核電汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)開發(fā)

劉亮　王疆　孫澤洋　李鑫　宋雪軍　吳艫

摘 要 從火電汽輪機(jī)DEH開發(fā)轉(zhuǎn)向核電汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)的開發(fā)工作存在一定障礙。本文從熱力系統(tǒng)及熱力循環(huán)、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及參數(shù)、運(yùn)行方式對火電與核電汽輪機(jī)差異性進(jìn)行了研究。本項(xiàng)研究為核電汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)開發(fā)提供了汽輪機(jī)熱工控制方面的理論支持和參考。

關(guān)鍵詞 核電汽輪機(jī) DEH 差異性

中圖分類號：TK269文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

核電汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）是衡量分散控制系統(tǒng)（DCS）廠商能力的重要標(biāo)準(zhǔn)。DEH系統(tǒng)主要包含以下4個(gè)單元：（1）實(shí)現(xiàn)基本控制功能的OA（Operator Auto）單元;（2）實(shí)現(xiàn)超速控制功能的OPC（Overspeed Protection Control）單元;（3）實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子應(yīng)力監(jiān)視功能的 RSM（Rotor Stress Monitor）單元;（4）實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)自動控制功能的ATC（Auto Turpin Control）單元。在以上4個(gè)單元中，完成基本控制功能的OA單元是DEH控制器的核心，而這個(gè)單元需要對汽輪機(jī)的熱工運(yùn)行狀況有一定的研究。通過對應(yīng)性能匹配，設(shè)定合適的運(yùn)行參數(shù)，能夠大幅提升汽輪機(jī)運(yùn)行效率。目前火電汽輪機(jī)和核電汽輪機(jī)裝機(jī)均已達(dá)到百萬千瓦級，然而兩者汽輪機(jī)存在一定的差異，這對于從火電汽輪機(jī)DEH開發(fā)轉(zhuǎn)向核電汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)的開發(fā)工作存在一定障礙。因此，有必要針對火電與核電汽輪機(jī)差異性進(jìn)行專題研究。

1熱力系統(tǒng)及熱力循環(huán)對比

1.1做功方式

核電機(jī)組主蒸汽從蒸汽發(fā)生器出來后是飽和蒸汽，在高壓缸中做功之后，到汽水分離再熱器，最后主蒸汽再到低壓缸做功。火電機(jī)組的主蒸汽從過熱器出來，是過熱蒸汽，首先在汽輪機(jī)高壓缸中做功，然后經(jīng)再熱器再熱，再到中低壓缸繼續(xù)膨脹做功。

1.2汽水分離再熱過程

主蒸汽從高壓缸出來之后，核電汽輪機(jī)組多了一個(gè)汽水分離的過程。核電汽輪機(jī)的再熱器，采用高溫蒸汽作為再熱熱源，其再熱過程分兩段進(jìn)行，首先用汽輪機(jī)抽氣對汽水分離器分出的蒸汽進(jìn)行再熱，然后再用高溫主蒸汽再行加熱。同時(shí)，在主蒸汽進(jìn)低壓缸做功之前還要經(jīng)過低壓缸級間去濕機(jī)構(gòu)去濕。另外，旁路系統(tǒng)容量通常大大高于火力發(fā)電廠旁路系統(tǒng)所取得值。

2設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及參數(shù)對比

2.1機(jī)組結(jié)構(gòu)

以百萬千瓦汽輪機(jī)為例主要區(qū)別在于：

（1）核電汽輪機(jī)在高壓缸和低壓缸之間不設(shè)中壓缸，用汽水分離再熱器替代;

（2）核電汽輪機(jī)進(jìn)氣管、閥門以及汽缸尺寸比常規(guī)汽輪機(jī)要大，高壓缸葉片要長于一般汽輪機(jī);

（3）核電汽輪機(jī)末級葉片比火電汽輪機(jī)的末級葉片藥長、外形尺寸大、排氣面積大。

2.2機(jī)組參數(shù)

以百萬千瓦汽輪機(jī)為例，主要區(qū)別在于：

（1）核電主蒸汽溫度在270-300℃之間，火電主蒸汽溫度560℃左右;

（2）核電主蒸汽壓力5-7MPa之間，火電主蒸汽壓力可達(dá)24MPa;

（3）核電接近火電主蒸汽流量一半;

（4）核電給水溫度比火電低30-40℃;

（5）核電機(jī)組末級葉長比火電長。

3運(yùn)行方式對比

3.1汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速

核電汽輪機(jī)多為定壓運(yùn)行，因此在蒸汽初、終參數(shù)不變的情況下，降低汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以顯著地提高汽輪機(jī)組的極限功率。采用半速機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)是：半速機(jī)組的葉片較長，葉片端渦流損失影響較小，因此效率比全速機(jī)高5%。目前對750～1000MW的飽和汽輪機(jī)組采用3000r/min，而對大于1000MW的核汽輪機(jī)多采用1500r/min。

3.2主蒸汽壓力變化

在常規(guī)火電機(jī)組運(yùn)行過程中，鍋爐出口的主蒸汽參數(shù)在機(jī)組正常運(yùn)行的情況下保持不變。而在目前的壓水堆核電機(jī)組中，功率控制采取了一種折中方案，即由冷卻劑溫度、主蒸汽壓力共同承擔(dān)機(jī)組輸出功率的變化。一般來說，核電機(jī)組輸出功率與冷卻劑平均溫度成正比，若要維持主蒸汽壓力恒定，會引起一回路的冷卻劑平均溫度在較大的范圍內(nèi)變化，給一回路的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行帶來較大的負(fù)擔(dān)。因此，核電機(jī)組在運(yùn)行過程中，主蒸汽壓力會根據(jù)反應(yīng)堆功率水平、輸出功率的偏差以及冷卻劑溫度水平在一定范圍（？%）內(nèi)變化。

3.3外特性

核電機(jī)組由于受反應(yīng)堆功率變化速度、循環(huán)冷卻劑溫度的限制，汽輪機(jī)輸出功率的升降速率較低，對于負(fù)荷變化的跟蹤速度慢于火電機(jī)組。主蒸汽壓力是否恒定是造成核電、火電外特性差異的主要因素。在機(jī)組主變高壓母線發(fā)生三相短路故障并在短時(shí)間內(nèi)清除故障的條件下，火電機(jī)組和核電機(jī)組均能夠恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，由于短時(shí)故障期間核電機(jī)組一回路主蒸汽壓力變化細(xì)微，核電與火電表現(xiàn)出相似的故障特性。

4小結(jié)

在核電汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)開發(fā)過程中，借鑒火電汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，但需區(qū)別核電汽輪機(jī)與火電的異同。本文從熱力系統(tǒng)及熱力循環(huán)、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及參數(shù)、運(yùn)行方式對火電與核電汽輪機(jī)差異性進(jìn)行了研究。本項(xiàng)研究為后續(xù)核電汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)開發(fā)提供了汽輪機(jī)熱工控制方面的理論支持和參考。

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