AP1000核电厂二回路热循环冲洗方案.docx

核电厂二回路热循环冲洗方案顾先青，黄柳杰( 国核工程有限公司，上海市 200233)AP1000摘 要: 探讨了 AP1000 核电厂以凝结水泵作为动力源，单列加热器逐列投入的二回路热循环冲洗方案。通过热平衡计算分析，确定冲洗前辅助蒸汽的使用量; 建立系统散热量计算数学模型，假设冲洗水温维持在 60 时，计算出小循 环、大循环热冲洗阶段的总散热量，并与单台凝结水泵热功率进行了比较。计算结果表明，热冲洗过程中，不需要投入 辅助蒸汽进行加热即可使冲洗水温稍高于 60 达到热平衡，此时系统总散热量和单台凝结水泵热功率相抵消。通过 系统散热量的计算确定除氧器水箱温度变化趋势，给出避免凝汽器超温的措施。关键词: AP1000 核电厂; 二回路; 热循环; 冲洗Flushing Scheme for Secondary Circuit Thermal Cyclingin AP1000 Nuclear Power PlantGU Xianqing ，HUANG Liujie( State Nuclear Power Engineering Company，Shanghai 200233，China)ABSTACT: The flushing scheme for secondary circuit thermal cycling was discussed in AP1000 nuclear power plant，in which condensate pump was used as a power source and single column heater was input one by one At first，by means of the calculation of heat balance analysis，the usage amount of auxiliary steam before flushing was determined Then，the mathematical model was built for heat dissipating capacity calculation with assumption that the temperature of flushing water was60 ，the total heat dissipating capacity of small cycle and large cycle was calculated，as well as calculation results with the thermal power of single condensate pump were compared The calculation results show that during the flushing process，the flushing water temperature can be slightly higher than 60 and reach the thermal equilibrium without auxiliary steam，and the thermal power of a single condensate pump can offset total heat dissipation Finally，the change trend of water temperature in deaerator tank was presented through the calculation of heat release，and some measures for avoiding condenser over temperature were proposedKEYWODS: AP1000 nuclear power plant; secondary circuit; thermal cycling; flushing中图分类号: TM 623文献标志码: A文章编号: 1000 7229( 2013) 08 0091 04DOI: 10. 3969 / j issn. 1000 7229. 2013. 08. 017于热冲洗水温度的要求，目前国内外标准、规范都未明确规定。目前，国内在建的几台 AP1000 核电机组采用 的都是日本三菱公司设计、哈尔滨汽轮机厂组装的半 速汽轮机，三菱公司按其国内核电建设的经验，明确要 求热冲洗水温度至少要达到 60 以上。AP1000 核电厂汽轮机功率为 1 250 MW，采用单 流程海水冷却方式，配置 1 个高压缸、3 个低压缸、3 台 凝汽器、6 个水室，二回路回热循环系统采用典型的4 台低压加热器、2 台高压加热器、1 台除氧器设计，其 中一、二级低压加热器 3 列，三、四级低压加热器 2 列， 六、七级高压加热器 2 列6-7。凝汽器设计温度仅为80 ，热冲洗水温度为 60 80 ，冲洗时间一般要持 续数天，在此条件下，如果对辅助蒸汽等热源控制不当引言0核电厂二回路系统冲洗是机组启动前净化热力系统水质的关键步骤，通过有效控制水质指标确保机组 安全、顺利地启动试运，最大程度地减小水质对设备的 腐蚀。冲洗分为冷、热冲洗 2 个阶段1-2。第 1 阶段冷 态冲洗可除去焊渣灰尘等大颗粒杂质，但难以去除诸 如油污等受温度影响较大的杂质。因此，有效执行热 循环冲洗是提高冲洗效果的关键3-4。国内很多核电 机组( 包括部分火电机组) ，都采用热循环冲洗5，而 且无一例外地采用辅助蒸汽( auxiliary steam system， ASS) 进入除氧器进行加热，但在辅助蒸汽的使用上一 般仅凭经验不能量化，冲洗水温度难以控制。另外，对Electric Power Construction Vol. 34，No. 8，Aug ，201391电 力 建 设2013 年 8 月发电技术或受泵运行热功率的影响，可能导致超过 80 的水进入凝汽器，降低凝汽器钛管的使用寿命。因此，针对 AP1000 核电机组的系统特点，制定合理的热循环冲洗 方案是必要的。本文建立通用数学模型进行热平衡计 算，确定热冲洗期间所需的蒸汽量及除氧器水温变化 趋势，科学指导热循环冲洗，通过监控除氧器水温，达 到既保证冲洗效果，又防止凝汽器超温的目的。规火电厂不同的是，AP1000 核电厂主给水泵采用定速泵，且主给水泵与主给水前置泵同轴联接，共用1 个电机8; 冲洗期间管道上的孔板等附件要被移 除，直接启动主给水泵组冲洗容易超流量，也造成能 量浪费。因此 AP1000 核电厂不能采用凝结水泵和 主给水前置泵进行冲洗的方案。另外，AP1000 核电 厂也不能采用启动给水泵进行冲洗，因为 2 台启动给 水泵设计流量仅占 100% 额定机组负荷下的主给水 流量的 10% ，达不到冲洗要求的流量。综上所述，为了实现 AP1000 核电厂热循环冲洗 并减少投资，特制定将凝结水泵作为动力源的冲洗方 案，如图 1 所示。冲洗方案1常规火电厂二回路冲洗时一般启动凝结水泵和主给水前置泵，冲洗中不需要启动大功率主给水泵， 这样既保证了冲洗流量，又避免了能量的浪费。与常图 1 AP1000 核电厂二回路热循环冲洗方案Fig. 1 Flushing scheme for secondary circuit thermal cycling in AP1000 nuclear power plant冲洗分为小循环和大循环 2 个阶段( 图 1 中标记1 为小循环管道，标记 2 为大循环管道，标记 1 /2 为 2个冲洗阶段共用管道) 。小循环冲洗流程: 凝汽器单台凝结水泵轴封 加热器旁路精除盐 / 旁路单列 1、2 号低压加热器 单列 3、4 号低压加热器除氧器临时管道 a0 a1，2，3 凝汽器。大循环冲洗流程: 凝汽器单台凝结水泵临时管 b1，2，3 b0 单列 6、7 号高压加热器临时管 c0 c1 至临时管 d0 d1 除氧器临时管道 a0 a1，2，3 凝汽器。a0 a1，2，3 、b1，2，3 b0 、c0 c1 、d0 d1 4 段临时管如 图 1 虚线所示，分别从主给水泵入口到凝汽器、轴封 加热器出口到主给水泵出口止回阀、蒸发器 A 侧主 给水管入口法兰到蒸发器 B 侧主给水管入口法兰、蒸发器 A 侧主给水流量孔板到除氧器，形成大循环和小循环 2 个闭合回路。单台凝结水泵可以保证冲 洗流量，加热器单列投入冲洗，通过临时回转堵板1、2 和相关阀门进行冲洗回路的切换。热冲洗散热量计算2AP1000 核电厂凝汽器水室、除氧器水箱、管道水装量分别为 350，650，200 m3 ，要保证初始冲洗水温为60 ，采用压力为 1. 34 MPa 和焓值为 2 787 kJ / kg 的 饱和蒸汽进行加热，通过热平衡计算可知，需要辅助 蒸汽 95 t，即要把除氧器水温从 环境温度提高到 101 。热冲洗在 11 月底进行，取当地环境风速为3 m / s，环境温度为 18 ，忽略“跑冒滴漏”，同时假 设冲洗水温维持在 60 ，建立二回路系统管道和相 关设备散热量数学计算模型。Electric Power Construction Vol. 34，No. 8，Aug ，201392顾先青，等: AP1000 核电厂二回路热循环冲洗方案第 34 卷第 8 期发电技术2. 1 管道散热量计算通过表 1 数据计算得小循环热冲洗管道总散热1量 Q g = 877. 5 kW ; 计算得大循环热冲洗管道总散热9管道散热量 Q g 计算式 为2 = 847. 90 kW 。量 Q g ( tf t ) ( 1)Q g = L / + 1 / ( D )2. 2 凝汽器散热量计算凝汽器 有 6 个 长 方 形 水 室，长 为 18 m ，宽 为3. 65 m ，热阱正常水位高度为 0. 732 m ，水面到低压 缸下表面有近 20 m 的封闭空间，存在较大热阻，近似w式中: L 为管道长度，m; tf 为冲洗水温度，取 60 ; t 为环境温度，取 18 ; 为壁厚，m; 为管壁导热系数， 取 29 W / ( m K) ; Dw 为管道外径，m; 为管道外表面换热系数，W / ( m2 K) 。 的经验计算公式为绝热系统 凝汽器主要通过底面及侧面向环境散热，。假设壁面温度与水温度相等，凝汽器散热量 Q 的近n = 1. 163( 6 + 3 槡w)( 2)似计算式9为式中 w 为环境风速，取 3 m / s。由式( 2 ) 计算得出 为 17. 6 W / ( m2 K) 。将管长、壁厚、通径等数据代 入式( 1) ，计算结果如表 1 所示。表 1 小循环和大循环热冲洗管道散热量 Tab 1 Heat dissipation capacity of thermal flushing pipe in small and large cycleQ = A ( t t ) h( 3)为 环 境 温 度，取nnw式中: t 为 壁 面 温 度，取 60 ; tw18 ; A为水室下表面和侧面面积，取 650 m2 ; h 为n空气通过凝汽器壁面对流换热系数，保守取经验值11. 0 W / ( m2 329. 73 kW 。K ) 。 通 过 式 ( 3 ) 计 算 得Q=n2. 3 除氧器散热量计算除氧器在进辅助蒸汽前已敷设保温层，除氧器散9热量 Q C 的计算式 为( tf t )( 4)Q C = L / + ln( D/ D ) /2 + 1 / ( D)1w02w式中: L 为除氧器水箱长度，取 42 m ; tf 为冲洗水温度，取 60 ; t 为环境温度，取 18 ; 为管道外表面换热系数，取 17. 6 W / ( m2 K ) ; 为除氧器壁厚， 取 0. 035 m ; 1 为 除 氧 器水箱外壁导热系 数，取29 W / ( m K ) ; 2 为 保 温 材 料 导 热 系 数，取0. 09 W / ( m K ) ; D w 为管道外径，取 4. 9 m ; D0 为管道 内 径，取 4. 7 m 。 根 据 式 ( 4 ) 计 算 得25. 2 kW 。2. 4 加热器散热量计算冲洗过程中，加热器没有敷设保温层，加热器散 热量计算式9为Q C =Q j = L ( L ) ( tw t ) D( 5)式中: L ( L ) 为管道长度，m ; tw 为壁面温度， ，现场测量; t 为环境温度，取 18 ; D 为加热器外径，m ; 为管道外表面换热系数，取 17. 6 W / ( m2 K ) 。对于 1、2 号低压加热器，大部分本体处于凝汽器 内部封闭的空间内，该部分筒体可近似被认为不向环 境放热，计算 1、2 号低压加热器散热量时取凝汽器外 部等效长度 L 。加热器为管侧、壳侧双层结构10，管侧充满温度 为 60 的冲洗水，管侧到壳侧存在不流通气体，使加 热器内部与壁面存在一定的温差t，本模型计算时 取t = 5 ，即 tw 为 55 。在实际冲洗过程中，可 以使用测温仪现场测量后再进行修正计算。注: 大循环中凝汽器至凝泵入口管、凝泵入口母管、凝泵 A 入口管、凝泵 A 出口支管、凝泵 A 至轴封加热器管、除氧器至凝汽器临时 管的参数同小循环。Electric Power Construction Vol. 34，No. 8，Aug ，201393电 力 建 设2013 年 8 月发电技术将加热器长度、外径等数据代入式( 5 ) ，计算各个加热器的散热量如表 2 所示。为了防止凝汽器超温，在冲洗过程中，除要加强对管道、凝汽器和除氧器上温度测点的巡检及跟踪调 整凝汽器和除氧器液位外，还要有其他应急措施:( 1) 理论上，根据上述热平衡计算结果，如果系 统存在“跑冒滴漏”损失导致系统温度降低，仅需投 入少量辅助蒸汽缓慢提高除氧器水温，或者再启动1 台备用凝结水泵短期运行，当除氧器水温稍大于60 后即可停泵。( 2) 冲洗过程中，如果除氧器水温升高到 75 以上，立即开启凝汽器紧急补水阀，注入来自凝结水 储存箱( condensate storage tank，CST) 的冷水，同时开 启若干凝汽器放水阀( 共 6 个) 放出部分高温水至汽 轮机厂房废水系统( waste water system，WWS) 以降低 凝汽器温度。表 2 热冲洗加热器散热量Tab 2 Heat dissipation of heater for thermal flushing1小循环冲洗加热器总散热量 Q j 为 4 个单列低压加热器的散热量，由表 2 得 Q j = 164. 55 kW ; 大循1结论42环冲洗加热器总散热量 Q j 为 2 个高压加热器的散( 1) 以凝结水泵作为动力源，单列加热器逐列投入的二回路热冲洗方案是可行的。( 2) 热冲洗过程中，不需要投入辅助蒸汽进行加 热即可使冲洗水温稍高于 60 达到热平衡，此时系 统总散热量和单台凝结水泵热功率相抵消。2热量，由表 2 得 Q j= 155. 43 kW 。3热平衡计算分析及冲洗方案优化由上述计算结果得: 第 1 阶段小循环冲洗总散热11量 Q1 = 1 396. 98 kW; 第 2 阶段Q g + Q c + Q n + Q j22大循环冲洗总散热量 Q2= Q g + Q c + Q n + Q j =参考文献51 358. 26 kW。凝结水泵额定流量为 2 000 t / h，扬程为 240 m ，在冲洗温度维持恒温 60 的前提下，凝 结水泵功转化为工质水总动能，最终转化为系统热 能 E1 437 kW 。计算结果表明，大、小循环 2 个冲 洗阶段二回路总散热量都稍小于单台凝结水泵热 功率。如果能有效减小“跑冒滴漏”损失，可使热循 环冲洗温度在稍高于 60 时达到热平衡状态，此 时系统散热量与凝结水泵热功率相抵消，系统温度 维持不变。热冲洗过程中，除氧器水温变化趋势如 图 2 所示。1 DL / T 50311994 电力建设施工及验收技术规范: 管道篇S 北京: 中国电力出版社，19942 DL / T 7942001 火力发电厂锅炉化学清洗导则S3 腾维忠 新建超( 超) 临界机