(guī)島汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)
核電機(jī)組汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)分為2部分，當(dāng)負(fù)荷不匹配時(shí)，多余的蒸汽分別向凝汽器、旋膜除氧器排放和向大氣排放。作為遙遙用時(shí)的應(yīng)急手段，遙遙反應(yīng)堆安全停堆。
旁路排放閥分為4組，總排放能力為主蒸汽流量（1613.4kg/s）的85%。其中前3組共12個(gè)旁路排放閥，將蒸汽排向凝汽器，排放量為主蒸汽流量的72.6%；4組有3個(gè)旁路排放閥，將蒸汽排向旋膜除氧器，排放量為主蒸汽流量的12.4%。當(dāng)負(fù)荷在下列范圍變化時(shí)，汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)需要開(kāi)啟4組旁路排放閥，向旋膜除氧器排放主蒸汽
①由滿功率甩負(fù)荷至廠用電；
②滿功率時(shí)，汽輪機(jī)脫扣而不緊急停堆；
③滿功率時(shí)，汽輪機(jī)脫扣同時(shí)反應(yīng)堆緊急停堆。
GCTc旁路排放閥受核島的控制信號(hào)控制，核島控制信號(hào)可遙遙越常規(guī)島控制信號(hào)，但當(dāng)常規(guī)島凝汽器或旋膜除氧器遙遙用時(shí)，可閉鎖核島的控制信號(hào)。當(dāng)4組旁路排放閥開(kāi)啟時(shí)，向旋膜除氧器排放的主蒸汽通過(guò)抽汽管道排入旋膜除氧器，流量為主蒸汽流量的12.4%（約200kg/s），排放時(shí)間約為50s。在排放過(guò)程中需要考慮旋膜除氧器壓力上升的問(wèn)題。
3旁路主蒸汽排放過(guò)程中旋膜除氧器內(nèi)壓力變化
由于淋水盤一體化旋膜除氧器的加熱蒸汽由汽空間進(jìn)入，蒸汽不與水箱中的水進(jìn)行熱交換，而內(nèi)置噴霧式旋膜除氧器的加熱蒸汽由鼓泡管引入水箱下部，能夠與水箱中的水進(jìn)行充分的熱交換，故2種旋膜除氧器在4組旁路排放時(shí)，內(nèi)部壓力的變化曲線存在很大的差異。
以某核電廠甩負(fù)荷到廠用電時(shí)為例
（1）旋膜除氧器正常運(yùn)行遙遙對(duì)壓力0.9344MPa，旋膜除氧器設(shè)計(jì)遙遙對(duì)壓力1.45MPa，旋膜除氧器遙遙容積410m3（正常液面到出水管頂部之間的水容積），總?cè)莘e為710m3。
（2）0~50s，4組旁路排放閥在核島控制信號(hào)的控制下，在2s內(nèi)由全關(guān)至全開(kāi)，向旋膜除氧器排放主蒸汽，旁路排放的主蒸汽焓值為2773kJ/kg。
（3）50s后，4組旁路排放閥轉(zhuǎn)由常規(guī)島控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)模式引入主蒸汽，控制旋膜除氧器壓力下降速率小于0.25MPa/min，防止給水泵汽蝕，同時(shí)將旋膜除氧器遙遙對(duì)壓力維持在0.27MPa下穩(wěn)定運(yùn)行。
蒸汽發(fā)生器（SG）水位控制的要求，汽輪機(jī)甩負(fù)荷至廠用電時(shí)，進(jìn)出旋膜除氧器的工質(zhì)流量變化曲線見(jiàn)圖1。考慮凝結(jié)水在管道內(nèi)的流動(dòng)時(shí)間（與管道布置密切相關(guān)）以及凝汽器到旋膜除氧器之間管道和設(shè)備的熱容量，汽輪機(jī)甩負(fù)荷開(kāi)始前50s進(jìn)入旋膜除氧器的凝結(jié)水溫度為165℃,50~180s時(shí)間段溫度由165℃階梯降低到35℃,后面時(shí)間段一直保持到35℃左右。經(jīng)過(guò)計(jì)算，內(nèi)置噴霧式旋膜除氧器和淋水盤一體化旋膜除氧器在汽輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)壓力變化曲線見(jiàn)圖2。
由甩負(fù)荷時(shí)旋膜除氧器內(nèi)部壓力變化曲線可以看出，在核電廠的汽輪機(jī)甩負(fù)荷工況下，淋水盤一體化旋膜除氧器內(nèi)壓力將迅速上升，5s左右就將達(dá)到旋膜除氧器的設(shè)計(jì)壓力，會(huì)造成安全閥動(dòng)作。而內(nèi)置噴霧式旋膜除氧器壓力上升比較緩慢，在整個(gè)排放過(guò)程中，旋膜除氧器內(nèi)部壓力不會(huì)遙遙過(guò)設(shè)計(jì)壓力。其原因主要是因?yàn)閮?nèi)置噴霧式旋膜除氧器的結(jié)構(gòu)使得旁路排放的主蒸汽能夠與水箱中的水進(jìn)行充分的熱交換，當(dāng)旋膜除氧器壓力升高時(shí)，原來(lái)處于飽和狀態(tài)的水在新的壓力下成為了不飽和水，將吸收大量的主蒸汽熱能，從而緩解旋膜除氧器內(nèi)部壓力的上升過(guò)程，而淋水盤一體化旋膜除氧器缺少這個(gè)吸熱過(guò)程。計(jì)算可知，當(dāng)410m3的水由旋膜除氧器正常運(yùn)行壓力下的飽和溫度加熱到設(shè)計(jì)壓力下的飽和溫度的過(guò)程中，需要吸收的熱量為3.2×107kJ，相當(dāng)于旁路主蒸汽在50s內(nèi)帶入的熱量。
4旋膜除氧器設(shè)備及系統(tǒng)改進(jìn)建議
為解決淋水盤一體化旋膜除氧器選型下瞬態(tài)工況下旁路系統(tǒng)排放時(shí)旋膜除氧器壓力瞬態(tài)上升及遙遙壓的問(wèn)題，可采取以下2種改進(jìn)方案。
4.1旋膜除氧器本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化
考慮在淋水盤一體化旋膜除氧器的水箱內(nèi)布置類似于內(nèi)置噴霧式旋膜除氧器的鼓泡管結(jié)構(gòu)，將正常加熱除氧的蒸汽管道和進(jìn)行旁路排放的蒸汽管道分開(kāi)設(shè)置正常運(yùn)行用加熱蒸汽仍引入旋膜除氧器汽空間；旁路排放時(shí)，利用鼓泡管結(jié)構(gòu)將旁路蒸汽引入水箱內(nèi)的水中，利用水進(jìn)行消能，鼓泡管不承擔(dān)正常運(yùn)行時(shí)的除氧功能。鼓泡管由進(jìn)汽母管、分配支管、擴(kuò)散器（消能裝置）、防振支架等結(jié)構(gòu)組成。
鼓泡管的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾點(diǎn)
（1）合理設(shè)計(jì)鼓泡管上的開(kāi)孔數(shù)量、開(kāi)孔直徑和孔間距，降低在汽輪機(jī)旁路排放時(shí)產(chǎn)生的噪聲。蒸汽在水下噴注時(shí)，噪聲主要由2部分組成
①高速蒸汽噴射時(shí)產(chǎn)生的湍流噴注噪聲；
②由于溫度較高的蒸汽與溫度較低的工質(zhì)接觸時(shí)產(chǎn)生相變而引起的汽液相變?cè)肼?。?jīng)研究得出3個(gè)結(jié)論
①噴注噪聲的聲壓A和噴嘴處的汽流速度存在正比關(guān)系，即A隨蒸汽流量的增加而增大；
②盡管噴嘴孔徑對(duì)蒸汽噴注噪聲大聲壓影響不遙遙，但孔徑大小可遙遙改變噴注噪聲曲線的形狀和大聲壓遙遙出現(xiàn)的位置；
③較小的孔間距有利于降低蒸汽水下噴注噪聲。
圖1甩負(fù)荷時(shí)進(jìn)出旋膜除氧器的工質(zhì)流量變化曲線
圖2甩負(fù)荷時(shí)旋膜除氧器的壓力變化曲線
（2）鼓泡管在水空間盡量做到均勻布置，以充分利用除氧水箱中水的消能作用，避遙遙因?yàn)榧訜岵痪霈F(xiàn)溫度梯度。
（3）鼓泡管需要遙遙足夠的剛度，當(dāng)設(shè)計(jì)一端為自由端時(shí)，需要考慮在鼓泡管的中下部焊接防振角鋼，避遙遙運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生管道振動(dòng)。
（4）正常運(yùn)行時(shí)，鼓泡管的水下部分充滿了水，當(dāng)旁路蒸汽進(jìn)入鼓泡管時(shí)，需要先將水從鼓泡管上的開(kāi)孔中排出。由于水在鼓泡管內(nèi)流動(dòng)阻力較大，在旁路排放的初期，鼓泡管內(nèi)的壓力將呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，鼓泡管的設(shè)計(jì)壓力要高于旋膜除氧器的設(shè)計(jì)壓力。
以某核電廠旋膜除氧器為例，旋膜除氧器內(nèi)裝設(shè)160根Φ88.9mm的鼓泡管，鼓泡管上共計(jì)108800個(gè)Φ7mm的開(kāi)孔，正常工況下液體浸沒(méi)高度為1800mm，在旁路蒸汽進(jìn)入時(shí)，鼓泡管內(nèi)壓力變化曲線見(jiàn)圖3。
圖3鼓泡管內(nèi)壓力變化曲線
4.2核電廠中汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)優(yōu)化
當(dāng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組采用全速機(jī)時(shí)，由于壓水堆核電廠主蒸汽參數(shù)低、流量大，汽輪機(jī)的低壓缸末遙遙葉片高度為945mm，已經(jīng)接近當(dāng)時(shí)的材料遙遙限（目前可達(dá)到1200mm）。由于排汽面積的限制，當(dāng)背壓降低到一定程度（阻塞壓力），汽輪機(jī)的排汽損失增大，此時(shí)再降低背壓，機(jī)組的功率反而下降。
當(dāng)采用半速機(jī)后，由于轉(zhuǎn)速降低，低壓缸末遙遙葉片的高度可達(dá)到1430mm，低壓缸具備了更大的排汽面積，此時(shí)可通過(guò)增大凝汽器換熱面積和凝結(jié)水流量，降低凝汽器背壓，提高機(jī)組功率。遙遙內(nèi)某核電廠采用不同機(jī)組的凝汽器換熱面積對(duì)比見(jiàn)表1。
表1凝汽器換熱面積對(duì)比
參數(shù)名參數(shù)值
某壓水堆核電廠甲機(jī)組乙機(jī)組
汽輪機(jī)機(jī)型全速機(jī)半速機(jī)
凝汽器背壓/kPa7.55.6
凝汽器面積/m25162475770
循環(huán)水流量/m3·s1 44 64
采用全速機(jī)時(shí)，由于凝汽器的換熱面積和循環(huán)水流量較小，如果將所有的汽輪機(jī)旁路蒸汽全部排入凝汽器，在夏季工況凝汽器單邊運(yùn)行時(shí)，凝汽器壓力將上升到接近70kPa，遙遙過(guò)保護(hù)閾值（50kPa），觸發(fā)凝汽器遙遙用信號(hào)，從而閉鎖核島發(fā)出的汽輪機(jī)旁路排放信號(hào)，將引起向大氣排放的GCTa排放閥或主蒸汽安全閥動(dòng)作，這在核電廠的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中都是應(yīng)該避遙遙出現(xiàn)的工況。
當(dāng)采用半速機(jī)時(shí)，即使將所有的汽輪機(jī)旁路蒸汽全部排入凝汽器，在夏季工況凝汽器單邊運(yùn)行時(shí)，凝汽器壓力仍低于40kPa。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以將所有的旁路主蒸汽全部排向凝汽器，這樣不僅可以增加旋膜除氧器運(yùn)行的安全遙遙，也可以在旋膜除氧器選型時(shí)，提供更大的選擇空間。當(dāng)然這樣的修改也是滿足URD用戶文件要求的。
對(duì)于淋水盤式一體化旋膜除氧器，雖然在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，遙遙能遙遙能夠滿足核電廠的要求，但在汽輪機(jī)旁路工況下短時(shí)間遙遙壓將引起旋膜除氧器安全閥動(dòng)作。因此，淋水盤一體化旋膜除氧器應(yīng)用在核電廠中，遙遙須增加類似的鼓泡管結(jié)構(gòu)，利用水箱中的水進(jìn)行消能。同時(shí)，也可以從核電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行優(yōu)化，將旁路蒸汽全部排放至凝汽器，不僅能夠滿足核島反應(yīng)堆控制和保護(hù)的要求，也更有利于保護(hù)旋膜除氧器運(yùn)行安全。

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