凝汽器抽真空管道規(guī)格選型研究

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引 言

凝汽器抽真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，凝汽器內(nèi)不凝結(jié)氣體不能及時(shí)被抽出, 其真空就會(huì)下降, 對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)的安全性和經(jīng)濟(jì)性均會(huì)產(chǎn)生重大影響。核電站的凝汽器真空系統(tǒng)與常規(guī)火電廠的凝汽器真空系統(tǒng)功能相同，滿足凝汽器真空系統(tǒng)要求，可有效地將凝汽器內(nèi)的不凝結(jié)氣體排出。然而，現(xiàn)有核電工程的凝汽器抽真空管道規(guī)格的選型均按參考工程和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取，尚無(wú)一套成熟的確定方法。基于正常運(yùn)行工況時(shí)的抽汽量，通過(guò)分析凝汽器抽氣管道混合氣體體積流量的確定方法以及流速的選取范圍，對(duì)凝汽器抽真空管道規(guī)格選型進(jìn)行以下研究。

1 凝汽器抽氣管道混合氣體體積流量的計(jì)算方法

根據(jù)HEI標(biāo)準(zhǔn)、道爾頓公式及理想氣體狀態(tài)方程等確定凝汽器抽氣管道混合氣體體積流量計(jì)算公式，并計(jì)算出各核電項(xiàng)目凝汽器抽氣管道混合氣體體積流量。計(jì)算原則如下：

(1)凝汽器抽氣口的全壓可不計(jì)管束殼側(cè)的壓力損失，取凝汽器的性能背壓；

(2)凝汽器抽氣口的水蒸汽分壓根據(jù)道爾頓分壓公式計(jì)算(見(jiàn)公式1)；

(3)凝汽器抽汽口混合氣體的溫度應(yīng)取同位置水蒸汽分壓對(duì)應(yīng)的飽和溫度。

(1)

式中：P0、P1s分別為抽汽口混合氣體的全壓、水蒸氣分壓，kPa；Gs、Ga分別為抽氣口混合氣體中水蒸汽和空氣組分的質(zhì)量流量，kg/h；Ms、Ma分別為水蒸汽和空氣的分子量，kg/kmol。

混合氣體由空氣和蒸汽組成，空氣可作理想氣體用理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算。將飽和蒸汽作為理想氣體處理時(shí)，絕對(duì)壓力1、5和10 bar以下的飽和蒸汽相對(duì)誤差分別為1.78%、5.41%和10.53%(如圖1所示)，絕對(duì)壓力低于0.1 bar時(shí)，相對(duì)誤差小于0.48%。若為過(guò)熱蒸汽，則誤差更小。

表2表明，各核電項(xiàng)目凝汽器背壓范圍在0.036～0.057 8 bar之間。使用理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算凝汽器抽汽口混合氣體的體積流量所產(chǎn)生的誤差低于0.48%，滿足工程應(yīng)用要求。凝汽器抽汽口混合氣體的體積流量采用公式(2)計(jì)算：

圖1 飽和蒸汽作為理想氣體處理時(shí)的誤差波動(dòng)趨勢(shì)

(2)

式中，R0為理想氣體常數(shù)，J/(kmol·K)；m為混合氣體Kmol數(shù)；T1為抽汽口混合氣體的溫度，℃；P0為抽汽口混合氣體的全壓，kPa；v為混合氣體體積流量，m3/s。

(4)各核電項(xiàng)目凝汽器抽氣管道混合氣體體積流量計(jì)算

表1混合氣體體積流量計(jì)算表

2 凝汽器抽氣管道混合氣體流速計(jì)算

根據(jù)公式(3)，計(jì)算各核電項(xiàng)目凝汽器抽氣管道混合氣體流速(見(jiàn)表2)：

(3)

式中，v為混合氣體體積流量，m3/s；Di抽真空管道內(nèi)徑，mm；w為抽真空管道混合氣體流速，m/s。

表2各核電項(xiàng)目凝汽器抽氣管道混合氣體流速計(jì)算表

3 凝汽器抽氣口到真空泵入口壓降計(jì)算

根據(jù)各核電項(xiàng)目凝汽器抽真空系統(tǒng)流程圖、管道ISO圖等資料，建立凝汽器抽氣管道三維模型，使用COMSOL Multiphysics軟件模擬管道內(nèi)壓力變化情況。模擬初始條件(抽氣管道入口壓力、溫度、進(jìn)出口流速、混合氣體動(dòng)力粘度[1]和管材粗糙度[2]等)詳見(jiàn)表1和表2。各項(xiàng)目從抽氣口到泵入口壓力變化如圖2-5所示。

圖2 A項(xiàng)目凝汽器抽氣口到真空泵入口壓力分布

圖3 B項(xiàng)目凝汽器抽氣口到真空泵入口壓力分布

根據(jù)模擬仿真結(jié)果，提取各核電項(xiàng)目壓力分布數(shù)據(jù)：△P(凝汽器抽氣管內(nèi)分段壓降)、△P1(凝汽器抽氣口到抽氣母管出口壓降)、△P2(凝汽器抽氣口到真空泵入口壓降)，詳見(jiàn)表3。

圖4 C項(xiàng)目凝汽器抽氣口到真空泵入口壓力分布

圖5 D項(xiàng)目凝汽器抽氣口到真空泵入口壓力分布

4 凝汽器抽氣管道和抽氣母管流速范圍的選取

抽氣管道壓降影響泵出力，從表3可知，各項(xiàng)目從凝汽器抽氣口到抽氣母管出口壓降比較小，在80～150 Pa之間，且從凝汽器抽氣口到抽氣母管出口各分段抽氣管道規(guī)格的選取對(duì)壓降變化影響比較小。各項(xiàng)目凝汽器抽氣管道和抽氣母管流速的選取在合適的范圍內(nèi)。從各項(xiàng)目凝汽器抽氣管道混合氣體流速計(jì)算表2可知南北方廠址凝汽器抽氣管道和抽氣母管流速在8～15 m/s之間，且與動(dòng)力管道設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]上壓縮空氣的流速范圍8～15 m/s一致，南北方廠址凝汽器抽氣管道和抽氣母管流速范圍可參考?jí)嚎s空氣的流速范圍8～15 m/s進(jìn)行選取。

表3各核電項(xiàng)目壓力變化模擬仿真結(jié)果

5 至真空泵入口抽氣管道流速范圍的選取

由表2可知至真空泵入口的抽氣管道流速不全在8～15 m/s之間。通過(guò)比較各核電項(xiàng)目凝汽器抽氣口到真空泵入口壓降模擬結(jié)果，至真空泵入口抽氣管道的壓力損失最為顯著。為優(yōu)化至真空泵入口管道的壓降、選取其流速范圍，通過(guò)比選各核電項(xiàng)目自凝汽器抽氣口到真空泵入口的管材耗量(見(jiàn)表4)和泵電機(jī)理論耗電功率(見(jiàn)表5)，確定典型項(xiàng)目。針對(duì)典型項(xiàng)目，改變至真空泵入口抽氣管道的內(nèi)徑，研究相關(guān)壓力變化和泵電機(jī)能耗變化。

表4各核電項(xiàng)目自凝汽器抽氣口到真空泵入口的管材耗量

項(xiàng)目管重(t)單價(jià)(元/t)總價(jià)(元)備注A11.72800093782.88B12.728000101758.64C11.41800091301.92D9.34800074708.80根據(jù)ISO圖計(jì)算

各項(xiàng)目泵電機(jī)耗電功率計(jì)算公式如下：

(1)真空泵入口壓力P1

P1=P0-ΔP

(4)

式中，P0為凝汽器背壓，Pa；ΔP為從凝汽器抽氣口到真空泵入口的壓降，Pa。

(2)泵電機(jī)理論耗功W[4]

(5)

式中，w為1 kg工質(zhì)泵電機(jī)的理論耗功，J/kg；k為等熵指數(shù)；Rg為氣體常數(shù)，Rg=287 J/kg·K；T1為混合氣體溫度，K；P2為真空泵出口壓力為大氣壓力，Pa；P1為真空泵入口壓力，Pa。

(3)泵電機(jī)理論耗電功率Pw

(6)

式中，Gt為混合氣體質(zhì)量流量，kg/s。

表5各核電項(xiàng)目泵電機(jī)理論耗電功率

表4和表5表明D項(xiàng)目管材耗量和泵電機(jī)耗電功率最小，以D項(xiàng)目抽氣管三維模型為研究對(duì)象，調(diào)整管道內(nèi)徑，模擬壓降和泵電機(jī)耗電功率數(shù)值。研究至真空泵入口抽氣管道的流速范圍選取方法。

選取DN400的管徑在長(zhǎng)度一定的情況下管材耗量大，且布置復(fù)雜，因此以D項(xiàng)目至真空泵入口抽氣管的管徑DN300和DN350為研究對(duì)象，計(jì)算混合氣體流速(見(jiàn)表6)并模擬壓力變化情況(如圖6-7所示)。

表6改變D項(xiàng)目至真空泵入口抽氣管徑大小的混合氣體流速

圖6 凝汽器抽氣口到真空泵入口壓力變化(至真空泵入口抽氣管徑為DN300)

根據(jù)模擬仿真結(jié)果，提取各核電項(xiàng)目壓力分布數(shù)據(jù)：△P(凝汽器抽氣管內(nèi)分段壓降)、△P1(凝汽器抽氣口到抽氣母管出口壓降)、△P2(凝汽器抽氣口到真空泵入口壓降)，詳見(jiàn)表7。

圖7 凝汽器抽氣口到真空泵入口壓力變化(至真空泵入口抽氣管徑為DN350)

表7 D項(xiàng)目改變至真空泵入口抽氣管徑所對(duì)應(yīng)的凝汽器抽氣口到真空泵入口的壓降

改變D項(xiàng)目至真空泵入口抽氣管徑所對(duì)應(yīng)的泵電機(jī)耗電功率，見(jiàn)表8。

表8改變D項(xiàng)目至真空泵入口抽氣管徑所對(duì)應(yīng)的泵電機(jī)耗電功率

續(xù)表8

項(xiàng) 目單 位真空泵入口抽氣管徑(DN300)真空泵入口抽氣管徑(DN350)原D項(xiàng)目備 注真空泵入口壓力,P1Pa492049474890公式(4)真空泵出口壓力,P2Pa101325101325101325大氣壓力泵電機(jī)耗功,WJ/kg386906.66385919.58388011.35公式(5)混合氣體質(zhì)量流量,Gtkg/s0.0730.0730.073查表2泵電機(jī)耗理論電功率,PwKW28.0828.0128.16公式(6)

表7和表8表明，D項(xiàng)目至真空泵入口抽氣管徑變?yōu)镈N300和DN350后，抽氣管道壓降分別為180 Pa和153 Pa，低于原D項(xiàng)目210 Pa；至真空泵入口管道壓降分別為70 Pa和63 Pa，低于原D項(xiàng)目90 Pa；管徑的改變對(duì)泵電機(jī)耗電功率影響較小。結(jié)合表2可知，南北方廠址項(xiàng)目的至真空泵入口抽氣管道流速和D項(xiàng)目至真空泵入口抽氣管徑選取DN300、DN350所對(duì)應(yīng)的流速，南方廠址至真空泵入口抽氣管道的流速范圍可參考15～35 m/s選取。因北方廠址凝汽器背壓低至泵入口管道流速大，北方廠址至真空泵入口抽氣管道的流速范圍可參考30～55 m/s選取。

6 結(jié)束語(yǔ)

以凝汽器抽真空管道選型為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)凝汽器抽氣管道混合氣體體積流量和混合氣體流速范圍進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)凝汽器抽氣管道混合氣體體積流量可按公式(2)進(jìn)行計(jì)算；

(2)南北方廠址凝汽器抽氣管道和抽氣母管的流速范圍可參考8～15 m/s選取；

(3)南方廠址至真空泵入口抽氣管道的流速范圍可參考15～35 m/s選取，北方廠址至真空泵入口抽氣管道的流速范圍可參考30～55 m/s選取。

(4)凝汽器抽真空管道規(guī)格可根據(jù)公式(3)和流速范圍進(jìn)行選取。