王正平，王建華

(中國(guó)華電工程(集團(tuán))有限公司，北京 100035)

0 引言

在火力發(fā)電廠或核電站中，各大型設(shè)備均圍繞熱力系統(tǒng)中的水和蒸汽的相互轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)電站的發(fā)電功能。凝結(jié)水精處理系統(tǒng)用于汽輪機(jī)做功后的蒸汽被冷凝后水質(zhì)的處理，它被直接設(shè)置于主凝結(jié)水的管路之中，從而對(duì)電站凝結(jié)水精處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行提出了更高的要求。當(dāng)充分認(rèn)證了核電運(yùn)行的一切安全因素后，核電站將不會(huì)因?yàn)樘鞛?zāi)或人禍而飽受詬病，它將作為一種清潔能源被人類(lèi)廣泛地應(yīng)用。

1 常規(guī)凝結(jié)水精處理系統(tǒng)流程

電站汽輪機(jī)排出的蒸汽凝結(jié)成水后，由主凝結(jié)水泵輸送返還至熱力系統(tǒng)的低壓加熱器，凝結(jié)水精處理系統(tǒng)設(shè)置在主凝結(jié)水泵和升壓泵之間。

在火電機(jī)組中，常規(guī)的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)流程設(shè)置如圖1所示。凝結(jié)水由主凝結(jié)水泵送出后，若需要進(jìn)行處理，則關(guān)閉旁路中設(shè)置的旁路閥，水流被迫進(jìn)入凝結(jié)水精處理裝置，凈化處理后再流向低壓加熱器。當(dāng)旁路閥再次被打開(kāi)時(shí)，水流則用直流方式由旁路直接流向低壓加熱器，而不經(jīng)過(guò)凝結(jié)水精處理裝置。

圖1 常規(guī)的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)流程圖

圖2給出的是核電站二回路凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)。凝結(jié)水由主凝結(jié)水泵送出后，直接通過(guò)旁路(沒(méi)有旁路閥或其他設(shè)備設(shè)置)流向低壓加熱器;而當(dāng)需要對(duì)凝結(jié)水進(jìn)行處理時(shí)，則啟動(dòng)凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的升壓泵，水流則通過(guò)凝結(jié)水精處理裝置后再流向低壓加熱器，以達(dá)到凝結(jié)水水質(zhì)凈化之目的。

圖2 凝結(jié)水精處理系統(tǒng)無(wú)閥旁路流程圖

2 無(wú)閥旁路與常規(guī)旁路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在凝結(jié)水精處理的常規(guī)設(shè)計(jì)中，旁路上設(shè)置有可自動(dòng)控制的旁路閥，利用閥門(mén)的關(guān)斷功能切斷凝結(jié)水經(jīng)過(guò)旁路的通道，迫使其流向凝結(jié)水精處理裝置，而凝結(jié)水流經(jīng)精處理裝置消耗的過(guò)程阻力則來(lái)自主凝結(jié)水泵。

在核電站的典型設(shè)計(jì)中，二回路凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的旁路沒(méi)有任何其他設(shè)備或部件設(shè)計(jì)，在凝結(jié)水精處理裝置的終端串聯(lián)有升壓泵，當(dāng)需要對(duì)凝結(jié)水進(jìn)行處理時(shí)，只有啟動(dòng)升壓泵，方可使凝結(jié)水得以進(jìn)化處理。

從直觀上看，在凝結(jié)水精處理的常規(guī)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的控制僅需通過(guò)閥門(mén)的切換來(lái)完成，流程比較簡(jiǎn)單。而在核電站的典型設(shè)計(jì)中，則改閥門(mén)控制為動(dòng)力設(shè)備控制，雖然稍顯復(fù)雜，但就是這樣微小的差別，卻帶來(lái)了機(jī)組安全系數(shù)的大幅提升。在有閥旁路系統(tǒng)中，由于旁路閥參與了程控，需要增設(shè)檢修維護(hù)所需的隔斷和旁路設(shè)備，這些設(shè)備或連接用部件將在機(jī)組主管路中大幅增加漏點(diǎn)或故障點(diǎn)，從而給整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行留下安全隱患。同時(shí)，在旁路閥與精處理裝置運(yùn)行或切換過(guò)程中，經(jīng)常存在不確定因素造成的凝結(jié)水?dāng)嗔鳜F(xiàn)象，會(huì)對(duì)機(jī)組造成更大的危害。我國(guó)西北地區(qū)某電廠的1臺(tái)亞臨界機(jī)組在試運(yùn)行期間，曾因精處理系統(tǒng)未投運(yùn)而出現(xiàn)旁路閥自動(dòng)關(guān)閉，從而使機(jī)組斷流而被迫停機(jī)。

在無(wú)閥旁路系統(tǒng)中，凝結(jié)水精處理裝置與升壓閥組成的系統(tǒng)外掛于二回路主凝結(jié)水管路上，從而最大程度地簡(jiǎn)化了包含無(wú)閥旁路的主凝結(jié)水管路，減少了機(jī)組故障率，保證了機(jī)組的安全運(yùn)行。

在運(yùn)行方式上，常規(guī)有閥旁路的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)旁路閥開(kāi)度的控制，以達(dá)到控制精處理系統(tǒng)處理水量之目的;而核電站無(wú)閥旁路則是通過(guò)對(duì)升壓泵出力的控制來(lái)達(dá)到這一目的。

3 無(wú)閥旁路應(yīng)用機(jī)制及關(guān)鍵設(shè)備的選擇

3.1 關(guān)于水體流動(dòng)的特性

水體的流動(dòng)總是遵循勢(shì)能高點(diǎn)流向勢(shì)能低點(diǎn)的原則，在流動(dòng)過(guò)程中，水體會(huì)因過(guò)程阻力消耗一部分勢(shì)能。對(duì)于帶壓水源的設(shè)備或系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，水流則遵循由高壓端流向低壓端的原則。

3.2 從壓力的角度剖析凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的機(jī)制

由于系統(tǒng)阻力(水流通過(guò)精處理系統(tǒng)產(chǎn)生的壓降)以及升壓泵的揚(yáng)程遠(yuǎn)大于管路的阻力，所以，可把無(wú)閥旁路、旁路與精處理裝置進(jìn)口交界處到精處理裝置的入口、精處理裝置的出口到升壓泵的入口、升壓泵的出口至旁路與升壓泵出口管道交界處的阻力忽略或假設(shè)為0。在此基礎(chǔ)上，設(shè)定無(wú)閥旁路與精處理裝置進(jìn)口交界處的壓力為p1，則旁路下游與凝升泵出口交界處的壓力即為升壓泵的出口壓力，設(shè)定為p3，精處理裝置出口至升壓泵入口端的壓力為p2，凝結(jié)水通過(guò)精處理裝置產(chǎn)生的阻力(運(yùn)行壓降)為pJ，水泵揚(yáng)程為h。

當(dāng)需要進(jìn)行凝結(jié)水處理時(shí)，升壓泵啟動(dòng)，無(wú)閥旁路下游與升壓泵交界處的瞬間壓力為

此時(shí)，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，壓力低點(diǎn)是升壓泵入口，遵循水流往低壓點(diǎn)流向的原則，精處理裝置及其進(jìn)口端和無(wú)閥旁路交界處以及遠(yuǎn)端上游的水流“被迫”逐級(jí)流向該點(diǎn)“平衡壓力”，再經(jīng)升壓泵送出至p3點(diǎn)并源源不斷地被送出。此時(shí)，式(2)成立

將式(2)代入式(1)后，等式p3=p1+h－pJ成立。

(1)由此產(chǎn)生了升壓泵揚(yáng)程的選型原則。凝結(jié)水全部經(jīng)過(guò)精處理，則必須p3=p1或p3＞p1，由等式p3=p1+h－pJ得出，h=pJ或h＞pJ，也就是升壓泵的揚(yáng)程必須大于或等于精處理裝置的運(yùn)行壓降。

(2)當(dāng)升壓泵的揚(yáng)程h選定為大于或等于精處理裝置的運(yùn)行壓降時(shí)，即h≥pJ，那么，p3≥p1，即無(wú)閥旁路下游的壓力大于或等于無(wú)閥旁路上游的壓力。其意義在于，在升壓泵啟動(dòng)的情況下，無(wú)閥旁路上游的水流不會(huì)通過(guò)無(wú)閥旁路流向下游。需要注意的是，升壓泵的出力和揚(yáng)程要與系統(tǒng)流量及系統(tǒng)阻力相匹配，以便在p3＞p1時(shí)，通過(guò)旁路回流水量的調(diào)整，完成系統(tǒng)壓力的平衡，將整個(gè)凝結(jié)水管路壓力的提升控制在可忽略的范圍內(nèi)。

當(dāng)只需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行部分水量的處理時(shí)，只要按照對(duì)應(yīng)流量選擇升壓泵的出力就可達(dá)到處理所需流量的目的。其機(jī)制是:由于升壓泵的啟動(dòng)，升壓泵的入口p2處因壓力降低導(dǎo)致p1點(diǎn)的水流回填，形成了凝結(jié)水在精處理系統(tǒng)的流量(其流量等于升壓泵的出力)。與全量處理時(shí)情況相同，雖然在升壓泵啟動(dòng)瞬間p3＞p1，由于此時(shí)的精處理水量低于機(jī)組設(shè)計(jì)的額定工況下的水量(一般為半量)，升壓泵啟動(dòng)時(shí)的出口壓力p3很容易被機(jī)組平衡，p3點(diǎn)壓力會(huì)在瞬間傳向p1點(diǎn)和精處理的下游(低壓加熱器)。由于p3點(diǎn)對(duì)p1點(diǎn)的壓力優(yōu)勢(shì)，機(jī)組另一半水量就不能由p1點(diǎn)通過(guò)旁路匯集至p3流向下游，這就引起主凝結(jié)水泵出口壓力的提升。當(dāng)這種壓力傳導(dǎo)至p1點(diǎn)并使其克服了p3的壓力后，剩余的另一半水量則由旁路匯集至p3并流向下游，從而滿(mǎn)足了機(jī)組半量處理運(yùn)行方式的要求。當(dāng)然，升壓泵運(yùn)行時(shí)對(duì)機(jī)組或系統(tǒng)壓力的提升完全在系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮之內(nèi)。

3.3 從壓力的角度分析無(wú)閥旁路的運(yùn)行機(jī)制

從壓力角度分析了無(wú)閥旁路的運(yùn)行機(jī)制后，有必要從流量的角度對(duì)凝結(jié)水精處理系統(tǒng)進(jìn)行分析，以便對(duì)無(wú)閥旁路的系統(tǒng)及運(yùn)行方式有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)。

當(dāng)升壓泵未啟動(dòng)時(shí)，凝結(jié)水精處理裝置不會(huì)形成水流，因?yàn)槟Y(jié)水通過(guò)無(wú)閥旁路的直流進(jìn)入下級(jí)系統(tǒng)或設(shè)備，除非無(wú)閥旁路的阻力大于或等于精處理系統(tǒng)的阻力(如果無(wú)閥旁路變更為常規(guī)火電機(jī)組中的有閥旁路，通過(guò)旁路閥控制該旁路的阻力或干脆用閥門(mén)隔斷，這是能夠達(dá)到的)。當(dāng)升壓泵啟動(dòng)后，系統(tǒng)中凝結(jié)水的流向符合以上壓力原理分析中的情況，其流量情況符合物質(zhì)不滅定律，即主凝結(jié)水泵出口總流量qVz=流經(jīng)旁路的水量qV1+流經(jīng)凝結(jié)水精處理裝置的水量qV2(升壓泵的出力)=去低壓加熱器的水量qV′。對(duì)于全量處理的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，升壓泵的流量設(shè)計(jì)為1.05qV。所以，此時(shí)旁路的流量qV1=－0.05qV，即有5%凝結(jié)水量的回流以保證凝結(jié)水得到全部處理，其設(shè)計(jì)理念是:在采用雜質(zhì)離子含量很高的海水冷卻時(shí)，避免因凝汽器發(fā)生泄漏而導(dǎo)致冷卻用海水中的雜質(zhì)離子直接由旁路泄漏至蒸發(fā)器。對(duì)于只進(jìn)行凝結(jié)水半量處理的機(jī)組來(lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)理念是:凝汽器幾乎可做到不發(fā)生泄漏，或者所采用冷卻水中的雜質(zhì)離子含量較低(比如淡水冷卻)，而機(jī)組凝結(jié)水量又較為龐大，這樣，即使發(fā)生凝汽器泄漏，只需對(duì)泄漏有冷卻水的凝結(jié)水進(jìn)行一半量的處理，就可滿(mǎn)足機(jī)組的運(yùn)行要求，既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，又節(jié)約了運(yùn)行成本(人工、加藥、節(jié)能等)。此時(shí)，qV=2qV1=2qV2=qV′。該等式的含義是:在主凝結(jié)水泵的出水中，一半經(jīng)過(guò)無(wú)閥旁路、一半經(jīng)過(guò)凝結(jié)水精處理裝置進(jìn)行凈化處理，二者混合后送至低壓加熱器。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)時(shí)也可以考慮 qV2=1/2×qV×1.05。但此時(shí)從旁路直接流過(guò)的水量應(yīng)為qV1=1/2×qV×0.95。同理，當(dāng)通過(guò)控制水泵或相關(guān)設(shè)備使升壓泵的流量為某個(gè)數(shù)值qVm時(shí)，通過(guò)無(wú)閥旁路的水量為qV1=qV－qV2=qV－qVm，此時(shí)，已經(jīng)沒(méi)有回流的概念了。該式的含義是:當(dāng)升壓泵的水量控制為一定量(qV)時(shí)，凝結(jié)水泵出水的一部分(qVm)首先被分配給精處理裝置，剩余的水量(qV－qVm)則由旁路通過(guò)，然后混合進(jìn)入下游設(shè)備。也就是說(shuō)，在無(wú)閥旁路中，系統(tǒng)水量的分配是由精處理系統(tǒng)中的設(shè)備控制或決定的，當(dāng)再次人為控制水量qVm′時(shí)，經(jīng)過(guò)無(wú)閥旁路的水量仍然為qV1=qV－qVm′。需要指出的是，無(wú)閥旁路本身是不能控制流量變化的。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)閥旁路的設(shè)計(jì)打破了國(guó)內(nèi)火電機(jī)組凝結(jié)水精處理系統(tǒng)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，雖然它不能很快被所有人理解和接受，但它的安全設(shè)計(jì)理念不能不讓人們有所觸動(dòng)。目前，無(wú)閥旁路的設(shè)計(jì)已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組的首套國(guó)產(chǎn)化凝結(jié)水精處理系統(tǒng)中，取得了較好的效果。

［1］沈建永，王正平，胡建國(guó).離子交換設(shè)備在核電站凝結(jié)水精處理系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.華電技術(shù)，2008，30(8):73－74.

［2］范曄暉.凝結(jié)水精處理系統(tǒng)改造［J］.華電技術(shù)，2010，32(1):8－9.