VVER核电机组供热抽汽方案研究_王晓彬.pdf

Science&Technology Vision科技视界DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2022.31.10VVER 核电机组供热抽汽方案研究王晓彬（中核辽宁核电有限公司设计管理处，辽宁 葫芦岛125000）【摘要】为 解 决 燃 煤 机 组 供 暖 造 成 的 环 境 污 染 问 题，改 善 空 气 质 量,可 以 考 虑 核 电 机 组 供 热 的 问 题。核 电 机 组 有容 量 大，稳 定性 好、对 环 境 污染 小的特 点，利 用核 电 汽 轮机 抽汽 供 热 可以 有 效保 证 寒冷 地区 的冬季 采 暖。本 文 以 第 三 代核 电VVER机 组 为 例，对 高 压 缸 排 气、低 压 缸 排 气 和 再 热 汽 抽 汽 三 种 加 热 抽 汽 方 案 进 行 了 对 比 分 析，并 介 绍 了 各 抽 汽方 案 对机 组 经济 性 和安 全 性的 影 响。结果 表 明，再 热 蒸汽 抽 方 案 具 有 较 好的 综合 技 术经 济效 益。【关键词】核 电 机组；供热；抽汽；经 济性；安 全 性0引言目前环境污染问题日趋严重，空气质量不容乐观，大气污染治理任重而道远。我国北方寒冷地区冬季燃煤是造成大气污染，特别是城市空气质量恶劣的原因之一。核电机组供热则是一项能够解决燃煤取暖造成的环境污染问题的方案。利用核电进行供暖是一种已经被广泛使用的安全、成熟的技术，俄罗斯对该技术的使用比较多，海阳核电也已经使用此项技术。目前，没有发生过相关核事故。核电供暖，具有节省化石燃料、改善环境、提高供热质量和增加电力供应等优点。为了比选出经济可靠的核电供热抽汽方案，本文以 VVER 核电汽轮机组为例，比较了高压缸排汽、低压缸抽汽、再热蒸汽抽汽三种可能的选择方案1-2，分析了它们对机组经济性和安全性的影响。1机组概况某 VVER-1200 核电机组常规岛汽轮机为半转速(1500r/min)凝汽式汽轮发电机组。汽轮机型式为单轴中间再热四缸六排汽，由一个高压缸和三个双流式的低压缸组成，配置 2 级汽水分离再热器和 7 级回热抽汽。其中1-4 号低压加热器抽汽由低压缸提供，5 号除氧器抽汽由高排提供，6、7 号高压加热器抽汽由高压缸提供。蒸汽发生器产生的蒸汽沿主蒸汽管道经过主蒸汽隔离阀、高压主汽调节联合阀进入汽轮机高压缸做功。高压缸有两段抽汽，7 段抽汽为汽水分离再热器的一级再热器和 7 号高压加热器提供加热蒸汽，6 段抽汽为 6 号高压加热器提供加热蒸汽；高压缸的部分排汽被引入到除氧器，大部分排汽引入汽水分离再热器。在分离器除湿后依次进入第 1 级再热器和第 2 级再热器，变为过热蒸汽后再经低压主汽门进入汽轮机低压缸做功。低压缸共有四段抽汽，分别进入 1&2 号合体低压加热器、3 号低压加热器和 4 号低压加热器。低压缸排汽排入凝汽器，凝结后汇流到热井，经凝结水管道流入凝结水泵，主凝结水流经 1&2 号合体低加外置疏水冷却器、轴封加热器和凝结水精处理装置后，采用净凝结水泵升压，再流经 1&2 号合体低压加热器、3 号低压加热器和 4 号低压加热器，进入主给水除氧器。经除氧器除氧后通过给水泵升压，升压后的主给水经高压加热器加热，然后通过给水调节阀、快速隔离阀和止回阀进入蒸汽发生器。2供热方案2.1供热方案设计原则供热方案设计原则如下：科技新知037科技视界Science&Technology Vision（1）某核电厂采用俄罗斯 VVER-1200 堆型。（2）供热面积按 500 万 m2，平均采暖热指标取值，平均采暖热指标取值 50W/m2。（3）热网首站每台机组设置一个。正常运行供热能力为总负荷的 50%。事故状态或机组大修期，每个热网首站供热能力按总负荷的 75%考虑。（4）采暖期室内计算温度按 18 考虑，采暖供热期为 152 天。项目采暖期室外计算温度为-11.8，采暖期日平均温度为-2.5。2.2热用户用汽需求梳理除对外采暖供热外，本项目还需对厂区核岛采暖用户、常规岛采暖用户等热用户供汽制热，主要包括：（1）每台机组设有一座核岛采暖换热站。（2）一座常规岛及双围墙内 BOP 供暖换热站。（3）一座 BOP 供暖换热站。（4）由于汽轮机各级抽汽外供汽量有所限制，且相互制约，故也需考虑辅汽用户对抽汽能力可行性分析的影响，如核岛辅汽用户、汽轮机轴封、除氧器启动用汽等。2.3可用汽源可行性分析由于本工程需考虑对外采暖供热，热负荷较大，所需抽汽量较大。根据前面不同汽源方案设想，本工程可用于采暖换热的抽汽有汽轮机四级抽汽、高压缸排汽和 MSR 后再热蒸汽三个汽源。结合各方案中对抽汽流量的最大需求，分析汽源供汽可行性，包括提高抽汽能力方法及带来的影响。2.3.1四级抽汽能力分析当两台机组正常运行时，每台机组汽轮机四级抽汽各自承担本机组对外供热首站供热用汽需求，其中每台机组对外供热首站运行负荷为总热负荷的 50%。当一台机组运行，另外一台机组停机或处于启动状态时，运行机组汽轮机四级抽汽承担本机对外供热首站供热用汽需求。运行机组供热首站运行热负荷，可满足总负荷的75%运行需求，以满足机组供热可靠性要求。由于汽轮机第四级抽汽位于低压缸，四抽的抽汽能力主要取决于抽汽口前几级叶片的强度。由于是非调整抽汽，抽汽压力将会随抽汽量增大而降低。对于汽轮机第四级抽汽口前的几级叶片来说，随抽汽量增加，叶片前后的压差变化较大，特别是抽汽口前一级叶片，这将会影响叶片的安全性。因此在不重新设计低压通流的前提下，需要核算目前的叶片强度能够允许的最大抽汽量。当四抽对外供热量不同时，根据汽轮发电机厂家提供的数据，可以得知“高排 200t/h、抽汽 100t/h 工况”的汽轮机侧第二个级组的强度系数已达到设计值，“四抽抽汽 200t/h 工况”的发电机侧第一个级组和汽轮机侧第二个级组的强度系数超出了设计值，超出了叶片强度安全范围。因此，现有通流方案的条件下，四抽的最大抽汽能力为 100t/h。此抽汽量无法满足运行需求，因此需对汽轮机叶片进行调整。由于四抽抽汽口布置在低压发电机侧，是非对称抽汽，抽汽工况下发电机侧叶片承受的压差增大，因此设计过程中对每一级叶片都需要加强设计，跨距增加，导致通流效率下降。汽轮机侧虽然没有抽汽，但由于第六级回热抽汽为发电机侧、汽轮机侧对称抽汽，发电机侧四抽对外抽汽后，第六级回热抽汽压力大大降低，使得汽轮机侧的第二个级组 2 级叶片承受的压差增大，叶片强度也不能满足要求。因此，由于四抽抽汽量增大后，低压部分需要对 5 级叶片进行加强，再考虑到抽汽口径也需要增加，使得低压通流效率下降了。由于抽汽工况下低压各级组的流量与压力都会偏离常规工况设计值，纯凝工况时机组总的推力会有所增大，一定程度上会加大轴承耗功，降低机组出力。由于推力的增加，机组运行时推力瓦温会有所提高，但不超过允许运行值，可保证机组的安全运行。提高四抽抽汽能力，为满足四抽接口流速限制，应将四抽接口内径增大，导致机组通流间隙和跨距增大，使得低压通流效率下降。同时，叶片承受的压差增大，叶片需要加强设计，跨距增加，也会导致通流效率下降。综上所述，通过加强低压缸叶片强度，并增大 4 级抽汽口，可实现提高四级抽汽能力目的，但将影响机组TMCR工况出力。2.3.2高压缸排汽能力分析当两台机组正常运行时，每台机组汽轮机高压缸排汽各自承担本机组对外供热首站运行负荷为总热负荷的50%。当一台机组运行，另外一台机组停机或处于启动状态时，运行机组汽轮机高压缸排汽承担本机采暖供热用科技新知038Science&Technology Vision科技视界汽需求。其中，运行机组供热首站运行热负荷，可满足总负荷的 75%运行需求，以满足机组供热可靠性要求。当采用汽轮机高压缸排汽作为采暖加热蒸汽汽源时，需要考虑抽汽量较大时对高压末几级叶片带来的影响。对于汽轮机高压末几级叶片来说，随抽汽量增加，叶片前后的压差变化较大，特别是高压末级叶片，这将会影响叶片的安全性。因此需要核算目前的叶片强度能够允许的最大抽汽量。根据 TG 厂家提供的数据可以看出，现有通流方案的条件下，当四抽抽汽 100t/h 时，高排的最大抽汽能力为 300t/h。高排抽汽 500t/h 时，已远远超过了允许的叶片强度要求。为满足高压缸排气的抽汽需求，可以通过加强高压缸叶片强度，增加叶片跨距及动静间隙，实现提高高压缸排汽抽汽能力目的，但此调整将影响机组 TMCR 工况出力。同时，也可以修改高排抽汽为调整抽汽来满足抽汽需求，通过调节低压进汽调节阀和抽汽调节阀来控制抽汽压力及流量。调整抽汽分为汽水分离再热器（MSR）至低压的连通管压力控制和抽汽流量控制两部分。连通管压力控制是通过调节低压进汽调节阀的开度来控制高压排汽压力，以防止高压排汽压力过低而引起叶片损坏。抽汽流量的控制是通过调节抽汽阀的开度来完成的。通过修改抽汽方式，使得高排压力不会随着抽汽量增加而降低，因此对高压末几级叶片的安全不会造成影响。高排调整抽汽不影响机组 TMCR 工况出力，但节流损失较大，相同热负荷下，调整抽汽运行方式机组出力相对较低于非调整抽汽方式。由于非调整抽汽方式会影响 TMCR 工况出力，因此使用调整抽汽运行方式更具有优势。综上所述，可实现提高高压缸排气抽汽能力目的，但将影响机组供热工况的发电出力。2.3.3MSR 后再热蒸汽能力分析当两台机组正常运行时，每台机组 MSR 后取汽各自承担本机组对外供热首站运行负荷为总热负荷的50%。当一台机组运行，另外一台机组停机或处于启动状态时，运行机组 MSR 后取汽承担本机采暖供热用汽需求。其中，运行机组供热首站运行热负荷，可满足总负荷的 75%运行需求，以满足机组供热可靠性要求。本方案蒸汽从汽水分离再热器（MSR）后至低压缸的再热蒸汽管道上取汽，承担对外供热热负荷。此方案相当于增加了高排的抽汽量，同样会超过目前汽轮机高压缸可承受的抽汽量，因此同样需要考虑对高压末几级叶片带来的影响。加强高压缸叶片强度，增加叶片跨距及动静间隙，都会影响机组 TMCR 工况出力。与高压缸排汽供汽技术方案相同，MSR 后再热蒸汽供气方案也可以通过修改抽汽为调整抽汽的方式，避免对叶片造成影响。调整抽汽的位置有两种选择，分别是高排后和 MSR 后，高排后为湿蒸汽，换热能力差，用汽量较大；MSR后为过热蒸汽，换热能力强，用汽量小一些。因此此方案同样降低了机组供热工况的发电出力，但较高压缸排汽供汽方案经济性更强。3结语通过上述内容可知，用于供热的加热汽源有汽轮机四级抽汽、高压缸排汽和 MSR 后至低压缸的再热蒸汽三个汽源。采用汽轮机四级抽汽作为主要采暖汽源的方案，需对汽轮机相应抽汽级叶片进行加强、优化，使得机组在非采暖期 TMCR 工况出力相较其他方案低，但在采暖期供热工况，机组出力较其他方案高。采用高压缸排汽作为主要采暖汽源的方案，可通过调整抽汽运行方式，实现机组 TMCR 工况出力不变，但在采暖期供热工况，机组出力较四抽方案低。采用 MSR 后再热蒸汽作为主要采暖汽源的方案，可通过调整抽汽运行方式，实现机组TMCR 工况出力不变，但在采暖期供热工况，机组出力较四抽方案低，但高于高压缸排汽方案。由于对外供热存在不确定性，且后续机组可与现有机组供热互为备用，因此应尽量不降低机组 TMCR 出力，采用 MSR 后再热蒸汽作为主要采暖汽源的方案较为合理。【参考文献】1崔玉岭.1030MW机组供热改造项目抽汽汽源选择J.中国设备工程，2017（8）：157-158.2孙轶卿.不同抽汽参数下的供热机组节能分析J.中国新技术新产品，2015（23）：73.科技新知039