根据二代半核电站百万千瓦核电汽轮机技术设计情况, 对于汽轮机汽水分离再热系统 (GSS) 系统功能、二级再热系统设计、疏水系统设计以及运行工况设计情况进行分析介绍如下。
1 系统功能简述
汽轮机汽水分离再热系统是核电汽轮机必不可少的一个重要环节。其目的是为了把末级叶片湿度控制在10%左右, 从而中压/低压缸进汽必须带有一定的过热度。在常规火电机组中, 为此一般是将高压缸的排汽送入锅炉中的再热器进行再热。而在核电机组中, 情况就不一样。由于核电机组蒸汽发生器产生的蒸汽, 一般为5MPa～7 M P a压力的饱和蒸汽 (湿度在0.2 5%以下) , 当蒸汽在核电汽轮机高压缸内膨胀到1.0 M P a～1.5 M P a时, 其湿度已增加到10%～13%。如果蒸汽直接送到中压/低压缸继续膨胀做功, 当其达到凝汽器压力时, 排汽湿度将会增加到20%～25%, 远超出12%～15%的允许值, 其结果, 除了导致汽轮机内效率大大下降外, 还会造成汽轮机内部构件的严重水蚀, 以至机组无法正常工作。因此, 将高压缸的排汽进行汽水分离, 去除其中的水份后, 再用抽汽或新蒸汽进行再热, 使蒸汽进入低压缸前有一定的过热度, 这样, 最终的排汽湿度就可控制在10%左右 (与一般火电相当) 。因此, 在高、中压/低压缸之间设置了2台并列的汽水分离再热器, 其功能如下。
(1) 除去高压缸排汽中的水分。
(2) 提高进入低压缸蒸汽的温度, 使其具有一定的过热度。
这样, 就大大改善了汽轮机低压缸的工作条件, 提高了汽轮机的相对内效率, 防止和减少湿蒸汽对汽轮机零部件的腐蚀作用。
2 主要设备
汽水分离再热器 (MSR) 有汽水分离器和再热器两部分组成, 其结构特点如下。
(1) 汽水分离器:为人字行波纹板式分离器, 是美、法、德、日等国广泛采用的型式。湿蒸汽流沿两块波纹形成的通道行进, 不断改变流向。由于惯性作用, 水滴冲撞在板上而被收集起来, 这种分离器有较高的分离效率。
(2) 再热器:翅片管再热器, 分为一级再热器和二级再热器。翅片管加强了传热效果, 提高了热效率, 大大提高了蒸汽的热值。一级再热器的热源来自于乏汽, 即高压缸抽汽, 二级再热器热源来自于新蒸汽。
3 系统设计简析
汽水分离再热器系统由蒸汽供汽系统、抽气系统、疏水 (排水) 系统等子系统组成。
3.1 蒸汽供汽系统
(1) 作用。
系统把来自高压缸的乏汽、新蒸汽供应给2个再热器, 以便使高压缸排放的蒸汽在进入中压缸前被加热, 使之成为有过热度的过热蒸汽。确保在低压缸排汽湿度不超过允许的值。
(2) 乏汽供汽站 (第一级再热) 。
从高压缸第一个抽汽点抽汽供给第一级 (乏汽) 再热器, 加热蒸汽取至第一个抽汽点管道上抽汽止回阀下游和隔离阀上游。
(3) 新蒸汽供汽站 (第二级再热) 。
进入第二级 (新蒸汽) 再热器的新蒸汽来自主蒸汽母管。新蒸汽流量由一个主运行调节阀和一个启动调节阀控制。启动调节阀在启动和低负荷运行期间对进入第二级再热器的新蒸汽流量进行控制。在核岛运行期间向新蒸汽供汽站提供蒸汽并用蒸汽对管道系统进行预热, 以防止冷态启动是的热冲击。
主运行调节阀用于高负荷运行时向第二级再热器提供新蒸汽。
3.2 抽气系统
(1) 作用。
抽气系统排出再热器中的非凝结气体。它对于防止再热器换热管的间歇性淹没是必需的, 而间歇性淹没可导致疲劳故障。
在冷态启动时对第一级和第二级再热器换热管进行预热。
在汽轮机启动期间抽空再热器管道中的非凝结气体。
(2) 再热器抽气系统简介。
为了在启动汽轮机前达到120℃的温度, 采用连续抽气, 其通过再热器换热管的蒸汽流量为正常蒸汽流量的3%。
新蒸汽疏水收集箱的抽气管道与隔离阀下游的第一级 (乏汽) 再热器管巢相连。
乏汽疏水收集箱抽气管与高压管道相连。运行期间该基本抽气处于打开状态。一个低负荷备用抽气管与凝汽器相连, 超过5%负荷时, 该备用装置处于关闭状态。如果在正常管道中检测到流量低, 它在运行中打开。
为了得到最大的热回收, 通常将抽气引向一个合适的给水加热器。
4 疏水 (排水) 系统
4.1 作用
疏水系统是为了将凝结水从MSR排出以保证装置的有效和安全运行, 每台MSR均有一个独立的疏水系统。
4.2 系统组成
(1) 分离器疏水系统。
(2) 乏汽再热器疏水系统。
(3) 新蒸汽再热器疏水系统。
注:在启动和低负荷运行期间, MSR所有疏水都应排向凝汽器, 使它们能得到过滤, 以防止给水系统的污染。
(1) 分离器疏水系统。
从每台MSR分离出来的水靠重力排入分离器混合疏水收集箱, 再由泵泵入除氧器会4号第一加热器后给水管线上。
提供给每个混合疏水收集箱一个疏水回收泵。在该泵不能使用或疏水不能排入除氧器时, 疏水通过安装在疏水箱上的高液位控制器打开事故疏水阀, 使疏水排入凝汽器。
(2) 乏汽再热器和新蒸汽再热器疏水系统。
新蒸汽和乏汽再热器管巢集管中的凝结水通过重力被排入各自的再热器疏水收集箱。
乏汽再热器疏水收集箱正常时疏水排入6号高加, 事故时排入凝汽器。
新蒸汽再热器疏水收集箱正常时疏水排入7号高加, 事故时排入凝汽器。
5 运行工况设计
5.1 启动
启动前MSR管束的暖管和通风。
为了防止湿蒸汽进入汽机的中/低压通流, 二级再热器在汽机冷态启动前需要进行暖管。
经过暖管使再热级达到平衡压力。一级再热压力和二级再热约100kPa。当再热器管板温度达到140℃, 暖管自动停止。汽机可以启动。不过当再热器管板平均温度达到120℃后, 就可进行手动启动。
MSR二级再热的通风回路将二级凝结水箱与一级再热供汽管连通。这种结构可完成一级再热的抽气。一级再热的通风将一级凝结水箱中的蒸汽抽至高排。MSR的抽气系统在机组启动期间抽空再热器及管道中的非冷凝气体。
汽机升速和升负荷。
中压蒸汽必须是过热蒸汽。这要求一个 (或两个) 再热级必须投运。如果两个再热级都被切除将导致湿蒸汽进入中压, 这是机组不允许的。
管板 (MSR二级再热) 的预热由二级供汽流量完成, 通过二级供汽备用压力调节阀调节。
启动状态取决于二级再热管板的热状态。
(1) 如果管板温度高于14 0℃, 热态启动。
(2) 如果温度低于120℃, 冷态启动。冷态启动前需要进行暖管。
二级供汽压力调节阀逐渐打开, 根据机组负荷函数以及遵循时间常数来控制二级再热管板的温度上升。二级供汽压力调节阀在60%负荷全开。
一级供汽由7段抽汽提供。隔离阀在汽机升速期间打开。
5.2 正常停机
MSR供汽阀在开启状态, 直到达到60%汽机额定负荷。
MSR一级再热供汽的抽汽隔离阀开启, 直到汽机停机。
MSR二级再热的供汽压力调节阀逐渐关闭, 直到达到二级再热管束要求的最小压力值。这是为了避免在低流量工况下蒸汽过热, 以便限制每个MSR进出口间的温差。
总的来说, GSS系统的合理设计对于汽轮机正常、安全运行意义重大, GSS系统如果不能正常疏水, 将影响汽水分离器本体的安全, 同时, 如果高湿度的蒸汽进入汽轮机低压缸做功, 将严重威胁低压缸运行安全, 进而影响整个核电站的运行安全。另外, GSS系统是否正常疏水直接影响汽轮机发电机组的功率输出, 影响核电站的经济效益, 因此合理的GSS系统设计对于核电站的安全运行和经济效益息息相关。
摘要：结合百万核电汽轮发电机组工程技术设计, 对百万核电汽轮机汽水分离再热器系统 (GSS) 作用、二级再热系统设计、疏水系统设计以及运行工况设计情况进行分析介绍。
关键词：汽水分离再热器MSR,分离再热器系统GSS,行波纹板式分离器,乏汽,新蒸汽
参考文献
[1] 广东核电培训中心.900MW压水堆核电站系统与设备[M].原子能出版社, 2009.