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噴嘴將凝結(jié)水霧化，通過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，蒸汽通過鼓泡管引入水箱下部，水箱中的給水參與換熱和除氧過程，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組旁路排放閥開啟時(shí)，向旋膜除氧器排放的主蒸汽通過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。在排放過程中需要考慮旋膜除氧器壓力上升的問題。
3旁路主蒸汽排放過程中旋膜除氧器內(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，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)排放過程中，旋膜除氧器內(nèi)部壓力不會(huì)遙遙過設(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)部壓力的上升過程，而淋水盤一體化旋膜除氧器缺少這個(gè)吸熱過程。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)鼓泡管上的開孔數(shù)量、開孔直徑和孔間距，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的開孔，正常工況下液體浸沒高度為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。