蔣磊 魏彤路 志林 尹龍江 孫安

摘 要

根據(jù)CPR1000核電機(jī)組大修期間高中壓缸冷卻方式和溫度曲線，對(duì)降功率期間各階段高壓缸降溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并分析了中壓缸溫度對(duì)高壓缸的影響，提出了通過(guò)降低降功率速率以增加低功率平臺(tái)停留時(shí)間，期間同時(shí)隔離GSS二級(jí)加熱器，從而加快高中壓缸冷卻速度。

關(guān)鍵詞

核電;低功率平臺(tái);汽輪機(jī);高中壓缸冷卻

中圖分類(lèi)號(hào)： TM621 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 08

Abstract

According to the cooling mode and temperature cure of high-mid pressure cylinder during overhaul of CPR1000 nuclear power unit， the data of cooling temperature of high pressure cylinder during the period of power reduction is statistically analyzed， and the influence of medium pressure cylinder is analyzed. It is proposed to increase the residence time of the low power platform by reducing the power reduction rate， and isolate the GSS secondary heater at the same time， so as to accelerate the cooling rate of high-mid pressure cylinder.

Key words

Nuclear power unit; Low power platform; Steam turbine; High-mid cylinder cooling

0 概述

紅沿河核電廠一期工程采用中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CPR1000核電技術(shù)，建設(shè)4臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)機(jī)組。紅沿河汽輪機(jī)采用飽和蒸汽、單軸、四缸、六排汽、中間再熱、沖動(dòng)凝氣式半轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)，有一個(gè)高中壓合缸（HIP）和三個(gè)雙流道、雙排汽低壓缸（LP）組成。HIP缸為低合金鋼鑄造汽缸，整個(gè)汽缸由高壓、中壓兩段且水平中分的4部分組成，高壓段和中壓段的垂直結(jié)合面用螺栓聯(lián)接并在外層用密封焊，汽缸水平結(jié)合面法蘭采用螺栓聯(lián)接。高壓缸通過(guò)四根導(dǎo)汽管與高壓汽室連接，上下各兩根，高壓缸端部上下各兩根排汽管將蒸汽送入汽水分離再熱器中，再熱蒸汽經(jīng)過(guò)加熱除濕分別從上下各兩根導(dǎo)汽管進(jìn)入中壓缸汽室。高壓缸共9級(jí)，第4、6級(jí)設(shè)置有抽汽，中壓缸工4級(jí)，第2級(jí)設(shè)置有抽汽。

1 現(xiàn)行冷卻方式分析

目前紅沿河核電廠采用正常停機(jī)解列后，汽輪機(jī)保持1500rpm的轉(zhuǎn)速進(jìn)行空載3.5H或缸溫到達(dá)165℃后打閘，在汽輪機(jī)空載冷卻期間，監(jiān)控高壓缸和中壓缸的進(jìn)汽參數(shù)，隔離GSS二級(jí)再熱器，以調(diào)節(jié)和降低高壓缸和中壓缸進(jìn)汽參數(shù)，打閘后自然冷卻至120℃。

紅沿河核電近三輪大修，分別為常規(guī)島開(kāi)高中壓缸抽發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、開(kāi)低缸抽發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、不開(kāi)缸大修，常規(guī)島已成為整個(gè)大修的關(guān)鍵路徑，這三輪大修常規(guī)島的主關(guān)鍵路徑為主機(jī)發(fā)電機(jī)和油系統(tǒng)檢修，均受到高中壓缸冷卻至120℃時(shí)間限制，從解列至120℃分別所需時(shí)間為68.4H、60.4H、54.4H，全部占用常規(guī)島關(guān)鍵路徑時(shí)間。通過(guò)實(shí)時(shí)信息監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)取相關(guān)參數(shù)繪制某大修正常停機(jī)高中壓缸冷卻曲線，如下圖1。解列后增加空載時(shí)間，此時(shí)進(jìn)入缸內(nèi)的蒸汽參數(shù)降低，蒸汽流通加快缸溫冷卻速度1，在打閘之后，無(wú)蒸汽流通，缸溫降速明顯降低。大修按解列開(kāi)始計(jì)算大修工期，因此空載冷卻時(shí)間同時(shí)占用常規(guī)島、核島關(guān)鍵路徑工期。

2 冷卻原理簡(jiǎn)析

由圖1可以看出，隨著機(jī)組降功率，GRE調(diào)閥逐漸關(guān)小，VVP蒸汽經(jīng)過(guò)GRE調(diào)閥的節(jié)流作用，進(jìn)入高壓缸的蒸汽溫度壓力隨負(fù)荷逐漸下降，高中壓缸的缸體溫度在降溫蒸汽的對(duì)流傳熱作用下，快速冷卻。而在打閘之后，沒(méi)有蒸汽進(jìn)入缸內(nèi)，缸的冷卻僅只能空氣自然對(duì)流冷卻。

根據(jù)傳熱公式：Q=αAΔT（Q：傳熱速率，α：傳熱系數(shù)，A：傳熱面積，ΔT：溫差）

在打閘前，為水蒸氣對(duì)流冷卻，打閘后，空氣自然對(duì)流冷卻。對(duì)流傳熱時(shí)傳熱系數(shù)為水蒸氣α為5000-15000，ΔT約為20;熱傳導(dǎo)時(shí)傳熱系數(shù)為空氣自熱對(duì)流α為5-25，ΔT約為150;因此，打閘前空載和降功率期間降溫較快。

3 冷卻數(shù)據(jù)分析

3.1 溫度探頭數(shù)據(jù)偏差分析

紅沿河電廠大修時(shí)高壓缸冷卻缸溫參考溫度為GME021/022/023/024MT四個(gè)探頭所顯示溫度最高值，其中GME021/022MT為高壓缸入口截面的左右兩個(gè)探頭，其數(shù)值送至P320系統(tǒng)參與缸溫判斷，通訊有±2℃死區(qū)，不是連續(xù)變化，溫度顯示有延遲。GME023/024MT為高壓缸下、上兩個(gè)探頭，數(shù)值顯示值為連續(xù)值，上部GME024MT探頭溫度高于下部GME022MT溫度，如下圖2。主要由于高壓缸下部存在抽汽管道，熱容小，散熱面積大，同時(shí)飽和蒸汽冷凝水下流至下部，致使下缸溫度低于上缸2。

3.2 單次大修缸溫冷卻數(shù)據(jù)分析

經(jīng)分析多輪次大修探頭溫度曲線，各溫度探頭曲線與圖2基本保持一致，在高壓缸冷卻階段的兩個(gè)重要節(jié)點(diǎn)150℃和120℃的參考溫度主要來(lái)源于GME024MT。因此，采集某次大修GME024MT數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制溫度曲線和降溫速率曲線，如下圖3。

圖3水平軸為時(shí)間軸，可以看出，降溫速率在降功率過(guò)程中逐漸加快，期間有一定幅度的波動(dòng)，但均保持較高水平的降溫速率。從降功率開(kāi)始至50%功率平臺(tái)降溫速率逐漸提升至23.7℃/H，在50%功率平臺(tái)停留期間降溫速率快速將至12℃/H，在繼續(xù)降功率后，降溫速率逐漸提升至28.4℃/H，在27%功率平臺(tái)停留期間降溫速率迅速降低至4℃/H，在27%功率平臺(tái)至解列期間，降溫速率提升至39℃/H，此時(shí)功率約為16%，此后降溫速率開(kāi)始下滑至解列時(shí)的13℃/H，空載冷卻期間逐漸下滑至打閘時(shí)的2℃/H，此后缸溫進(jìn)行自然冷卻，降溫速率在1至0.5℃/H區(qū)間。在降功率期間的降溫速率及效果明顯好于空載冷卻。

3.3 降功率各階段缸溫冷卻數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)降功率曲線，將開(kāi)始降功率至打閘分為降功率至50%Pn、50%Pn平臺(tái)、50%pn至27%Pn、27%Pn平臺(tái)、27%Pn至解列、空載冷卻等6個(gè)階段，對(duì)該6個(gè)階段降溫效果、停留時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算各平臺(tái)平均降溫速率。根據(jù)前文分析，GME021/022MT顯示有死區(qū)和延遲，因此溫度探頭數(shù)據(jù)采集GME023/024MT，取其平均值。如上表1。

根據(jù)上表可以統(tǒng)計(jì)分析，在50%pn至27%Pn、27%Pn至解列兩個(gè)階段降溫速率最高，降溫效果最好，空載冷卻的降溫速率低于降功率期間的降溫速率，因此，通過(guò)降低降功率速率，增加在50%pn至27%Pn、27%Pn至解列兩個(gè)階段的停留時(shí)間，已達(dá)到快速降低缸溫的目的。

CPR1000型核電機(jī)組，采用飽和蒸汽做功發(fā)電，因此在進(jìn)入高中壓缸內(nèi)的蒸汽按飽和蒸汽計(jì)算，對(duì)輪次大修進(jìn)缸蒸汽壓力、缸體溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得各階段結(jié)束時(shí)的統(tǒng)計(jì)平均值，根據(jù)蒸汽壓力可以查得各階段蒸汽溫度，與缸的平均溫度對(duì)比，溫差作為缸體降溫的動(dòng)力，其值的變化與降溫速率基本一致。由于空載期間GRE調(diào)閥開(kāi)度很小，雖溫差大，進(jìn)入缸內(nèi)的蒸汽大幅減少，造成冷卻速率不及降功率期間的速率。

3.4 GSS對(duì)缸溫冷卻影響分析

在降功率期間，高壓缸排氣經(jīng)過(guò)GSS汽水分離再熱器兩級(jí)加熱后進(jìn)入中壓缸，其一次加熱器的熱源來(lái)自高壓缸第四級(jí)抽汽，二級(jí)加熱器的熱源來(lái)自VVP管道的新蒸汽，由于高中壓缸采用合缸，因此，中壓缸的溫度對(duì)高壓缸溫度也有一定影響，調(diào)取中壓缸溫度探頭GME033/034MT（上、下）參數(shù)繪制降功率曲線，如下圖4。

由下圖4可以看出，在降功率期間，高壓缸降溫的主要?jiǎng)恿檫M(jìn)入高壓缸的低參數(shù)蒸汽。

根據(jù)CPR1000型核電機(jī)組的運(yùn)行要求：GSS汽水分離再熱器不允許單獨(dú)隔離一列再熱器;同一再熱器所屬的新蒸汽再熱器或抽汽再熱器應(yīng)同時(shí)隔離;新蒸汽再熱器被隔離時(shí)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間不超過(guò)一年;在機(jī)組穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行再熱器隔離操作。

因此，為減小中壓缸溫度對(duì)高壓缸降溫起負(fù)效應(yīng)，可在機(jī)組穩(wěn)定在50%Pn平臺(tái)或27%Pn平臺(tái)隔離GSS二級(jí)加熱器（新蒸汽加熱器）。

4 冷卻方案探索

以目前某次大修為例，降功率圖如5，降功率至解列期間降功率速率不超過(guò)3MW/min，在50%Pn平臺(tái)停留約15min，27%Pn停留約45min，在50%及以下平臺(tái)停留計(jì)劃時(shí)間4H，根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)，實(shí)際在50%Pn平臺(tái)及以下平均停留時(shí)間3.24H。

根據(jù)前文分析，降溫速率在降功率過(guò)程中逐漸加快，期間有一定幅度的波動(dòng)，在50%Pn平臺(tái)、27%Pn平臺(tái)停留期間高壓缸降溫速率逐漸降低，在16%Pn左右降溫速率達(dá)到最大，此后開(kāi)始下滑。根據(jù)各階段降溫?cái)?shù)據(jù)分析在50%Pn至27%Pn、27%Pn至解列兩個(gè)階段降溫速率最高，降溫效果最好。而中壓缸溫度對(duì)高壓缸降溫起負(fù)效應(yīng)，因此可以選擇隔離二級(jí)加熱器。

因此，總結(jié)以上分析結(jié)果，可制定如下冷卻方案：

（1）開(kāi)始降功率至50%Pn期間，按計(jì)劃速率不超過(guò)3MW/min進(jìn)行降功率。

（2）在50%平臺(tái)停留30min，在停留期間，隔離GSS二級(jí)加熱器。

（3）50%Pn以下降功率速率降低至1.5-2MW/min，最高不超過(guò)2MW/min。

（4）在27%Pn平臺(tái)計(jì)劃停留45min，如該平臺(tái)工作結(jié)束立即繼續(xù)降功率。

（5）在27%Pn功率至解列期間速率可適時(shí)降至1.5MW/min。

（6）以此可增加在50%Pn以下降功率時(shí)間約2H，累計(jì)計(jì)劃停留時(shí)間6H。

根據(jù)前文分析，低功率降溫速率明顯高于空載冷卻期間的速率，以空載冷卻平均降溫速率8.09℃/H計(jì)算，低功率平臺(tái)增加2H后，高壓缸溫度至少增加16℃，可減少打閘后高壓缸冷卻時(shí)間16H，同時(shí)可增加2H的低功率期間的發(fā)電量。

參考文獻(xiàn)

[1]彭展業(yè)，等.核電站汽輪機(jī)高中壓缸的缸溫加速冷卻方法[J].

[2]李志翔.淺析汽輪機(jī)高中壓缸溫差大原因[J].2007.