核電機組熱力系統性能在線監測計算方法的研究

中核核電運行管理有限公司 鮑旭東 山東創德軟件技術有限公司 田宇

核電機組熱力系統性能在線監測計算方法的研究

中核核電運行管理有限公司 鮑旭東 山東創德軟件技術有限公司 田宇

本文介紹了有關核電汽輪機濕蒸汽區蒸汽焓值計算的兩種方法研究和應用，采用這兩種方法對某一核電站實際工況運行數據進行計算，對比不同方法計算的數據結果，以確認核電機組熱力系統性能計算模型的適用性。

核電；濕蒸汽焓；性能監測

0 前言

目前國內核電廠的汽輪發電機組熱力性能指標不在監控范圍內，通常不定期地采用全面的或簡化的機組性能試驗的方式，監測機組發電效率的變化趨勢，分析熱力設備性能下降或故障對效率的影響程度。如果考慮對核電機組熱力系統運行性能進行定期的、連續的、精確的監測，就需要利用電站計算機系統采集的機組運行實時數據，開發熱力性能監測系統，通過專用軟件系統建立計算模型、配置監測參數、校核計算和輸出熱力系統各個部分的蒸汽或水的熱力參數，最終計算得出機組的熱耗率、功率和效率等熱經濟性指標參數。

對于某一相同進汽參數和排汽參數的熱力系統，汽輪發電機組輸出的功率越大，效率越高，則表示熱力系統性能越完善，其主要表現在再熱和回熱系統運行參數合理，換熱效率高，熱量利用充分。通常核電機組發電效率可由蒸汽發生器熱平衡試驗和發電機功率測量值計算得到，但是要準確斷定汽輪機運行性能是否偏離基準性能，解決核電機組在實際運行中二回路熱力系統性能偏離的疑難問題，如汽輪機運行性能偏離設計值、蒸汽和疏水系統的汽水內漏、汽水分離再熱器的二級再熱耗汽量過大、回熱系統加熱器運行端差過大等，就需要通過熱力系統性能指標數據分析，定量評價某一臺熱力設備運行狀況變化對整套機組運行經濟性的影響。文獻[1]表明，某核電廠對已運行某核電站汽輪機熱力系統計算與分析，確定高壓缸通流改造方案，通過更換隔板來減小通流面積，解決高壓缸第一級段通流面積偏大的設備問題，改造后機組出力提高約1 0 MW。

1 核電機組二回路熱力系統性能在線計算模型

1.1 濕蒸汽區蒸汽焓值計算方法的研究

1.1.1 研究目的和意義

隨著國內核電裝機容量的快速上升，提高機組運行可靠性和經濟性已成為核電行業設備管理的重點工作。研究和開發基于計算機語言的汽輪機熱力性能計算程序，對機組熱耗率、機組效率、汽缸效率等熱經濟性指標進行計算與分析，若能應用于核電運行機組性能的在線監測，就可以進一步提高核電機組設備可靠性管理水平。

圖1 某核電汽輪機高壓缸各抽汽口設計數據擬合曲線

根據熱力發電廠基礎的熱力學理論，利用核電二回路系統加熱器汽水平衡和熱量平衡原理的常規熱平衡法，得到汽輪機各級抽汽量、排汽流量等關鍵參數，進而可獲取機組經濟性能指標。利用熱力循環系統等效焓降法，結合核電機組熱力系統結構和參數特點，推導出汽輪機抽汽等效焓降和抽汽效率等熱力性能分析參量，可對機組一些關鍵的運行參數進行監測和偏差分析，查找熱力循環系統能量損耗的具體原因和位置，掌握熱功轉換及能量利用程度。核電機組的汽輪機的大多數級段工作在濕蒸汽區，對于在過熱區工作的級段可以直接根據進出該部分的蒸汽溫度和壓力測量值來確定蒸汽焓值，而因干度無法進行在線測量，很難直接精確地計算處于濕蒸汽區級段的進、出口蒸汽焓值，并確定其與真實值的逼近程度，因此研究不同方法獲得汽輪機熱力循環系統工質特性參數，計算和驗證各級段抽汽量、通流流量等數據的真實程度，進而準確得出機組熱耗、效率等經濟性能指標，這對核電汽輪機運行性能監測而言意義重大。

1.1.2 方法一：假定濕蒸汽干度的方法

汽輪機熱力系統是一個汽輪機主機和多種輔機設備組成的汽水流體網絡，進出各個設備的流體工質的溫度、壓力和流量參數都不是獨立，存在著工質熱力參數的耦合，在整個熱力循環中各設備之間循環工質的熱量和質量最終將達到整體平衡。當對象系統在一定工況變化范圍內的任意工況點上運行時，只要對該模型提供必要的輸入參數，包括：新蒸汽流量和系統背壓，就可以通過模型的仿真計算獲得熱力系統中各個節點上的運行參數，并進一步得到熱力系統的運行經濟性指標，從而避開濕蒸汽干度的 測量對系統各個設備的運行進行評估[2]。如圖1所示，在某個汽輪機制造廠提供的各個工況點熱平衡參數中，核電汽輪機高壓缸模塊的進蒸汽、抽汽干度和焓值是隨負荷變化而連續且線性變化的，因此可理解為各個抽汽口上的參數隨實際工況的變化應該是連續且線性的。

該方法首先將汽輪機供應商提供的各個設計工況下的蒸汽干度以數據表的形式擬合，存放于計算模型的數據庫中，即可用插值計算法獲得對應汽輪機實際進汽流量的各段抽汽的干度，進而得出處于濕蒸汽區級段的蒸汽焓。假定汽輪機膨脹過程線上各濕蒸汽區級段的蒸汽參數隨進汽總流量同步變化，根據核電機組運行工況確定的實際汽輪機進汽總流量，獲取對應進汽流量的各濕蒸汽區蒸汽干度和蒸汽焓，通過回熱系統熱量平衡計算得出各級段抽汽流量，以及整臺汽輪機的蒸汽做功，并用實際發電功率進行校核。在確定熱力循環能量平衡的同時還需用凝結水流量進行校核，使計算出的凝結水流量與實測凝結水流量一致，經過采用該“小誤差熱平衡方法”進行迭代計算修正后的抽汽口參數，可以確保在假設條件下的計算結果與實際情況一致。

1.1.3 方法二：假定級效率不變的方法

對于核電汽輪機處于過熱蒸汽區的級段的內效率主要受漏汽損失和余速損失的影響，而處在濕蒸汽區的級段的內效率，濕蒸汽損失的影響遠大于其它的損失，特別是低壓缸模塊因尺寸較大，低壓動葉和靜葉級段流道內復雜的蒸汽和凝結水流動與變化，引起濕蒸汽級內的損失更大（包括熱力學損失、水滴阻力損失、制動損失、疏水損失和離心損失等），因此降低蒸汽干度，可以明顯提高級效率。為了提高在濕蒸汽區域運行的各級效率和低壓排汽干度, 核電汽輪機低壓缸通流部分采用了去濕結構，例如空心靜葉除濕結構，因而低壓缸通流部分的級間疏水量較大，對低壓缸的熱力性能產生顯著影響，熱力膨脹過程線的斜率會出現明顯變化（如圖2所示）。

圖2 某核電汽輪機各設計工況下膨脹線

在核電汽輪機的蒸汽膨脹過程中處在濕蒸汽區的多數級段的抽汽口蒸汽干度必須通過其他方法來計算。通常是假設機組在汽缸內濕蒸汽區的汽態線形狀不變，即汽缸的各級段效率之比不變，由此即可通過迭代計算出各個抽汽口的濕蒸汽溫度和焓值。對于核電汽輪機膨脹過程線上兩個點位于濕蒸汽區蒸汽參數有可能不同步變化，為計算準確，除了要進行機組功率校核外，還需要再用凝結水流量校核一次。當高壓缸或低壓缸抽汽級段有疏水時，由于級段疏水前后的蒸汽焓值不同，采用文獻[3]所述方法計算出濕蒸汽級段抽汽點疏水前或后的蒸汽焓值，進而可以精確計算單個汽缸或整機效率。

表1：兩種方法計算結果數據對比

1.2 兩種方法的對比

由于低壓缸排汽焓值的估算是一個關鍵環節，它不僅影響到低壓缸效率，而且對汽輪機其他重要性能指標的監測和計算有重大影響，在建模計算低壓缸排汽焓值時上述兩種方法都參考了美國機械工程師協會汽輪機性能試驗規程ASME PTC6的試驗規則和計算方法。建模計算所采用的設計數據來源于汽輪機制造廠提供的熱平衡圖及設計參數，用于驗證計算的現場數據取自于某一核電站生產數據系統的歷史數據庫。方法一和方法二采用不同方式確定濕蒸汽焓值后計算得出各級抽汽及排汽份額數據結果如下表。

從能量平衡法的計算過程可知，欲提高各級回熱抽汽流量和汽輪機內功率的計算精度，需要采用較為準確的濕蒸汽區抽汽焓值。表1所列計算所得各級抽汽份額的數據結果相比較，兩種方法的差值在-0.0202%～+0.0034%之間，低壓缸排汽份額計算值相差約0.0143%，由此可見，方法一和方法二都是可用于核電站二回路熱力性能監測與診斷系統的計算模型。由于驗證計算所用的實時數據是在機組正常運行工況下進行采集，沒有按照ASME PTC6性能試驗要求進行系統隔離，因此在線或離線計算結果的精度還取決于進、出系統的流量之間的差值（系統不明漏量）及其影響。

2 總結

建立正確的核電站二回路熱力性能計算模型，是精準計算汽輪發電機組運行實際熱平衡全部數據的關鍵所在。在本文研究的兩種計算方法中，通過調整汽缸的各級段效率或蒸汽干度，直到測量機組功率與計算功率在允許偏差內，并再用凝結水流量進行校核。采用這種“小誤差熱平衡法”進行核電機組二回路熱力循環的能量平衡與工質平衡計算，可以確保熱平衡計算結果十分接近實際運行工況。

在線或離線計算機組實際運行性能的熱平衡全部數據，通過對機組輸出功率的有影響的各項能損的偏差分析，可以監測熱力系統設備的性能變化趨勢，對汽輪發電機組運行的經濟性進行定期評價，指導電廠設備運行和維護管理工作。因此，開發和應用核電站二回路熱力性能監測與診斷系統，可以確保機組最優經濟運行，降低發電成本。

[1]王世勇，徐喬，胡友情，徐大懋，核電廠汽輪機熱力系統分析與評審[J]，熱力透平，2014（1）

[2]崔大龍、李政、江寧、倪維斗，核電汽輪機熱力系統的主導因素變工況建模方法研究[J]，核動力工程，2003（12）

[3]王世勇、卜玉兵、徐宗富，核電廠汽輪機熱力性能試驗計算與分析[J],核動力工程，2011（12）

[4]嚴俊杰、邢秦安、林萬超、陳國慧，火電廠熱力系統經濟性診斷理論及應用[M]，西安交通大學出版社，2000（5）

[5]ASME PTC6—2004，汽輪機性能試驗規程(Steam turbine performance test code )[S]

[6]吳曉明、楊建道、李亮，核電汽輪機中的濕蒸汽流動研究[J]，熱力透平，2015（12）