根據二代半核電站百萬千瓦核電汽輪機技術設計情況, 對于汽輪機汽水分離再熱系統 (GSS) 系統功能、二級再熱系統設計、疏水系統設計以及運行工況設計情況進行分析介紹如下。
1 系統功能簡述
汽輪機汽水分離再熱系統是核電汽輪機必不可少的一個重要環節。其目的是為了把末級葉片濕度控制在10%左右, 從而中壓/低壓缸進汽必須帶有一定的過熱度。在常規火電機組中, 為此一般是將高壓缸的排汽送入鍋爐中的再熱器進行再熱。而在核電機組中, 情況就不一樣。由于核電機組蒸汽發生器產生的蒸汽, 一般為5MPa～7 M P a壓力的飽和蒸汽 (濕度在0.2 5%以下) , 當蒸汽在核電汽輪機高壓缸內膨脹到1.0 M P a～1.5 M P a時, 其濕度已增加到10%～13%。如果蒸汽直接送到中壓/低壓缸繼續膨脹做功, 當其達到凝汽器壓力時, 排汽濕度將會增加到20%～25%, 遠超出12%～15%的允許值, 其結果, 除了導致汽輪機內效率大大下降外, 還會造成汽輪機內部構件的嚴重水蝕, 以至機組無法正常工作。因此, 將高壓缸的排汽進行汽水分離, 去除其中的水份后, 再用抽汽或新蒸汽進行再熱, 使蒸汽進入低壓缸前有一定的過熱度, 這樣, 最終的排汽濕度就可控制在10%左右 (與一般火電相當) 。因此, 在高、中壓/低壓缸之間設置了2臺并列的汽水分離再熱器, 其功能如下。
(1) 除去高壓缸排汽中的水分。
(2) 提高進入低壓缸蒸汽的溫度, 使其具有一定的過熱度。
這樣, 就大大改善了汽輪機低壓缸的工作條件, 提高了汽輪機的相對內效率, 防止和減少濕蒸汽對汽輪機零部件的腐蝕作用。
2 主要設備
汽水分離再熱器 (MSR) 有汽水分離器和再熱器兩部分組成, 其結構特點如下。
(1) 汽水分離器:為人字行波紋板式分離器, 是美、法、德、日等國廣泛采用的型式。濕蒸汽流沿兩塊波紋形成的通道行進, 不斷改變流向。由于慣性作用, 水滴沖撞在板上而被收集起來, 這種分離器有較高的分離效率。
(2) 再熱器:翅片管再熱器, 分為一級再熱器和二級再熱器。翅片管加強了傳熱效果, 提高了熱效率, 大大提高了蒸汽的熱值。一級再熱器的熱源來自于乏汽, 即高壓缸抽汽, 二級再熱器熱源來自于新蒸汽。
3 系統設計簡析
汽水分離再熱器系統由蒸汽供汽系統、抽氣系統、疏水 (排水) 系統等子系統組成。
3.1 蒸汽供汽系統
(1) 作用。
系統把來自高壓缸的乏汽、新蒸汽供應給2個再熱器, 以便使高壓缸排放的蒸汽在進入中壓缸前被加熱, 使之成為有過熱度的過熱蒸汽。確保在低壓缸排汽濕度不超過允許的值。
(2) 乏汽供汽站 (第一級再熱) 。
從高壓缸第一個抽汽點抽汽供給第一級 (乏汽) 再熱器, 加熱蒸汽取至第一個抽汽點管道上抽汽止回閥下游和隔離閥上游。
(3) 新蒸汽供汽站 (第二級再熱) 。
進入第二級 (新蒸汽) 再熱器的新蒸汽來自主蒸汽母管。新蒸汽流量由一個主運行調節閥和一個啟動調節閥控制。啟動調節閥在啟動和低負荷運行期間對進入第二級再熱器的新蒸汽流量進行控制。在核島運行期間向新蒸汽供汽站提供蒸汽并用蒸汽對管道系統進行預熱, 以防止冷態啟動是的熱沖擊。
主運行調節閥用于高負荷運行時向第二級再熱器提供新蒸汽。
3.2 抽氣系統
(1) 作用。
抽氣系統排出再熱器中的非凝結氣體。它對于防止再熱器換熱管的間歇性淹沒是必需的, 而間歇性淹沒可導致疲勞故障。
在冷態啟動時對第一級和第二級再熱器換熱管進行預熱。
在汽輪機啟動期間抽空再熱器管道中的非凝結氣體。
(2) 再熱器抽氣系統簡介。
為了在啟動汽輪機前達到120℃的溫度, 采用連續抽氣, 其通過再熱器換熱管的蒸汽流量為正常蒸汽流量的3%。
新蒸汽疏水收集箱的抽氣管道與隔離閥下游的第一級 (乏汽) 再熱器管巢相連。
乏汽疏水收集箱抽氣管與高壓管道相連。運行期間該基本抽氣處于打開狀態。一個低負荷備用抽氣管與凝汽器相連, 超過5%負荷時, 該備用裝置處于關閉狀態。如果在正常管道中檢測到流量低, 它在運行中打開。
為了得到最大的熱回收, 通常將抽氣引向一個合適的給水加熱器。
4 疏水 (排水) 系統
4.1 作用
疏水系統是為了將凝結水從MSR排出以保證裝置的有效和安全運行, 每臺MSR均有一個獨立的疏水系統。
4.2 系統組成
(1) 分離器疏水系統。
(2) 乏汽再熱器疏水系統。
(3) 新蒸汽再熱器疏水系統。
注:在啟動和低負荷運行期間, MSR所有疏水都應排向凝汽器, 使它們能得到過濾, 以防止給水系統的污染。
(1) 分離器疏水系統。
從每臺MSR分離出來的水靠重力排入分離器混合疏水收集箱, 再由泵泵入除氧器會4號第一加熱器后給水管線上。
提供給每個混合疏水收集箱一個疏水回收泵。在該泵不能使用或疏水不能排入除氧器時, 疏水通過安裝在疏水箱上的高液位控制器打開事故疏水閥, 使疏水排入凝汽器。
(2) 乏汽再熱器和新蒸汽再熱器疏水系統。
新蒸汽和乏汽再熱器管巢集管中的凝結水通過重力被排入各自的再熱器疏水收集箱。
乏汽再熱器疏水收集箱正常時疏水排入6號高加, 事故時排入凝汽器。
新蒸汽再熱器疏水收集箱正常時疏水排入7號高加, 事故時排入凝汽器。
5 運行工況設計
5.1 啟動
啟動前MSR管束的暖管和通風。
為了防止濕蒸汽進入汽機的中/低壓通流, 二級再熱器在汽機冷態啟動前需要進行暖管。
經過暖管使再熱級達到平衡壓力。一級再熱壓力和二級再熱約100kPa。當再熱器管板溫度達到140℃, 暖管自動停止。汽機可以啟動。不過當再熱器管板平均溫度達到120℃后, 就可進行手動啟動。
MSR二級再熱的通風回路將二級凝結水箱與一級再熱供汽管連通。這種結構可完成一級再熱的抽氣。一級再熱的通風將一級凝結水箱中的蒸汽抽至高排。MSR的抽氣系統在機組啟動期間抽空再熱器及管道中的非冷凝氣體。
汽機升速和升負荷。
中壓蒸汽必須是過熱蒸汽。這要求一個 (或兩個) 再熱級必須投運。如果兩個再熱級都被切除將導致濕蒸汽進入中壓, 這是機組不允許的。
管板 (MSR二級再熱) 的預熱由二級供汽流量完成, 通過二級供汽備用壓力調節閥調節。
啟動狀態取決于二級再熱管板的熱狀態。
(1) 如果管板溫度高于14 0℃, 熱態啟動。
(2) 如果溫度低于120℃, 冷態啟動。冷態啟動前需要進行暖管。
二級供汽壓力調節閥逐漸打開, 根據機組負荷函數以及遵循時間常數來控制二級再熱管板的溫度上升。二級供汽壓力調節閥在60%負荷全開。
一級供汽由7段抽汽提供。隔離閥在汽機升速期間打開。
5.2 正常停機
MSR供汽閥在開啟狀態, 直到達到60%汽機額定負荷。
MSR一級再熱供汽的抽汽隔離閥開啟, 直到汽機停機。
MSR二級再熱的供汽壓力調節閥逐漸關閉, 直到達到二級再熱管束要求的最小壓力值。這是為了避免在低流量工況下蒸汽過熱, 以便限制每個MSR進出口間的溫差。
總的來說, GSS系統的合理設計對于汽輪機正常、安全運行意義重大, GSS系統如果不能正常疏水, 將影響汽水分離器本體的安全, 同時, 如果高濕度的蒸汽進入汽輪機低壓缸做功, 將嚴重威脅低壓缸運行安全, 進而影響整個核電站的運行安全。另外, GSS系統是否正常疏水直接影響汽輪機發電機組的功率輸出, 影響核電站的經濟效益, 因此合理的GSS系統設計對于核電站的安全運行和經濟效益息息相關。
摘要：結合百萬核電汽輪發電機組工程技術設計, 對百萬核電汽輪機汽水分離再熱器系統 (GSS) 作用、二級再熱系統設計、疏水系統設計以及運行工況設計情況進行分析介紹。
關鍵詞：汽水分離再熱器MSR,分離再熱器系統GSS,行波紋板式分離器,乏汽,新蒸汽
參考文獻
[1] 廣東核電培訓中心.900MW壓水堆核電站系統與設備[M].原子能出版社, 2009.