AP1000凝汽器抽真空系統設備及運行性能淺析

摘 要：降低汽輪機背壓是核電廠提高循環熱效率的重要手段之一，而維持汽輪機背壓有兩個有效途徑：一是加強密封減少泄漏，二是維持凝汽器的抽真空能力。凝汽器抽真空系統用來抽出凝汽器里的空氣和不凝性氣體，建立并維持凝汽器里的真空，從而為汽輪機提供一個合適的背壓。該文主要介紹了三代核電技術AP1000的凝汽器抽真空系統設備及運行方式，并簡要分析了AP1000抽真空系統運行特性及其優缺點。

關鍵詞：真空泵 快速啟動 保持運行 真空度 運行特性

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（b）-0047-03

凝汽器真空由真空系統密封性、循環水流量、循環水溫度、凝汽器傳熱管導熱效率等因素決定。凝汽器側真空泵組的出力大小雖然不是決定真空度的最主要因素，但如果凝汽器真空系統設計不合理，出力達不到設計要求，凝汽器內不凝結氣體不能及時抽出，其真空就會下降，對汽輪機運行的經濟性和安全性均會產生重大影響。

1 AP1000凝汽器抽真空系統結構

AP1000凝汽器抽真空系統（CMS）由三套液環式真空泵組組成，每臺真空泵組作為成套裝置供貨，包括一臺液環式真空泵、氣水分離器、前置抽氣器、密封水冷卻器及相應的儀表、閥門和管線。如下圖1所示。

1.1 液環式真空泵

AP1000核電站采用的是單級單作用式液環式真空泵，其結構如圖2所示。葉輪偏心地置于由泵體組成的腔室中，當徑向葉輪在部分充水的殼體中運轉時，由于受離心力的作用，水被甩向四周，形成同心的水環，該水環被葉片等分成若干個小水室，小水室中的氣體不會被擴展或壓縮。然而當葉輪由A點轉到B點時，兩相鄰葉片之間的容積是逐漸擴大的，這就產生了從A點開始的吸氣過程，另一方面當葉輪由B點經C點轉到A點時，葉片之間的容積逐漸變小，使原先吸入的氣體經壓縮后排出。可見，液環式真空泵的工作可分成吸氣、壓縮、排氣三個過程，并通過這三個過程連續不斷地抽吸氣體。

1.2 氣水分離器

從凝汽器抽出的不凝性氣體夾帶著一些真空泵中的工作介質（水），通過真空泵出口管道進入氣水分離器。在氣水分離器中，分離出來的氣體一部分作為前置抽氣器的工作介質，另一部分通過放射性監測后被排入大氣。水被儲存在氣水分離器中，通過泵的自吸作用以及氣水分離器與泵入口的壓差，克服管道和密封水冷卻器的阻力后連續補充至真空泵。

1.3 前置抽氣器

液環式真空泵在低真空范圍內運轉時，具有較高效率抽送氣體的能力。但是由于受到結構的限制特別是受工作液體飽和汽化壓力的限制，使得液環式真空泵在凝汽器真空度較高時效率比較低。AP1000核電站采用真空泵加前置抽氣器聯合運行方式來實現并維持凝汽器的高真空運行。

前置抽氣器由噴嘴、混合室、喉管、擴散管等組成，采用氣水分離器中分離出來的空氣作為工作介質，不需要額外的蒸汽或壓縮空氣。工作介質通過噴嘴，將壓力能轉變為速度能，由于混合室中截面最小，因此空氣流動速度v最大，根據伯努利方程，混合室中形成的壓力p最小，當低于凝汽器背壓時，凝汽器中的不凝性氣體將被抽出，再通過擴散管將速度能轉變為壓力能，并最終通過真空泵排入氣水分離器中。

1.4 密封水冷卻器

液環式真空泵在運行時，為保持抽吸能力，其密封水必須保持一定的過冷度。假設真空泵密封水溫度過高，由于泵入口處負壓大，此區域便會產生嚴重汽化現象，對泵的抽吸能力及泵的結構均會產生負面影響。因此，真空泵的密封水補充必須經過一個冷卻器，通過汽機廠房閉式冷卻水系統（TCS）實現對來自氣水分離器的密封補水的冷卻，從而保證抽氣效果。

2 系統運行原理

2.1 真空建立階段

凝汽器在建立真空的過程中，抽真空系統的運行分為“快速啟動”和“保持運行”兩個階段。

（1）“快速啟動”階段。

泵啟動條件（即空氣入口閥V611和前置抽氣器動力空氣入口閥V613關閉、前置抽氣器旁路閥V612打開、氣水分離器液位正常以及真空泵電機定子溫度正常）滿足后，操縱員在主控室啟動該真空泵組。當第一臺真空泵啟動后，由于V611關閉，導致V611后的壓力下降很快。當壓力儀表開關PS612﹤12KPa.a時，發出信號自動打開V611，并且在主控室畫面上顯示“P.U.ON”，表示該真空泵組已經正常運行。與此同時，操縱員以同樣的方式啟動另外兩臺真空泵組。

由此可見，在凝汽器真空建立的初始階段，前置抽氣器沒有投入運行，利用液環式真空泵吸氣量大的特點，將三臺泵投入，在短時間內將凝汽器中的氣體抽出，達到縮短機組啟動過程抽真空的時間，稱為“快速啟動”階段。

（2）“保持運行”階段

隨著凝汽器壓力的降低，導致逆止閥V614下游壓力表開關PS613的示數下降，當降到11kPa·a并且在操作畫面上顯示該真空泵組為“P.U·ON”時，系統發出信號將前置抽氣器動力空氣入口閥V613打開，旁路閥V612關閉，氣水分離器中的氣體在壓差的作用下進入抽氣器，作為動力空氣，真空泵和前置抽氣器處于聯合運行方式，系統轉到“保持運行”模式。前置抽氣器處于運行狀態時，需要投入相應的電加熱器，防止前置抽氣器喉部凍結。

2.2 凝汽器真空維持階段

汽輪機帶載運行時真空泵組投入的數量由排入凝汽器乏汽流量的多少、海水的溫度以及真空系統的密封性等決定。在正常運行時，即凝汽器良好、機組及熱力系統漏氣正常時，一般采用兩臺真空泵維持凝汽器的真空。當備用真空泵入口閥V611上游的壓力儀表開關PS611>12kPa·a（即凝汽器內壓力）時，備用泵組自動啟動。

3 運行特性分析

AP1000核電站的凝汽器抽真空系統是液環式真空泵成套供貨裝置，在運行及維護過程中存在以下特點。

3.1 密封水來源冗余設置

正常運行情況下，氣水分離器的密封水由液位開關LIS611自動控制，當氣水分離器液位低于160mm時，液位開關自動打開電磁閥V619進行補水，當氣水分離器液位高于250mm時，液位開關自動關閉補水電磁閥防止滿溢。但當液位開關存在邏輯控制故障時，氣水分離器可能會存在液位過低或過高的風險，過高可以通過溢流管線將多余密封水排走，過低時液位傳感器LCA611會產生低報，從而通知操縱員手動打開V618對氣水分離器補水。并且氣水分離器的補水水源有兩個，當正常補水水源凝結水由于管道堵塞或者異常故障無法滿足正常補水需求時，可由廠區內的除鹽水對氣水分離器進行補水，滿足液環式真空泵的正常液位需求。

3.2 定期切換不會導致凝汽器壓力波動

AP1000抽真空系統相比于其他一些電站，在真空泵組進行定期切換時，CMS通過在入口閥V611后安裝逆止閥V614可以有效的防止凝汽器真空度出現波動甚至導致跳機。

根據控制邏輯，在滿足PS612﹤12kPa·a和相應的真空泵啟動條件后，V611打開。當PS612發生故障導致示數降到12kPa·a以下后，一旦備用真空泵啟動，入口閥V611就會馬上打開，在備用泵入口和凝汽器之間就會產生很大的壓差。此時從入口閥V611至真空泵這一段管道中的空氣就會在壓差的作用下全部進入凝汽器中，嚴重影響凝汽器的真空度甚至造成停機，而安裝逆止閥V614后可以有效避免出現以上情況。

3.3 凝汽器局部區域結垢風險及對策

由于凝汽器內的循環冷卻水是海水，因此凝汽器內某個區域的循環水管道可能會存在結垢等問題，一旦發生此現象這個區域的真空度會變得相對較差，乏蒸汽在這個區域就會不完全凝結，導致該區域溫度相對較高，那么從這個區域抽出的氣體溫度會升高，同時抽出氣體中水蒸氣的含量也會增加，使真空泵的效率下降。此時運行人員應就地手動調節出現狀況的凝汽器水室抽氣出口閥門，使該管線上的溫度計示數與相鄰管線上的溫度計示數差值在5℃-10℃之間。如果該區域結垢十分嚴重導致溫差異常高時，應關閉其出口閥門，以阻止蒸汽繼續被抽出，從而可以改善凝汽器的真空。

4 結語

CMS在機組啟動、冷卻和正常運行期間抽出凝汽器里的空氣和不凝性氣體，建立并維持凝汽器的真空，對于電廠經濟、平穩的運行十分重要。通過對CMS系統在凝汽器真空建立和維持過程中運行方式和潛在風險的分析，得出以下幾點結論以及改進建議：

（1）AP1000核電站抽真空系統采用液環式真空泵和前置抽氣器聯合運行方式，并且真空泵的密封補水通過泵的自吸能力，取消了管線上的循環水泵，不僅減輕了運行工作量，而且大大提高了真空泵運行可靠性。但隨著設備的運行，真空泵補水管線的流阻可能會逐漸增加，導致泵體內密封水不足而影響正常運行。個人建議定期對補水管線進行維護及對密封水冷卻器進行檢查，防止真空泵的補水能力下降。

（2）CMS通過電廠閉式冷卻水系統（TCS）來冷卻密封補水，由于TCS水質較高，同時運行過程中通過加藥系統時刻維持水質，因此水質可以得到保證，不會堵塞流道，從而不影響真空泵的效率。并且即使冷卻器泄漏，TCS水進入真空泵后也不會出現嚴重的部件腐蝕。

（3）AP1000凝汽器抽真空系統在真空泵入口管線上安裝了逆止閥V614，因此進行泵組切換或者啟動備用泵時，可以避免由于儀表波動等異常現象導致凝汽器真空降低或氣水分離器水位下降過快等現象。

參考文獻

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