核電站凝結(jié)水精處理系統(tǒng)無閥旁路的設(shè)計特點

王正平，王建華

(中國華電工程(集團)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)換來實現(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，從而對電站凝結(jié)水精處理系統(tǒng)設(shè)計和運行提出了更高的要求。當充分認證了核電運行的一切安全因素后，核電站將不會因為天災或人禍而飽受詬病，它將作為一種清潔能源被人類廣泛地應用。

1 常規(guī)凝結(jié)水精處理系統(tǒng)流程

電站汽輪機排出的蒸汽凝結(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，若需要進行處理，則關(guān)閉旁路中設(shè)置的旁路閥，水流被迫進入凝結(jié)水精處理裝置，凈化處理后再流向低壓加熱器。當旁路閥再次被打開時，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。凝結(jié)水由主凝結(jié)水泵送出后，直接通過旁路(沒有旁路閥或其他設(shè)備設(shè)置)流向低壓加熱器;而當需要對凝結(jié)水進行處理時，則啟動凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的升壓泵，水流則通過凝結(jié)水精處理裝置后再流向低壓加熱器，以達到凝結(jié)水水質(zhì)凈化之目的。

圖2 凝結(jié)水精處理系統(tǒng)無閥旁路流程圖

2 無閥旁路與常規(guī)旁路的設(shè)計特點

在凝結(jié)水精處理的常規(guī)設(shè)計中，旁路上設(shè)置有可自動控制的旁路閥，利用閥門的關(guān)斷功能切斷凝結(jié)水經(jīng)過旁路的通道，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程阻力則來自主凝結(jié)水泵。

在核電站的典型設(shè)計中，二回路凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的旁路沒有任何其他設(shè)備或部件設(shè)計，在凝結(jié)水精處理裝置的終端串聯(lián)有升壓泵，當需要對凝結(jié)水進行處理時，只有啟動升壓泵，方可使凝結(jié)水得以進化處理。

從直觀上看，在凝結(jié)水精處理的常規(guī)設(shè)計中，系統(tǒng)的控制僅需通過閥門的切換來完成，流程比較簡單。而在核電站的典型設(shè)計中，則改閥門控制為動力設(shè)備控制，雖然稍顯復雜，但就是這樣微小的差別，卻帶來了機組安全系數(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組主管路中大幅增加漏點或故障點，從而給整個機組的運行留下安全隱患。同時，在旁路閥與精處理裝置運行或切換過程中，經(jīng)常存在不確定因素造成的凝結(jié)水斷流現(xiàn)象，會對機組造成更大的危害。我國西北地區(qū)某電廠的1臺亞臨界機組在試運行期間，曾因精處理系統(tǒng)未投運而出現(xiàn)旁路閥自動關(guān)閉，從而使機組斷流而被迫停機。

在無閥旁路系統(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，從而最大程度地簡化了包含無閥旁路的主凝結(jié)水管路，減少了機組故障率，保證了機組的安全運行。

在運行方式上，常規(guī)有閥旁路的設(shè)計主要是通過旁路閥開度的控制，以達到控制精處理系統(tǒng)處理水量之目的;而核電站無閥旁路則是通過對升壓泵出力的控制來達到這一目的。

3 無閥旁路應用機制及關(guān)鍵設(shè)備的選擇

3.1 關(guān)于水體流動的特性

水體的流動總是遵循勢能高點流向勢能低點的原則，在流動過程中，水體會因過程阻力消耗一部分勢能。對于帶壓水源的設(shè)備或系統(tǒng)來說，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)的機制

由于系統(tǒng)阻力(水流通過精處理系統(tǒng)產(chǎn)生的壓降)以及升壓泵的揚程遠大于管路的阻力，所以，可把無閥旁路、旁路與精處理裝置進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)定無閥旁路與精處理裝置進口交界處的壓力為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)水通過精處理裝置產(chǎn)生的阻力(運行壓降)為pJ，水泵揚程為h。

當需要進行凝結(jié)水處理時，升壓泵啟動，無閥旁路下游與升壓泵交界處的瞬間壓力為

此時，對于整個系統(tǒng)來說，壓力低點是升壓泵入口，遵循水流往低壓點流向的原則，精處理裝置及其進口端和無閥旁路交界處以及遠端上游的水流“被迫”逐級流向該點“平衡壓力”，再經(jīng)升壓泵送出至p3點并源源不斷地被送出。此時，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)生了升壓泵揚程的選型原則。凝結(jié)水全部經(jīng)過精處理，則必須p3=p1或p3＞p1，由等式p3=p1+h－pJ得出，h=pJ或h＞pJ，也就是升壓泵的揚程必須大于或等于精處理裝置的運行壓降。

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

當只需對系統(tǒng)進行部分水量的處理時，只要按照對應流量選擇升壓泵的出力就可達到處理所需流量的目的。其機制是:由于升壓泵的啟動，升壓泵的入口p2處因壓力降低導致p1點的水流回填，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)。與全量處理時情況相同，雖然在升壓泵啟動瞬間p3＞p1，由于此時的精處理水量低于機組設(shè)計的額定工況下的水量(一般為半量)，升壓泵啟動時的出口壓力p3很容易被機組平衡，p3點壓力會在瞬間傳向p1點和精處理的下游(低壓加熱器)。由于p3點對p1點的壓力優(yōu)勢，機組另一半水量就不能由p1點通過旁路匯集至p3流向下游，這就引起主凝結(jié)水泵出口壓力的提升。當這種壓力傳導至p1點并使其克服了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，從而滿足了機組半量處理運行方式的要求。當然，升壓泵運行時對機組或系統(tǒng)壓力的提升完全在系統(tǒng)設(shè)計考慮之內(nèi)。

3.3 從壓力的角度分析無閥旁路的運行機制

從壓力角度分析了無閥旁路的運行機制后，有必要從流量的角度對凝結(jié)水精處理系統(tǒng)進行分析，以便對無閥旁路的系統(tǒng)及運行方式有一個正確的認識。

當升壓泵未啟動時，凝結(jié)水精處理裝置不會形成水流，因為凝結(jié)水通過無閥旁路的直流進入下級系統(tǒng)或設(shè)備，除非無閥旁路的阻力大于或等于精處理系統(tǒng)的阻力(如果無閥旁路變更為常規(guī)火電機組中的有閥旁路，通過旁路閥控制該旁路的阻力或干脆用閥門隔斷，這是能夠達到的)。當升壓泵啟動后，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′。對于全量處理的系統(tǒng)來說，升壓泵的流量設(shè)計為1.05qV。所以，此時旁路的流量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)計理念是:在采用雜質(zhì)離子含量很高的海水冷卻時，避免因凝汽器發(fā)生泄漏而導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。對于只進行凝結(jié)水半量處理的機組來說，其設(shè)計理念是: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，只需對泄漏有冷卻水的凝結(jié)水進行一半量的處理，就可滿足機組的運行要求，既簡化了系統(tǒng)，又節(jié)約了運行成本(人工、加藥、節(jié)能等)。此時，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)過無閥旁路、一半經(jīng)過凝結(jié)水精處理裝置進行凈化處理，二者混合后送至低壓加熱器。當然，在設(shè)計時也可以考慮 qV2=1/2×qV×1.05。但此時從旁路直接流過的水量應為qV1=1/2×qV×0.95。同理，當通過控制水泵或相關(guān)設(shè)備使升壓泵的流量為某個數(shù)值qVm時，通過無閥旁路的水量為qV1=qV－qV2=qV－qVm，此時，已經(jīng)沒有回流的概念了。該式的含義是:當升壓泵的水量控制為一定量(qV)時，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，然后混合進入下游設(shè)備。也就是說，在無閥旁路中，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，當再次人為控制水量qVm′時，經(jīng)過無閥旁路的水量仍然為qV1=qV－qVm′。需要指出的是，無閥旁路本身是不能控制流量變化的。

4 結(jié)束語

無閥旁路的設(shè)計打破了國內(nèi)火電機組凝結(jié)水精處理系統(tǒng)傳統(tǒng)的設(shè)計理念，雖然它不能很快被所有人理解和接受，但它的安全設(shè)計理念不能不讓人們有所觸動。目前，無閥旁路的設(shè)計已應用于國內(nèi)百萬千瓦級核電機組的首套國產(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.離子交換設(shè)備在核電站凝結(jié)水精處理系統(tǒng)中的應用［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.