何偉男，王兆彪，吳曉東，丁皓姝，鄒 迪

(1. 中廣核工程有限公司，深圳 518000； 2. 東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 132000)

核電站為降低汽輪機停機后的整體溫度，多采用滑參數(shù)停機的方式來達到汽輪機冷卻的目的，在機組冷卻過程中，選擇機組在空載平臺運行或廠用電平臺運行，缸體溫降效果也不相同[1]。核電機組在完成了滑參數(shù)冷卻過程，執(zhí)行汽輪機解列及打閘操作后的自然冷卻階段時間過長，參考國內(nèi)600 MW汽輪機自然降溫到423 K以下大約需要7天，對核電站而言，這樣的耗時限制了汽輪機的檢修效率，給核電生產(chǎn)經(jīng)濟性帶來巨大影響。

本文結(jié)合火電機組快速冷卻經(jīng)驗，通過創(chuàng)建缸體溫降的模型，分析影響溫降的因素，提出一套適用于核電站汽輪機機組快速降溫的控制方案。本方案以保障機組設(shè)備為前提，縮減核電站缸體溫降耗時，保證機組檢修計劃如期執(zhí)行。本方案的提出可為國內(nèi)其他核電機組的缸體溫降控制提供參考和借鑒。

1 汽輪機冷卻技術(shù)存在的問題

目前國內(nèi)汽輪機快速冷卻技術(shù)雖已成熟，但不同電廠的汽輪機冷卻效果不盡相同，具體分析見下文。

1.1 滑參數(shù)過程調(diào)節(jié)方式不同

各電廠大多采用滑參數(shù)停機來降低停機時汽缸的溫度水平，但滑參數(shù)停機時，主蒸汽溫度控制較為困難，蒸汽溫度的大幅波動甚至?xí)l(fā)汽輪機部件損傷的事故。通過降溫建模分析可知，初始溫度相同的情況下，通過在允許范圍內(nèi)提高降負荷速率，可以增加壁面換熱降溫效果。同時，在降溫過程中選擇合適的功率平臺，持續(xù)對汽缸進行低負荷蒸汽吹掃冷卻，也可以在保證低能耗的情況下提高降溫速率。綜上，滑參數(shù)速率調(diào)節(jié)及持續(xù)吹掃的平臺選擇不同，將導(dǎo)致不同的降溫效果。

1.2 停機后自然冷卻時間過長

容量大、參數(shù)高、尺寸大的汽輪機高壓缸普遍采用硅酸鈣、硅酸鋁等優(yōu)質(zhì)保溫材料來進行保溫，其會在停機后造成自然冷卻速度減慢。以國產(chǎn)200 MW機組為例，汽輪機停機后要使缸溫自然冷卻到揭缸溫度，即423 K以下，約需4～6天的時間。

由于汽輪機機組運行功率越高，其自然冷卻所需要的時間越長，而功率均在1 000 MW以上的核電站汽輪發(fā)電機組，自然冷卻耗時會更長。此外，汽輪機機組檢維修均使機組經(jīng)歷多次的自然冷卻，降溫消耗的時間嚴重影響了機組可用率和機組檢修及整組啟動的進度。

2 汽輪機快速冷卻問題的分析

2.1 滑參數(shù)降溫過程分析

對常規(guī)火電機組滑參數(shù)冷卻過程問題梳理后發(fā)現(xiàn)，決定核電廠汽輪發(fā)電機組滑參數(shù)冷卻效率的因素主要有三方面，即不同汽輪機功率下的蒸汽溫度、不同汽輪機負荷下降速率及保持持續(xù)吹掃的不同功率平臺。

2.1.1 不同汽輪機功率下的蒸汽溫度

根據(jù)CPR1000機組反應(yīng)堆溫度及功率控制原理，結(jié)合理論設(shè)計趨勢線可知，調(diào)節(jié)閥開度的增加降低了蒸汽通過閥門時的局部損失，進而提高了蒸汽的壓力和流量，提高了進汽溫度，最終提高了汽輪機機組的功率。換言之，汽輪機功率越高，對應(yīng)做功的蒸汽壓力和溫度就越高。

物體被冷卻時的對流換熱基本計算公式如下：

q=h(tf-tw)

(1)

式中：q為單位面積的固體表面與流體之間在單位時間內(nèi)交換的熱量，W/m2；h為表面對流傳熱系數(shù),W/(m2·K)；tf為流體溫度，K；tw為壁面溫度, K。

由式(1)可知，當高中壓缸缸體溫度不變，要獲得更好的冷卻效果，就要選擇溫度盡量低的流體進行換熱。由汽輪機負荷和進汽溫度的對應(yīng)關(guān)系可知，汽輪機負荷越低，則進汽溫度越低，冷卻效果越好。

2.1.2 汽輪機降負荷速率及持續(xù)吹掃平臺選擇

在初始條件確定的情況下，功率下降速率直接影響降溫速率，若想達到更快的降溫效果，就要在合理的范圍內(nèi)盡可能選擇大的降功率速率。

汽輪機空載工況下蒸汽參數(shù)低，可以達到較好的降溫效果?？蛰d工況下蒸汽濕度較大，對汽輪機的運行和葉片安全會產(chǎn)生較大危害，此時汽輪機旁路系統(tǒng)第1組閥門處于壓力調(diào)節(jié)模式，如果使閥門開度持續(xù)變化以平衡一、二回路壓力，就會對閥門盤根及執(zhí)行機構(gòu)造成頻繁的磨損，影響閥門壽命，所以汽輪機不適宜長時間在空載狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。

通過對比某核電站一期工程2臺機組的汽輪機快速冷卻試驗結(jié)果，結(jié)合二期3號機快速冷卻方案，決定以3 MW/min的速率執(zhí)行機組降負荷,這樣可以滿足核電站運行技術(shù)規(guī)范中降負荷速率不大于5 MW/min的要求，同時可以保持機組在空載階段運行，直到高中壓缸溫度降至滿足汽輪機打閘的要求。

2.2 打閘停機后缸溫冷卻過程分析

通過分析及對比火電機組的汽缸冷卻經(jīng)驗[2]，認為停機自然冷卻階段采用內(nèi)冷卻方式對于高中壓缸的冷卻效果最為明顯，常見的冷卻方法有3種：

1)自然冷卻。在盤車轉(zhuǎn)速下停運汽輪機軸封系統(tǒng)及真空抽取系統(tǒng)，使汽輪機進行自然冷卻。此方法屬于內(nèi)部調(diào)節(jié)，投運主盤車對缸溫進行冷卻，投資為零，且容易實現(xiàn)，但由于汽輪機軸端處進入的環(huán)境空氣溫度和高中壓缸內(nèi)部溫度相差較大，容易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，影響汽輪機軸系參數(shù)。

2)蒸汽冷卻。保持汽輪機沖轉(zhuǎn)中的某個轉(zhuǎn)速平臺，將轉(zhuǎn)速限定在300～1 000 r/min區(qū)間，保持蒸汽通流對汽輪機進行冷卻。此方法也屬內(nèi)部調(diào)節(jié)，投入不大，但由于蒸汽參數(shù)低，過熱度不夠，無法避免局部凝結(jié)現(xiàn)象。該方案會對汽輪機安全造成很大影響。

3)壓縮空氣冷卻。將凈化和加熱后的壓縮空氣通入汽輪機，進行強制對流換熱冷卻，缸體內(nèi)壁與壓縮空氣的溫差由熱應(yīng)力水平而定，冷卻速度通過空氣通流量調(diào)節(jié)。由于空氣比熱容小，對流傳熱系數(shù)小且無相變換熱，冷卻過程可控且安全。

對于以上3種冷卻方式，國內(nèi)廣泛采用蒸汽冷卻的方式，在自然冷卻階段，使用快速冷卻裝置可以大大提升降溫速度。

3 汽輪機快速冷卻建模分析

3.1 功率平臺與冷卻效果的建模分析

國內(nèi)某1 000 MW核電機組在停機過程中，選擇在15%滿功率(Full Power，F(xiàn)P)平臺保持穩(wěn)定運行，待溫度降至蒸汽參數(shù)的下降不會導(dǎo)致相變產(chǎn)生的工況后，繼續(xù)降低功率，直至空載狀態(tài)。下面將針對選擇功率平臺保持穩(wěn)定運行這一方案進行建模分析。

3.1.1 無對應(yīng)功率平臺的方案建模分析

無對應(yīng)功率平臺建模，即以不同的降功率速率使汽輪機降至空載狀態(tài)，將每個降負荷速率標準下溫度云圖的分布情況作為評價標準。為進行更為全面的驗證，分別采集了0.2 K/min、0.5 K/min、0.7 K/min、1.0 K/min降溫速率下的溫度云圖，如圖1至圖4所示。

圖1 無功率平臺蒸汽溫降速率0.2 K/min溫度云圖

圖2 無功率平臺蒸汽溫降速率0.5 K/min溫度云圖

圖3 無功率平臺蒸汽溫降速率0.7 K/min溫度云圖

圖4 無功率平臺蒸汽溫降速率1.0 K/min溫度云圖

通過對比無功率平臺的溫度云圖可以看出，在蒸汽溫降速率不同的情況，側(cè)視圖的換熱缸體整體的內(nèi)部速度分布存在較大差異。如圖1至圖4所示，在降溫速率較低時，缸體近壁面處蒸汽流速較小，小流速的蒸汽對壁面的吹掃較弱，從而導(dǎo)致壁面換熱效果較差，而提升蒸汽溫降速率之后，近壁面小流速的蒸汽明顯減少，加強了壁面換熱。所以，降負荷速率的增加對壁面換熱降溫是有利的。

同時，溫度云圖顯示，在低降溫速率的工況下，壁面表面的溫度分布不均，存在溫差較大的區(qū)域，這證明在低降溫速率工況下，壁面會存在散熱不均的情況，這也會影響整體缸體溫降。

3.1.2 有功率平臺的方案建模分析

假定機組存在某個特定的功率平臺，該平臺對應(yīng)的穩(wěn)定工況蒸汽流動可以使缸體換熱效果達到最優(yōu)。機組降至這個特定的功率平臺維持運行，加以不同的蒸汽溫降速率，可以得到不同的溫度分布云圖，如圖5至圖8所示。

圖5 有功率平臺蒸汽溫降速率0.2 K/min溫度云圖

圖6 有功率平臺蒸汽溫降速率0.5 K/min溫度云圖

圖7 有功率平臺蒸汽溫降速率0.7 K/min溫度云圖

圖8 有功率平臺蒸汽溫降速率1.0 K/min溫度云圖

對比有功率平臺不同蒸汽溫降速率的溫度云圖可見，不同溫降速率對應(yīng)的溫度云圖比無功率平臺分布更為均勻，沒有出現(xiàn)無功率平臺下蒸汽回流不暢的現(xiàn)象，可知在同等溫降速率的條件下，有功率平臺的換熱效果要略優(yōu)于無功率平臺的換熱效果。同時，有功率平臺的溫度分布更為均勻，這證明缸體表面的換熱情況比無功率平臺情況更好，更利于缸體冷卻。

3.2 降功率速率與冷卻效果的建模分析

不同功率平臺下蒸汽溫度不同，當機組功率較低時，其蒸汽溫度也較低，因此在冷卻過程中，應(yīng)該盡可能讓功率下降，從而使用更低參數(shù)的蒸汽對汽輪機高中壓缸進行冷卻，不同的降負荷速率對冷卻也有著不同的影響。

在有功率平臺運行和無功率平臺運行的建模模擬過程中，在蒸汽溫降速率0.2～1.2 K/min的范圍內(nèi)以不同的蒸汽溫降速率冷卻缸體溫度，獲得如圖9及圖10所示的結(jié)果。通過對圖9的分析可知，當蒸汽溫降速率較低時，靠近冷卻壁面較近處蒸汽流速小，蒸汽對壁面的吹掃作用較弱，而溫降速率提升時，近壁面處低速區(qū)范圍減小，利于缸體降溫。與圖9分布相比，圖10沿流動方向蒸汽流速分布均勻，橫截面蒸汽速度變化較小，且低速區(qū)范圍小，更利于缸體降溫。

圖9 無功率平臺蒸汽速度云圖

圖10 有功率平臺蒸汽速度云圖

無功率平臺和有功率平臺溫度-時間總圖如圖11、圖12所示。圖11和圖12內(nèi)各曲線的斜率代表蒸汽溫降速率的快慢。由圖11中蒸汽溫降速率為0.2 K/min和0.5 K/min對比可見，缸體溫度逐漸下降，且在蒸汽溫降速率為0.5 K/min時下降比0.2 K/min更快。而在蒸汽溫降速率為0.7～1.2 K/min溫度下降曲線出現(xiàn)拐點，拐點前斜率大于拐點后斜率，這說明在某一時間點后，蒸汽溫降速率的提升并不會使缸體溫度下降更多。同時，當蒸汽溫降速率從0.2 K/min升至0.7 K/min時，三條曲線在溫降試驗進行至4 200 s時從500 K分別降至473 K、463 K、453 K。從時間點4 200 s開始，溫降曲線出現(xiàn)交點。以0.7 K/min與1.0 K/min交于4 200 s左右為例，時間點4 200 s之前，蒸汽溫降速率1.0 K/min下的缸體溫降比0.7 K/min更多，4 200 s后在蒸汽溫降速率0.7 K/min下的缸體溫降比1.0 K/min多。

圖11 無功率平臺溫度-時間總圖

圖12 有功率平臺溫度-時間總圖

綜上所述，以蒸汽溫降速率表征機組降負荷速率，某核電站在進行汽輪機冷卻過程中，選擇以3 MW/min對汽輪機執(zhí)行降功率，不大于5 MW/min，是滿足要求的，且得到建模論證的。

4 汽輪機快冷裝置的應(yīng)用總結(jié)

前文已經(jīng)證明，汽輪機打閘停機后自然冷卻階段使用凈化及加熱的壓縮空氣冷卻，是最佳冷卻方案。國內(nèi)某核電站初步實踐應(yīng)用了汽輪機快速冷卻裝置[3]，并取得了良好的試驗效果。

4.1 汽輪機快冷裝置設(shè)計方案

結(jié)合某核電站汽輪機結(jié)構(gòu)特點，通入壓縮空氣，以順流的形式快速冷卻高壓缸。冷卻氣流動如圖13及圖14所示，冷卻空氣經(jīng)調(diào)門進入主蒸汽管道，由主蒸汽管道通過高壓缸中部上下進口流入高壓缸，冷卻空氣進入高壓缸后，在高壓缸內(nèi)部以順流的方式流動。

圖13 冷卻空氣進氣流動示意圖

圖14 高壓缸冷卻空氣排氣流動示意圖

通過4個主汽門調(diào)門上的快冷裝置接口注入冷卻空氣,冷卻時需同時打開4個快冷接口，快冷裝置接口位置如圖15和圖16所示。然后冷卻空氣通過高壓缸排汽口排至汽水分離再熱器殼側(cè)，經(jīng)汽水分離疏水箱流入凝汽器，最后由凝汽器汽側(cè)人孔排入大氣。

圖15 主調(diào)節(jié)閥快冷接口法蘭位置示意圖

圖16 調(diào)閥本體上的快冷接口圖紙

4.2 汽輪機快冷裝置投運方案

某核電站快冷裝置投運方案如下：

1)汽輪機打閘后，凝汽器真空被破壞，主機保持盤車運行狀態(tài)，打開高壓缸進汽主調(diào)閥門，打開1號凝汽器汽側(cè)人孔門；

2)快冷裝置運行1 h，高壓缸進氣量為40 m3/min，設(shè)定快冷裝置出口溫度為323 K，壓力為0.4～0.6 MPa，保持快冷裝置運行1 h；

3)快冷裝置運行47 h，高壓缸進氣量為80 m3/min，設(shè)定快冷裝置出口溫度為323 K，壓力為0.4～0.6 MPa，保持快冷裝置運行47 h。

4.3 汽輪機快冷裝置投運對比總結(jié)

2015年3月31日，此核電站一期工程2號機組8:22發(fā)電機電功率由1 099 MW降至1 030 MW；4月1日23:00汽輪機轉(zhuǎn)子在低速盤車狀態(tài)(2 r/min)和高壓缸轉(zhuǎn)子溫度396.8 K狀態(tài)點開始投入汽輪機快冷裝置；4月3日7:00按照快冷設(shè)計要求(當高壓轉(zhuǎn)子溫度低于363 K且無明顯回升，則可結(jié)束強迫通風冷卻)，現(xiàn)場控制汽輪機高壓缸轉(zhuǎn)子溫度,使其降至358.6 K。汽輪機經(jīng)過快冷降溫后達到盤車停運條件，汽輪機快冷實際總計用時32 h，實現(xiàn)了汽輪機快冷設(shè)計預(yù)期結(jié)果，滿足了汽輪機從機組打閘至盤車投運時間控制在48 h之內(nèi)的要求。

5 結(jié) 論

本文通過介紹國內(nèi)某1 000 MW核電站汽輪機高中壓缸快速冷卻過程建模試驗，分析了不同蒸汽溫降速率、不同汽輪機保持運行的功率平臺對缸體溫降速度的影響，探究出一套適用于該核電站汽輪機加快缸體溫降速率的冷卻方案。

該汽輪機冷卻方案以1 000 MW核電站實際冷卻過程數(shù)據(jù)為參考，通過專業(yè)軟件建立冷卻模型模擬缸體溫降。結(jié)合核電站功率控制要求，提出降負荷速率及維持運行的功率平臺等建議，并通過在運機組驗證方案，確認該方案相比于以往的冷卻方案有很大改進。該方案具備了建模分析研究的科學(xué)性，能夠為國內(nèi)1 000 MW核電機組缸體溫度冷卻提供借鑒。