CPR1000核電站常規島熱力系統特點與設計改進

吳家凱

（廣東省電力設計研究院,廣東 廣州 510663）

嶺澳核電站二期工程（2×1 000MW）是國內首個自主設計的百萬千瓦級核電站,該電站采用的是二代加核電技術CPR1000。本工程汽輪發電機組采用的是東方電氣—ALSTOM聯合體提供的半速機（1 500 r/min）。目前,3號機于2010年9月20日投產,4號機組處于調試階段。

1 CPR1000常規島熱力系統的主要特點

CPR1000核電站常規島熱力系統包括兩部分：主機（TG）系統和TG以外系統。其主要熱力系統包括：凝結水抽取系統（CEX）、低壓給水加熱器系統（ABP）、給水除氧器系統（ADG）、電動主給水泵系統（APA）、高壓給水加熱器系統（AHP）、給水流量控制系統（ARE）、主蒸汽管道系統（VVP）、汽輪機旁路系統（GCT）和汽水分離再熱器系統（GSS）。

1.1 凝結水抽取系統

其功能是根據除氧器的供水要求,將凝汽器中的凝結水輸送到ABP系統。主要特點是：①熱井里設置了吸附式濾網,可過濾金屬顆粒,因此在凝泵入口可不另設濾網;②軸封加熱器采用部分容量,僅15%額定凝結水流經軸加,其他水流經軸加并列管道,可大大減小軸加設備;③精處理裝置容量是全容量,其旁路是采用無閥旁路系統,精處理裝置投入使用時,裝置中的升壓泵的流量是110%額定凝結水流量;④凝結水調節閥采用2× 100%配置,但正常運行是2個閥一起調節,1個閥故障另1個單獨調節可滿足額定流量要求。

1.2 低壓給水加熱器系統

其功能是利用汽輪機抽汽加熱從CEX系統輸送來的凝結水后送入除氧器,提高機組的熱效率。主要特點是：①采用雙列低壓加熱器,每列通過一半流量,當某列加熱器隔離時,另一列加熱器維持50%凝結水量;②同一抽汽口抽汽同時向A/B列加熱器供汽時,僅在抽汽母管上設置一個氣動止回閥,在分支管上不設止回閥;③1號、2號低加和3號、4號低加各配置二級旁路,第一級旁路采用電動旁路,第二級旁路采用彈簧旁路,當第一級旁路閥因故不能及時打開時,壓降增大到設定值時,第二級旁路閥自動打開,確保繼續供水;④抽汽管道的疏水采用自動疏水器和電動旁路組合型式疏水系統,疏水可靠性高。

1.3 給水除氧器系統

其功能是除去凝結水中的氧氣,加熱凝結水,收集各路疏水并貯存一定容積的水,可維持3.5 min的緊急供水量。主要特點是：①有一組旁路蒸汽（占12.4%新蒸汽總量）排至除氧器,適當減少去凝汽器的旁路容量（占72.6%新蒸汽總量）;②抽汽管采用兩級止回閥,同時在抽汽管至除氧器接口前設置平衡管（主要針對STORK技術除氧器）,防止機組甩負荷工況除氧器中的水流至汽輪機中;③設置啟動用除氧器再循環泵,可加快并更均勻地加熱除氧器中的水,加快除氧器啟動過程。

1.4 電動主給水泵系統

其功能是將除氧器中的水升壓后送往核島蒸汽發生器（SG）。主要特點是：①采用3×50%電動液耦調節給水泵;②備用泵出口隔離閥保持常開狀態,在某臺運行泵突然跳泵后,可加快備用泵向核島蒸汽發生器SG供水,盡量減少因跳泵導致SG的失水量;③給水泵本身并不要求設置暖泵系統,為盡量保持備用泵的進出口管道中的水與除氧器中水的溫度和水質基本一致,實現在某臺運行泵跳泵后備用泵啟動后向SG供水的溫度可基本保持不變,設置了給水泵暖泵系統;④每臺泵的給水再循環管道采用2路,每路上設置開關型調節閥和節流孔板配置來減壓。

1.5 高壓給水加熱器系統

其功能是利用汽輪機抽汽加熱高壓給水以滿足核島SG要求的給水溫度。主要特點是：①采用雙列高壓加熱器,正常運行時每列通流50%流量,但每列高加的最大通流量為65%總流量,旁路容量為35%,這樣配置可適當減少因某列高加故障被隔離后主給水的溫降幅度,滿足核島SG的最大給水溫降要求;②同一抽汽口向A/B列加熱器供汽時,僅在抽汽母管上設置一個氣動止回閥,在分支管上不設止回閥,可滿足汽輪機防進水要求;③高壓加熱器設置2級旁路,第1級旁路采用電動旁路,第2級旁路采用彈簧旁路,當第1級旁路閥因故不能及時打開時,壓降增大到設定值時,第2級旁路閥自動打開,確保供水繼續。

1.6 給水流量控制系統

其功能是通過調節給水調節閥組以滿足核島SG的供水流量和壓力要求。主要特點是：①每個給水調節閥組包括一個90%容量主調節閥和一個15%容量的旁路調節閥;②每路給水調節閥組對應一個蒸汽發生器,根據對應SG的水量需求調節對應調節閥,但若機組負荷率變化,主給水流量主要是調節給水泵來實現;③當負荷率≤15%時,僅旁路調節閥開啟并調節;當負荷率＞15%時,旁路調節閥保持全開,由主調節閥來調節流量;④每路給水管線上設置有文丘里流量計和孔板流量計,前者用于正常運行時的流量測量,后者用于性能試驗時的流量測量。

1.7 主蒸汽管道系統

其功能是將核島1號、2號、3號蒸汽發生器提供的主蒸汽收集后分配到汽輪機和MSR等處。主要特點是：①3個蒸汽發生器對應4個主汽門,所以需采用蒸汽聯箱來收集和分配主蒸汽流量;②由于凝汽器擴散器（DIFFUSER）在凝汽器的循環水進出口兩側,而且CPR1000的旁路容量大（72.6%）,旁路閥數量多（12個）,故采用2根旁路聯箱來分配旁路蒸汽量;③由于主蒸汽接近于飽和蒸汽（0.47%濕度）,為滿足疏水要求,設置自動疏水器和電動旁路閥組合型式自動疏水,可靠性高。

1.8 汽輪機旁路系統

其功能是將蒸汽發生器產生的比汽輪機進汽量多的蒸汽及時排到凝汽器中,防止SG汽側超壓;主要特點是：①去凝汽器的旁路容量為總蒸汽量的72.6%,共設置了12個旁路閥;②GCT系統的旁路閥分為3組來控制,第1組有3個旁路閥,第2組有6個旁路閥,第3組有3個旁路閥,同一組閥門是同時啟閉的,具體打開幾組閥門根據機組的運行工況（主要是多余蒸汽的數量）來確定;③常規島的第4組旁路閥有3個旁路閥,是排至除氧器的,占新蒸汽量的12.4%。

1.9 汽水分離再熱器系統

其功能是對高壓缸排汽進行除濕和加熱,提高汽輪機通流部件的安全性和蒸汽在中低壓缸中作功能力。主要特點是：①每臺機組采用左右對稱的2套MSR除濕和加熱系統,并列運行;②每套MSR系統的蒸汽加熱包括一級和二級加熱。把含濕量約15%的蒸汽加熱到超過90℃過熱度的蒸汽;③MSR的殼側疏水經疏水罐收集后由疏水泵打入凝結水系統中,一、二級加熱汽的疏水經疏水罐分別收集后自流到高壓加熱器的汽側,各疏水箱均設置高水位危急疏水至凝汽器;④MSR有臥式和立式2種型式,但目前國內CPR 1000核電基本采用臥式型式;⑤MSR允許一級加熱器隔離后繼續運行。

2 CPR 1000常規島熱力系統設計改進項

嶺澳核電站二期工程是國內首個自主化設計的CPR1000核電,設計參考電站是嶺澳核電站一期工程。但與嶺澳一期工程相比,二期常規島設計已進行了多項重大設計改進,主要如下。

2.1 汽輪發電機組由全速機（3 000 r/min）改進為半速機（1 500 r/m in）

核電站的主蒸汽是帶一定濕度（約0.5%）的飽和蒸汽（6.43 MPa,280℃）,由于單位質量蒸汽的作功能力小,所以百萬千瓦級核電所需的主蒸汽流量非常大（1 613.4 kg/s）,因此要求汽缸的通流面積比較大。嶺澳一期采用的是全速機,由于受動葉葉根應力極限制約,低壓缸末級葉片只能采用長945mm的末級葉片,為滿足通流面積要求,必須配置3個低壓缸。而嶺澳二期工程由于采用了半速機,低壓缸可采用長達1 430 mm的末級葉片,因此配置2個低壓缸就可滿足通流要求。此改進可降低葉片的應力水平,提高安全性,同時,可縮短主廠房的一個低壓缸長度（約10 m）,節省了土建投資。

2.2 汽動給水泵改進為電動調速給水泵

嶺澳一期給水泵配置有2臺汽動給水泵和1臺電動給水泵,2用1備。二期配置了3臺50%調速給水泵。在壓水堆核電站中,由于主蒸汽參數低,小汽輪機的效率要比常規火電低,而且核電站電動給水泵功率小,約占發電總功率1%（火電約占2%）,且核電站汽輪機采用半速機后,末級葉片可選用長葉片。低壓缸的排汽面積足夠大,低壓缸的排汽余速損失已大大減小,采用汽動泵的效率優勢已不明顯。但是,與改進后的電動給水泵方案比較,原方案小汽輪機需配置供汽和排汽管道及潤滑和控制用油等配套系統,整個給水系統配置復雜,布置設計占用空間較大。因此,此項設計改進可大大簡化給水系統的配置,優化了主廠房布置設計,減少了初投資,提高了給水系統的可靠性。

2.3 主廠房布置由一期的分散多區域小平臺改進為大平臺布置

嶺澳一期各層采用的是分散多區域小平臺布置方式,通道彎曲且高低不同,這種布置方式給日常運行巡查和機組檢修帶來不便。嶺澳二期工程采用常規火電大平臺設計理念,除個別區域受某個因素制約而必須單獨設置一個標高外,零米層、中間層、運轉層和除氧器基本都實現了統一大平臺布置方式。經現場實際驗證,主廠房布置改進后更方便運行和檢修,也更整齊美觀。

2.4 主機大部分部件和多數輔機已實現國產化

嶺澳二期汽輪發電機組主要由東方電氣集團公司設計和供貨,汽輪機僅低壓缸轉子、發電機僅轉子和勵磁系統等部件委托ALSTOM制造;除給水泵和凝結水泵為進口外,多數主要輔機如高低壓加熱器、除氧器、閉冷水泵、低加疏水泵、輔助冷卻水泵和主行車等設備均采用了國產產品;除調節閥和少量高參數隔離閥進口外,多數閥門如閘閥、截止閥、止回閥、蝶閥和隔膜閥等約80%總數量的閥門均為國產閥門;更值得一提的是,嶺澳二期主給水和主蒸汽管道采用的新型材料WB36 CN1,以及凝結水管道采用的20+Cr材料都是國內企業新研制成功的,包括這兩種新型材料在內常規島采用的管道和管件全部為國產產品,嶺澳二期工程整體國產化率已達70%左右。

3 結束語

CPR1000核電站常規島熱力系統與常規火電站比較特點明顯不同。要做到自主化設計,需在深入研究消化參考電站原設計前提下,堅持精益求精、持續改進的設計理念,堅持走國產化之路,不斷提高熱力系統的安全性和經濟性,為CPR1000核電在國內快速發展創造條件。