基于AP1000核電廠常規(guī)島的性能試驗研究

楊志行，富學(xué)斌，府冬明，金軼風(fēng)，王寶森，楊光輝

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030)

0 引 言

AP1000核電技術(shù)是中國第三代核電自主技術(shù)，引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新和自主創(chuàng)新，為推進(jìn)中國核電產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平的整體跨越，實現(xiàn)第三代核電AP1000的自主化、批量化建設(shè)打下了堅實的基礎(chǔ)。AP1000核電機(jī)組常規(guī)島是三菱公司和哈電集團(tuán)聯(lián)合生產(chǎn)，由汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組及其有關(guān)二回路和附屬設(shè)備組成。因此，針對首臺核電AP1000機(jī)組通過開展性能試驗，掌握其性能指標(biāo)，對核電機(jī)組的生產(chǎn)管理有重要意義。

該文對AP1000核電機(jī)組常規(guī)島性能試驗方法進(jìn)行了說明，對基于凝結(jié)水流量及給水流量兩種測量方式得出的結(jié)果進(jìn)行對比分析，為核電機(jī)組的性能試驗測試方法的選擇提供參考。

1 性能指標(biāo)的計算方法

1.1 二回路熱力循環(huán)簡介

二回路熱力循環(huán)，是指蒸汽發(fā)生器中二回路的主蒸汽通過主蒸汽管道進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸膨脹做功，做功后的高壓缸排汽通過兩個汽水分離再熱器之后再進(jìn)入3個低壓缸繼續(xù)膨脹做功，汽水分離器高壓缸排汽中的水分，通過兩級再熱器對蒸汽進(jìn)行再熱到過熱狀態(tài)，低壓缸做功的乏汽進(jìn)入主冷凝器進(jìn)行冷凝。最后，通過低壓加熱器、除氧器和高壓加熱器進(jìn)入蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生蒸汽，如此往復(fù)，實現(xiàn)二回路熱力循環(huán)。

1.2 兩種基準(zhǔn)計算方法

目前，國內(nèi)外汽輪機(jī)組的熱力性能試驗，普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)是ASME PTC6—2004《汽輪機(jī)性能試驗規(guī)程》。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，若驗收試驗各方?jīng)]有預(yù)先的書面協(xié)議，機(jī)組性能驗收試驗一般建議首選采用測量主凝結(jié)水流量的全面試驗方法[1]。

由于有時供貨范圍的原因，凝結(jié)水流量噴嘴由汽輪機(jī)生產(chǎn)廠家供貨，給水流量測量裝置由核島供貨商提供。因此，考核汽輪機(jī)性能時，制造廠往往更傾向于采用凝結(jié)水流量作為基準(zhǔn)流量，考核核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)(nuclear steam supply system，NSSS)熱功率時，核島供應(yīng)商更傾向用自己的給水裝置計算?，F(xiàn)將兩種測量方法進(jìn)行比較。

1.2.1 給水流量為基準(zhǔn)的性能計算

給水流量基準(zhǔn)計算是以直接測量的給水流量為基準(zhǔn)來進(jìn)行。

1)汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽流量計算

GT=GFW-GSGB-GLF-GMU

(1)

式中：GT為汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽流量，kg/h ；GFW為給水流量，kg/h；GSGB為連續(xù)排污流量，kg/h；GLF為主蒸汽管線漏泄流量，kg/h；GMU為補(bǔ)水流量(系統(tǒng)不明漏量)，kg/h。

2)NSSS熱功率計算

Pn= (GTHT-GFWHFW+GSGBHSGB)

/3 600 000

(2)

式中：Pn為NSSS(核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng))熱功率，MW；HT為汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽焓，kJ/kg；HFW為給水焓，kJ/kg；HSGB為蒸汽發(fā)生器連續(xù)排污焓，kJ/kg。

3)補(bǔ)水計算

GMU=GMUH+GMUD+GMUF

(3)

式中：GMUH為凝汽器水位變化折算的漏泄流量，kg/h;GMUD為除氧器儲水箱水位變化折算的漏泄流量，kg/h;GMUF為流量計實測的系統(tǒng)補(bǔ)水流量(正常為零)，kg/h。

4)汽輪發(fā)電機(jī)組凈功率的計算

Pnet=Pg-Pexc

(4)

式中：Pg為在發(fā)電機(jī)出線端測的電功率，kW；Pexc為供給靜態(tài)勵磁系統(tǒng)的電功率， kW。

5)出力修正計算

(5)

式中：Co2為主蒸汽濕度修正系數(shù)；Co3為真空修正系數(shù)；Co4為補(bǔ)水率修正系數(shù)；Co5為老化修正系數(shù)；Co6為SG排污率修正系數(shù)；Co，Ф為NSSS熱功率修正系數(shù)。

6)汽輪機(jī)第一級進(jìn)汽壓力修正計算

(6)

式中：p1st,mes為第一級進(jìn)汽壓力測量值，Cp1為主蒸汽壓力修正系數(shù)；Cp2為主蒸汽濕度修正系數(shù)；Cp3為補(bǔ)水率修正系數(shù)；Cp4為SG排污修正系數(shù)；Cp，Ф為NSSS熱功率修正系數(shù)。

7)最終給水溫度修正計算

(7)

式中：TFW,mes為最終給水溫度測量值；Cf1為主蒸汽壓力修正系數(shù)；Cf2為主蒸汽濕度修正系數(shù)；Cf3為補(bǔ)水率修正系數(shù)；Cf4為SG排污修正系數(shù)；Cf,Ф為NSSS熱功率修正系數(shù)。

8)試驗熱耗率(HR)計算

(8)

9)修正熱耗率(HRcor)計算

(9)

式中各修正系數(shù)的數(shù)量和種類，由汽輪機(jī)組供應(yīng)商的承包范圍大小決定。當(dāng)設(shè)備不是汽輪機(jī)組供應(yīng)商供貨，其性能試驗時就會要求對相應(yīng)設(shè)備的對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修正,例如加熱器需要對其抽汽壓損和端差進(jìn)行修正。

1.2.2 凝結(jié)水為基準(zhǔn)計算

凝結(jié)水量計算基準(zhǔn)是以凝結(jié)水測量為基準(zhǔn)，推算給水流量，如圖1所示，計算式各量含義見表1，其他性能指標(biāo)的計算方法同式(1)～(9)一致。

圖1 用凝結(jié)水流量推算給水流Fig.1 Calculation of feed water flow with condensate flow

表1 計算用量定義Table 1 Definition of calculation quantities

1)除氧器的質(zhì)量平衡

GCE=GC+GEXT+GMSD+GHPD+GMUD

(10)

凝結(jié)水流量采用噴嘴測量，濕氣分離器疏水流量和高加疏水流量采用孔板測量。而除氧器抽汽為濕蒸汽，不能直接進(jìn)行測量，而是需要通過除氧器的能量平衡計算得出。

2)除氧器的能量平衡

GCEHCE=GCHC+GEXTHEXT+

GMSDHMSD+GHPDHHPD+GMUDHCE

(11)

3)至蒸發(fā)器的給水流量

GFW=GCE+GFPI-GFPE

(12)

以凝結(jié)水為基準(zhǔn)的計算方法與以給水流量為基準(zhǔn)的計算方法有所不同。

1.3 兩種基準(zhǔn)計算方法比較

從凝結(jié)水為基準(zhǔn)的計算中可以看出，以凝結(jié)水流量推算給水流量，比直接測量給水流量需要用到一些輔助流量的測量(用孔板)，還需要測量一些介質(zhì)的壓力、溫度來計算其焓值，還有一些小流量需要用設(shè)計值，由此勢必將增大結(jié)果的不確定度。

凝結(jié)水流量基準(zhǔn)使用的測點要比給水基準(zhǔn)的多，因此其試驗成本要高于給水流量基準(zhǔn)的成本，計算過程也比給水流量基準(zhǔn)的繁瑣，如果設(shè)計有檢查孔，能夠在試驗前、后進(jìn)行檢查確認(rèn)流量元件沒有明顯的或可測出的變化(安裝前進(jìn)行校驗)，其獲得的給水流量不確定度優(yōu)于采用凝結(jié)水流量推算的給水流量[2-3]。因此，機(jī)組檢修前、后的性能試驗使用給水基準(zhǔn)既經(jīng)濟(jì)又方便。

ASME PTC6—2004中推薦的是使用低β值喉部取壓噴嘴，文中汽輪機(jī)組制造商使用的是ASME PTC6—2004推薦的噴嘴測量凝結(jié)水流量來推算結(jié)果，核島制造商是使用本國生產(chǎn)的超聲波流量計直接測量給水流量[4-5]。給水流量和凝結(jié)水流量測量設(shè)備來自不同的制造商，進(jìn)行機(jī)組考核試驗時，主流量基準(zhǔn)不能取得一致時，通常多按照各自的流量測量設(shè)備分別試驗，下面就兩種基準(zhǔn)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。無論采取哪種主流量為基準(zhǔn)計算機(jī)組的性能指標(biāo)，其主要因素都集中在邊界條件修正上面。作為核島的制造商希望自己測量出來的給水流量更靠近或超過設(shè)計值，以便能達(dá)到NSSS熱功率設(shè)計目標(biāo)；而常規(guī)島汽輪機(jī)組的制造商則更希望凝結(jié)水推測出的給水流量距離設(shè)計值有一段偏差，以便能有更大的修正空間，來達(dá)到汽輪機(jī)組的設(shè)計出力。

2 機(jī)組性能分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)分析

性能試驗在額定工況下進(jìn)行，試驗進(jìn)行兩次，一次正式試驗(test1)，一次重復(fù)性試驗(test2)。主要試驗數(shù)據(jù)及各修正參數(shù)對熱耗率的影響結(jié)果見表2、表3。

表2 試驗主要數(shù)據(jù)Table 2 Main test data

從表2中可以看出，兩次額定工況性能試驗的主要數(shù)據(jù)偏差較小，由于海水溫度等客觀原因引起機(jī)組真空與設(shè)計值之間有1.8～2.0 kPa的偏差，是導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出口功率的實際值與設(shè)計值偏差20 MW的主要原因。

表3中數(shù)據(jù)，機(jī)組試驗真空比設(shè)計真空高1.827 kPa，使機(jī)組熱耗率升高195.427 kJ/(kW·h)。NSSS熱功率3 401.793 MW，比設(shè)計值3 415 MW低13.207 MW，使機(jī)組熱耗率升高42.24 kJ/(kW·h)。從表3中可以看出，機(jī)組真空和NSSS熱功率偏差是影響機(jī)組熱耗率升高的主要原因。

表3 各修正參數(shù)對熱耗率的影響Table 3 Influence of correction parameters on heat rate

2.2 試驗結(jié)果

以凝結(jié)水流量基準(zhǔn)和給水流量基準(zhǔn)進(jìn)行試驗測量，分別對機(jī)組進(jìn)行額定工況出力、SCR工況的出力、第一級進(jìn)汽壓力、最終給水溫度四項測試，其兩組性能指標(biāo)見表4、表5 。

表4是以凝結(jié)水流量為基準(zhǔn)計算機(jī)組各性能指標(biāo)。

表4 凝結(jié)水流量基準(zhǔn)計算結(jié)果Table 4 Calculation results of condensate flow benchmark

表5是以給水流量為基準(zhǔn)計算機(jī)組各性能指標(biāo)。

表5 給水流量基準(zhǔn)計算結(jié)果Table 5 Calculation results of feedwater flow benchmark

從表4和表5中可以看出，兩種基準(zhǔn)的各性能指標(biāo)修正后均優(yōu)于保證值。

在凝結(jié)水流量基準(zhǔn)下test1和test2的額定工況修正后出力偏差為0.11%，在給水流量基準(zhǔn)下test1和test2的額定工況修正后出力偏差為0.08%，根據(jù)ASME PTC6—2004中規(guī)定，重復(fù)性試驗結(jié)果在0.25%的偏差內(nèi)，就算兩次試驗合格，因此，兩種基準(zhǔn)試驗均合格。另外，test1中凝結(jié)水流量基準(zhǔn)和給水流量基準(zhǔn)的額定工況修正后出力偏差為0.22%，test2兩個基準(zhǔn)的額定工況修正后出力偏差為0.24%?？梢钥闯?，對本試驗樣本來說，即使不同的主流量基準(zhǔn)計算出的偏差也比較小，說明兩個基準(zhǔn)的計算結(jié)果的準(zhǔn)確度較好。

2.3 試驗熱耗率

不同主流量計算基準(zhǔn)下的機(jī)組熱耗率如圖2、圖3所示。

圖2 凝結(jié)水基準(zhǔn)的熱耗率Fig.2 The heat rate of condensate benchmark

圖2和圖3均表示在試驗工況下和修正后的機(jī)組熱耗率的比較。從兩圖中可以看出，test1和test2在試驗工況下的熱耗率均高于設(shè)計值，主要是因為其試驗時的邊界條件與設(shè)計值的邊界條件有一定偏差，通過邊界條件修正后的熱耗率在設(shè)計范圍內(nèi)。

圖3 給水基準(zhǔn)的熱耗率Fig.3 The heat rate of feedwater benchmark

3 結(jié) 語

1)針對AP1000核電廠汽輪機(jī)組說明在凝結(jié)水流量和給水流量為基準(zhǔn)的情況下的性能試驗方法，并首次采用此試驗方法測試計算得到合理的試驗結(jié)果，其對以后核電汽輪機(jī)組的設(shè)計和改造具有很好的借鑒作用。

2)對AP1000核電廠汽輪機(jī)組性能指標(biāo)進(jìn)行計算和分析，為以后生產(chǎn)管理提供依據(jù)。

3)從經(jīng)濟(jì)和工程實際兩個角度考慮，進(jìn)行汽輪機(jī)組考核試驗時，采用凝結(jié)水流量作為主流量來計算；進(jìn)行汽輪機(jī)組檢修前、后試驗時，采用給水流量作為主流量來計算。