焦玉龍, 鄭 晨, 徐 圖, 楊 森, 彭 程

(1.中國核電工程有限公司 鄭州分公司, 河南 鄭州 450052; 2.上海電力大學(xué) 能源與機械工程學(xué)院, 上海 200090)

核電項目出于安全考慮,其廠坪標(biāo)高多在8.00 m以上(需考慮10%超越概率天文潮高潮位,最大可能風(fēng)暴潮增水,平均海平面上升及安全裕度)。核電站循環(huán)冷卻水量較大,百萬千瓦機組北方地區(qū)可達47.5 m3/s以上,南方地區(qū)可達60.0 m3/s以上[1]。因此,需要高揚程、大流量的循環(huán)水泵來為核電站服務(wù)。每臺機組的水泵總功率在10 MW以上,由此產(chǎn)生的運行成本巨大。降低循環(huán)水泵功率顯得尤為重要。

在核電站循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化的研究中,循環(huán)水泵的運行方式對凝汽器真空和廠用電率等指標(biāo)影響較大。研究在一定環(huán)境溫度及汽輪機負(fù)荷條件下循環(huán)水泵的最優(yōu)運行方式及要求,是提高電廠運行經(jīng)濟性的關(guān)鍵[2]。王春財?shù)热薣3]通過數(shù)值分析法分析循環(huán)水系統(tǒng)運行狀況,確定最優(yōu)運行真空及冷熱季循環(huán)水泵的最佳運行配置,提升了機組經(jīng)濟性。杜虹曄[4]對變頻調(diào)速循環(huán)水泵在核電站循環(huán)水系統(tǒng)的應(yīng)用方案進行了集中闡釋,可解決由于循環(huán)水量增多而出現(xiàn)的凝汽器背壓較低的問題,有效降低了電耗。趙詩樂等人[5]研究指出,采用玻璃鋼管外包混凝土可有效降低循環(huán)水泵揚程。

上述節(jié)能優(yōu)化研究均采用數(shù)值分析法,未建立循環(huán)水系統(tǒng)的水力仿真模型。本文采用Flowmaster軟件建立循環(huán)水系統(tǒng)模型,以方家山核電站為研究對象,系統(tǒng)性地進行水力特性研究。循環(huán)水的流量與上游蒸汽參數(shù)相關(guān),可通過汽輪機冷端優(yōu)化結(jié)果,進行冬、夏季工況轉(zhuǎn)換確定合理的冷卻水量;另外,可通過充分利用虹吸作用來降低循環(huán)水泵揚程;最后,可選擇合適的循環(huán)水管道管材,降低沿程阻力損失來減小循環(huán)水泵揚程。

1 循環(huán)水系統(tǒng)簡介

方家山核電站采用直流冷卻、一機兩泵的布置方案。每臺汽輪機有2臺凝汽器,每臺凝汽器水室又分成2個獨立的部分,每臺水泵與2臺凝汽器的一半連接形成獨立的回路,2臺水泵采用2條壓力管溝,整個循環(huán)水系統(tǒng)形成無閥門回路[6]。鑒于管溝之間無任何管道連接,各循環(huán)水泵管路互不干擾,可以基于單泵循環(huán)水路進行水力分析。

1.1 系統(tǒng)流程

核電站循環(huán)水系統(tǒng)通過循環(huán)水泵從外海取水,在凝汽器中進行熱交換,然后進入虹吸井并最終排往外海。循環(huán)水系統(tǒng)的主要部件包括格柵除污機、鼓形濾網(wǎng)、循環(huán)水泵、二次濾網(wǎng)、凝汽器、虹吸井以及管道等[7]。其計算節(jié)點流程如圖1所示。圖1中,①～④為本文選取的計算節(jié)點。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)計算節(jié)點流程

1.2 主要部件參數(shù)

循環(huán)水泵為混凝土蝸殼泵,由電機通過行星齒輪箱驅(qū)動,供電頻率50 Hz,水泵轉(zhuǎn)速191 r/min,額定流量26.63 m3/s,額定揚程16.74 m,電機功率5 600 kW。其流量-揚程(Q-H)曲線如圖2所示。

圖2 循環(huán)水泵QH曲線

凝汽器水室由A和B模塊組成,每一水室額定流量為13.32 m3/s,額定水阻為43 kPa。其水阻Δp與循環(huán)水量比例w的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 凝汽器水阻曲線

格柵除污機、鼓形濾網(wǎng)及二次濾網(wǎng)的最大水阻分別為1.2 kPa,2.0 kPa,6.3 kPa。若水阻超標(biāo),便會啟動沖洗裝置。

循環(huán)水系統(tǒng)各個管段管徑及材質(zhì)如表1所示。

表1 循環(huán)水系統(tǒng)各管段參數(shù)

1.3 管路特性曲線

圖1中所選取計算節(jié)點設(shè)計標(biāo)高如表2所示。

表2 循環(huán)水系統(tǒng)管路水力分析計算節(jié)點

選取節(jié)點①和節(jié)點④建立伯努利方程,即

h1+p1+H=h4+p4+ΔH

(1)

ΔH=kQ2

(2)

式中:h1,h4——節(jié)點①和節(jié)點④處標(biāo)高,m;

p1,p4——節(jié)點①和節(jié)點④處壓強,為大氣壓,MPa;

ΔH——系統(tǒng)阻力損失,m;

k——系統(tǒng)阻力損失系數(shù),s/m2。

閥門開度為100%,循環(huán)水泵為額定工作狀態(tài),循環(huán)水系統(tǒng)管路流量及所需壓力能均為上述給定的循環(huán)水泵額定流量及揚程。其管路特性曲線方程Q-Hp(流量-所需壓力能)為

Hp=5.18+0.016 3Q2

(3)

式中:Hp——循環(huán)水系統(tǒng)管路所需壓力能,m。

2 循環(huán)水系統(tǒng)建模

本文采用Flowmaster軟件對循環(huán)水系統(tǒng)進行建模,以流體管路系統(tǒng)為研究對象,將流體網(wǎng)絡(luò)看作由一系列流體管道元件組成,各個管道元件之間以節(jié)點相連[8]。其基于伯努利方程的公式為

(4)

(5)

式中:ρ——流體密度,kg/m3;

g——重力加速度,m/s2;

v1,v2——節(jié)點①和節(jié)點②處速度,m/s;

h2——節(jié)點②處高度,m;

p2——節(jié)點②處壓強,MPa;

ΔHi——沿程阻力損失,m;

ΔHj——局部阻力損失,m;

λ——沿程損失系數(shù);

l——管段長度,m;

d——水力直徑,m;

v——管段流速,m/s;

ζ——局部損失系數(shù)。

湍流狀態(tài)下(Re>4 000)的沿程損失系數(shù)λ采用Colebrook-White公式計算,即

(6)

式中:k——絕對粗糙度,其取值參見表1。

Flowmaster軟件各元件模型設(shè)置如下[9]。

(1)取水口和虹吸井 Flowmaster提供多種蓄水箱元件,穩(wěn)態(tài)時取水口和虹吸井可以采用定高度水箱元件。其給定高度如表2所示。

(2)循環(huán)水泵 Flowmaster提供泵元件庫,泵參數(shù)表中可輸入功率、額定揚程、額定流量和額定轉(zhuǎn)速等參數(shù)如上文所述。泵特性曲線如圖2所示。

(3)閥門 Flowmaster提供控制閥、止回閥、安全閥及方向控制閥等4大類閥門。閥門的開度參數(shù)可在參數(shù)表中直接輸入。

(4)格柵除污機、鼓形濾網(wǎng)、二次濾網(wǎng)、凝汽器 水力特性分析對上述元件僅關(guān)注水頭損失,均采用阻力模型替代。其阻力參數(shù)如上文所述。

(5)管道及管件 Flowmaster提供剛性、柔性和彈性3種管道模型。管道模型包含多種形狀供選擇。管道阻力模型選擇式(6)所述Colebrook-White模型。其取值參數(shù)見表1。Flowmaster亦提供多種管件元件類型。在實際建模過程中,為避免過多管件增加系統(tǒng)計算時間,管件合并采用阻力元件表示。根據(jù)管件參數(shù)輸入阻力元件水頭損失系數(shù)[10]。

Flowmaster軟件可利用定義好的元件迅速建立系統(tǒng)模型,如圖4所示。

圖4 循環(huán)水系統(tǒng)Flowmaster數(shù)值仿真模型

圖4的仿真模型由一系列流體管道元件組成,在對流體網(wǎng)絡(luò)進行分析時,其節(jié)點必須滿足以下假定:節(jié)點須占有一定容積,且節(jié)點內(nèi)的流體處于均勻狀態(tài);流體質(zhì)量存于節(jié)點內(nèi)部;支路包含全部的流動阻力。對穩(wěn)態(tài)時整個流體管路系統(tǒng)的總體線性方程組進行求解,得到各元件的水頭、壓力和流量等參數(shù)[11]。

3 節(jié)能分析

3.1 工況轉(zhuǎn)換

方家山核電站循環(huán)水系統(tǒng)采用一機兩泵配置,流量不可調(diào)節(jié)。方家山區(qū)域的海水冬、夏季溫差較大,溫度跨度可達35 K以上。為保證凝汽器具備合適的背壓,不同季節(jié)所需的海水流量不同。若冬季仍使用夏季循環(huán)水量會造成凝結(jié)水溫度過低,影響機組運行的安全性和經(jīng)濟性[12]。目前已商運的方家山核電站采用循環(huán)水泵變頻調(diào)速和改變閥門開度進行流量調(diào)節(jié),以適應(yīng)海水溫度的變化,最大限度保障機組經(jīng)濟性。

3.1.1 變頻調(diào)速

根據(jù)泵的相似定律,有如下關(guān)系

(7)

(8)

(9)

式中:Q1,Q2——調(diào)速前后的泵流量;

n1,n2——調(diào)速前后的泵轉(zhuǎn)速;

H1,H2——調(diào)速前后的泵揚程;

N1,N2——調(diào)速前后的泵功率。

對于三相異步電動機,其轉(zhuǎn)速n與供電頻率f成正比例關(guān)系,即

(10)

式中:s——轉(zhuǎn)差率;

p——極對數(shù)。

由式(7)～式(10)可知,對于確定的水泵,流量、轉(zhuǎn)速和電動機的供電頻率呈線性關(guān)系。通過調(diào)節(jié)電動機供電頻率,改變轉(zhuǎn)速,可以相應(yīng)的調(diào)節(jié)循環(huán)水泵流量,并在低溫時大幅度降低水泵的功率,從而降低水泵的用電消耗,達到節(jié)能的目的。從設(shè)備來看,不改變電機,可通過增加一套變頻器,使冷卻海水流量達到最低[13]。

根據(jù)田灣核電站經(jīng)驗,供電頻率在30 Hz時,循環(huán)水泵已接近喘振區(qū)域,夏季循環(huán)水流量為額定流量60%可滿足需要。假定虹吸井溢流堰堰上水位不變,圖5給出了供電頻率大于30 Hz的水泵特性曲線及管路特性曲線。由圖5可以看出,不同頻率對應(yīng)不同的Q-H曲線,變頻調(diào)速只改變了水泵特性,沒有改變管道特性。

將圖5中不同頻率的水泵特性曲線植入仿真模型,得到不同頻率下水泵的額定參數(shù)及凝汽器出口壓力如表3所示。方家山區(qū)域的冬、夏季溫差遠小于田灣核電站,30 Hz時水泵流量可滿足最低流量要求。低頻率下水泵的功率明顯降低,節(jié)能效果顯著,凝汽器出口壓力未發(fā)生明顯變化。

圖5 不同頻率下水泵性能曲線和管道特性曲線

表3 不同頻率下水泵的額定參數(shù)及凝汽器出口壓力

3.1.2 改變閥門開度

基于現(xiàn)有流程設(shè)備,可改變循環(huán)水管道入口蝶閥CRF502/504VC開度來調(diào)節(jié)循環(huán)水流量,相當(dāng)于改變管路特性,水泵性能沒有改變。調(diào)節(jié)仿真模型中CRF502/504VC,得到不同閥門開度α下的管道特性曲線和水泵特性曲線如圖6所示。相應(yīng)水泵額定參數(shù)及凝汽器出口壓力如表4所示。

圖6 不同開度下的管道特性曲線和水泵特性曲線

表4 不同閥門開度下水泵的額定參數(shù)及凝汽器出口壓力

由表4可知,閥門開度減小后,雖增加了局部阻力,但水泵流量變化不顯著,揚程增加,功率略有減少,因此凝汽器出口壓力持續(xù)升高,會造成揚程浪費。

3.2 虹吸利用

虹吸利用高度是指凝汽器最高點絕對壓力與水泵吸水液面的大氣壓力之差[1]。循環(huán)水泵的揚程主要考慮了97%及99%低潮位,相應(yīng)的凝汽器出口壓力如表5所示。

表5 不同潮位時凝汽器出口壓力

循環(huán)水系統(tǒng)計算的最終目的除了保證流量以外,還要保證凝汽器最高點不汽化。若揚程過低,最高點壓力過小,則發(fā)生汽化;若壓力過高,則虹吸利用不充分,造成揚程浪費。根據(jù)《火力發(fā)電廠水工設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5339—2018),凝汽器出口最高點的絕對壓力不宜低于20 kPa,可采用20～30 kPa[14]。根據(jù)表5計算,循環(huán)水泵揚程可降低5.07 m,以充分利用虹吸效應(yīng)。

3.3 管材更換

循環(huán)水系統(tǒng)的輸水隧道、凝汽器進水管道及排水管道均采用鋼筋混凝土管。其可承受較大的外載荷,成本較低,但粗糙率大,造成沿程阻力損失較高。玻璃鋼管內(nèi)壁光滑,可有效防止海生物附著滋生。將兩種管材結(jié)合,采用鋼筋混凝土內(nèi)襯玻璃鋼管道,可降低管道水阻,節(jié)約水泵揚程。在Flowmaster軟件中,玻璃鋼管絕對粗糙度與金屬管道相近,可取0.05 mm,計算得到相應(yīng)管段的阻力損失如表6所示。循環(huán)水管道內(nèi)襯玻璃鋼管后,循環(huán)水泵揚程可降低0.67 m,達到一定的節(jié)能效果。

表6 不同管材相應(yīng)管段的阻力損失

4 結(jié) 語

本文根據(jù)方家山核電站循環(huán)水系統(tǒng)流程,主要設(shè)備及管路參數(shù),采用Flowmaster軟件搭建水力仿真模型,得出結(jié)論如下。

(1)采用變頻調(diào)速方案改變循環(huán)水泵流量。這時其功率明顯降低,節(jié)能效果顯著且凝汽器出口壓力未發(fā)生明顯變化。改變閥門開度控制流量。水泵流量變化不顯著,功率略有減少,但揚程增加,凝汽器出口壓力持續(xù)升高,造成揚程浪費。

(2)凝汽器最高點壓力選取建議不高于規(guī)范上限30 kPa。這樣可充分利用虹吸效應(yīng),循環(huán)水泵揚程可降低5.07 m。將輸水隧道、凝汽器進水管道及排水管道內(nèi)襯玻璃鋼管道。這樣循環(huán)水泵的揚程可降低0.67 m,達到一定的節(jié)能效果。