CPR1000核電機組低功率平臺汽輪機高中壓缸冷卻方案探索

蔣磊 魏彤路 志林 尹龍江 孫安

摘 要

根據CPR1000核電機組大修期間高中壓缸冷卻方式和溫度曲線，對降功率期間各階段高壓缸降溫數據進行了統計分析，并分析了中壓缸溫度對高壓缸的影響，提出了通過降低降功率速率以增加低功率平臺停留時間，期間同時隔離GSS二級加熱器，從而加快高中壓缸冷卻速度。

關鍵詞

核電;低功率平臺;汽輪機;高中壓缸冷卻

中圖分類號： TM621 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 08

Abstract

According to the cooling mode and temperature cure of high-mid pressure cylinder during overhaul of CPR1000 nuclear power unit， the data of cooling temperature of high pressure cylinder during the period of power reduction is statistically analyzed， and the influence of medium pressure cylinder is analyzed. It is proposed to increase the residence time of the low power platform by reducing the power reduction rate， and isolate the GSS secondary heater at the same time， so as to accelerate the cooling rate of high-mid pressure cylinder.

Key words

Nuclear power unit; Low power platform; Steam turbine; High-mid cylinder cooling

0 概述

紅沿河核電廠一期工程采用中國自主知識產權的CPR1000核電技術，建設4臺百萬千瓦級機組。紅沿河汽輪機采用飽和蒸汽、單軸、四缸、六排汽、中間再熱、沖動凝氣式半轉速汽輪機，有一個高中壓合缸（HIP）和三個雙流道、雙排汽低壓缸（LP）組成。HIP缸為低合金鋼鑄造汽缸，整個汽缸由高壓、中壓兩段且水平中分的4部分組成，高壓段和中壓段的垂直結合面用螺栓聯接并在外層用密封焊，汽缸水平結合面法蘭采用螺栓聯接。高壓缸通過四根導汽管與高壓汽室連接，上下各兩根，高壓缸端部上下各兩根排汽管將蒸汽送入汽水分離再熱器中，再熱蒸汽經過加熱除濕分別從上下各兩根導汽管進入中壓缸汽室。高壓缸共9級，第4、6級設置有抽汽，中壓缸工4級，第2級設置有抽汽。

1 現行冷卻方式分析

目前紅沿河核電廠采用正常停機解列后，汽輪機保持1500rpm的轉速進行空載3.5H或缸溫到達165℃后打閘，在汽輪機空載冷卻期間，監控高壓缸和中壓缸的進汽參數，隔離GSS二級再熱器，以調節和降低高壓缸和中壓缸進汽參數，打閘后自然冷卻至120℃。

紅沿河核電近三輪大修，分別為常規島開高中壓缸抽發電機轉子、開低缸抽發電機轉子、不開缸大修，常規島已成為整個大修的關鍵路徑，這三輪大修常規島的主關鍵路徑為主機發電機和油系統檢修，均受到高中壓缸冷卻至120℃時間限制，從解列至120℃分別所需時間為68.4H、60.4H、54.4H，全部占用常規島關鍵路徑時間。通過實時信息監控系統調取相關參數繪制某大修正常停機高中壓缸冷卻曲線，如下圖1。解列后增加空載時間，此時進入缸內的蒸汽參數降低，蒸汽流通加快缸溫冷卻速度1，在打閘之后，無蒸汽流通，缸溫降速明顯降低。大修按解列開始計算大修工期，因此空載冷卻時間同時占用常規島、核島關鍵路徑工期。

2 冷卻原理簡析

由圖1可以看出，隨著機組降功率，GRE調閥逐漸關小，VVP蒸汽經過GRE調閥的節流作用，進入高壓缸的蒸汽溫度壓力隨負荷逐漸下降，高中壓缸的缸體溫度在降溫蒸汽的對流傳熱作用下，快速冷卻。而在打閘之后，沒有蒸汽進入缸內，缸的冷卻僅只能空氣自然對流冷卻。

根據傳熱公式：Q=αAΔT（Q：傳熱速率，α：傳熱系數，A：傳熱面積，ΔT：溫差）

在打閘前，為水蒸氣對流冷卻，打閘后，空氣自然對流冷卻。對流傳熱時傳熱系數為水蒸氣α為5000-15000，ΔT約為20;熱傳導時傳熱系數為空氣自熱對流α為5-25，ΔT約為150;因此，打閘前空載和降功率期間降溫較快。

3 冷卻數據分析

3.1 溫度探頭數據偏差分析

紅沿河電廠大修時高壓缸冷卻缸溫參考溫度為GME021/022/023/024MT四個探頭所顯示溫度最高值，其中GME021/022MT為高壓缸入口截面的左右兩個探頭，其數值送至P320系統參與缸溫判斷，通訊有±2℃死區，不是連續變化，溫度顯示有延遲。GME023/024MT為高壓缸下、上兩個探頭，數值顯示值為連續值，上部GME024MT探頭溫度高于下部GME022MT溫度，如下圖2。主要由于高壓缸下部存在抽汽管道，熱容小，散熱面積大，同時飽和蒸汽冷凝水下流至下部，致使下缸溫度低于上缸2。

3.2 單次大修缸溫冷卻數據分析

經分析多輪次大修探頭溫度曲線，各溫度探頭曲線與圖2基本保持一致，在高壓缸冷卻階段的兩個重要節點150℃和120℃的參考溫度主要來源于GME024MT。因此，采集某次大修GME024MT數據進行分析，繪制溫度曲線和降溫速率曲線，如下圖3。

圖3水平軸為時間軸，可以看出，降溫速率在降功率過程中逐漸加快，期間有一定幅度的波動，但均保持較高水平的降溫速率。從降功率開始至50%功率平臺降溫速率逐漸提升至23.7℃/H，在50%功率平臺停留期間降溫速率快速將至12℃/H，在繼續降功率后，降溫速率逐漸提升至28.4℃/H，在27%功率平臺停留期間降溫速率迅速降低至4℃/H，在27%功率平臺至解列期間，降溫速率提升至39℃/H，此時功率約為16%，此后降溫速率開始下滑至解列時的13℃/H，空載冷卻期間逐漸下滑至打閘時的2℃/H，此后缸溫進行自然冷卻，降溫速率在1至0.5℃/H區間。在降功率期間的降溫速率及效果明顯好于空載冷卻。

3.3 降功率各階段缸溫冷卻數據統計分析

根據降功率曲線，將開始降功率至打閘分為降功率至50%Pn、50%Pn平臺、50%pn至27%Pn、27%Pn平臺、27%Pn至解列、空載冷卻等6個階段，對該6個階段降溫效果、停留時間進行統計，并計算各平臺平均降溫速率。根據前文分析，GME021/022MT顯示有死區和延遲，因此溫度探頭數據采集GME023/024MT，取其平均值。如上表1。

根據上表可以統計分析，在50%pn至27%Pn、27%Pn至解列兩個階段降溫速率最高，降溫效果最好，空載冷卻的降溫速率低于降功率期間的降溫速率，因此，通過降低降功率速率，增加在50%pn至27%Pn、27%Pn至解列兩個階段的停留時間，已達到快速降低缸溫的目的。

CPR1000型核電機組，采用飽和蒸汽做功發電，因此在進入高中壓缸內的蒸汽按飽和蒸汽計算，對輪次大修進缸蒸汽壓力、缸體溫度進行統計，獲得各階段結束時的統計平均值，根據蒸汽壓力可以查得各階段蒸汽溫度，與缸的平均溫度對比，溫差作為缸體降溫的動力，其值的變化與降溫速率基本一致。由于空載期間GRE調閥開度很小，雖溫差大，進入缸內的蒸汽大幅減少，造成冷卻速率不及降功率期間的速率。

3.4 GSS對缸溫冷卻影響分析

在降功率期間，高壓缸排氣經過GSS汽水分離再熱器兩級加熱后進入中壓缸，其一次加熱器的熱源來自高壓缸第四級抽汽，二級加熱器的熱源來自VVP管道的新蒸汽，由于高中壓缸采用合缸，因此，中壓缸的溫度對高壓缸溫度也有一定影響，調取中壓缸溫度探頭GME033/034MT（上、下）參數繪制降功率曲線，如下圖4。

由下圖4可以看出，在降功率期間，高壓缸降溫的主要動力為進入高壓缸的低參數蒸汽。

根據CPR1000型核電機組的運行要求：GSS汽水分離再熱器不允許單獨隔離一列再熱器;同一再熱器所屬的新蒸汽再熱器或抽汽再熱器應同時隔離;新蒸汽再熱器被隔離時累計運行時間不超過一年;在機組穩定時進行再熱器隔離操作。

因此，為減小中壓缸溫度對高壓缸降溫起負效應，可在機組穩定在50%Pn平臺或27%Pn平臺隔離GSS二級加熱器（新蒸汽加熱器）。

4 冷卻方案探索

以目前某次大修為例，降功率圖如5，降功率至解列期間降功率速率不超過3MW/min，在50%Pn平臺停留約15min，27%Pn停留約45min，在50%及以下平臺停留計劃時間4H，根據表1統計，實際在50%Pn平臺及以下平均停留時間3.24H。

根據前文分析，降溫速率在降功率過程中逐漸加快，期間有一定幅度的波動，在50%Pn平臺、27%Pn平臺停留期間高壓缸降溫速率逐漸降低，在16%Pn左右降溫速率達到最大，此后開始下滑。根據各階段降溫數據分析在50%Pn至27%Pn、27%Pn至解列兩個階段降溫速率最高，降溫效果最好。而中壓缸溫度對高壓缸降溫起負效應，因此可以選擇隔離二級加熱器。

因此，總結以上分析結果，可制定如下冷卻方案：

（1）開始降功率至50%Pn期間，按計劃速率不超過3MW/min進行降功率。

（2）在50%平臺停留30min，在停留期間，隔離GSS二級加熱器。

（3）50%Pn以下降功率速率降低至1.5-2MW/min，最高不超過2MW/min。

（4）在27%Pn平臺計劃停留45min，如該平臺工作結束立即繼續降功率。

（5）在27%Pn功率至解列期間速率可適時降至1.5MW/min。

（6）以此可增加在50%Pn以下降功率時間約2H，累計計劃停留時間6H。

根據前文分析，低功率降溫速率明顯高于空載冷卻期間的速率，以空載冷卻平均降溫速率8.09℃/H計算，低功率平臺增加2H后，高壓缸溫度至少增加16℃，可減少打閘后高壓缸冷卻時間16H，同時可增加2H的低功率期間的發電量。

參考文獻

[1]彭展業，等.核電站汽輪機高中壓缸的缸溫加速冷卻方法[J].

[2]李志翔.淺析汽輪機高中壓缸溫差大原因[J].2007.