核电站凝结水精处理系统无阀旁路的设计特点

王正平，王建华

(中国华电工程(集团)有限公司，北京 100035)

0 引言

在火力发电厂或核电站中，各大型设备均围绕热力系统中的水和蒸汽的相互转换来实现电站的发电功能。凝结水精处理系统用于汽轮机做功后的蒸汽被冷凝后水质的处理，它被直接设置于主凝结水的管路之中，从而对电站凝结水精处理系统设计和运行提出了更高的要求。当充分认证了核电运行的一切安全因素后，核电站将不会因为天灾或人祸而饱受诟病，它将作为一种清洁能源被人类广泛地应用。

1 常规凝结水精处理系统流程

电站汽轮机排出的蒸汽凝结成水后，由主凝结水泵输送返还至热力系统的低压加热器，凝结水精处理系统设置在主凝结水泵和升压泵之间。

在火电机组中，常规的凝结水精处理系统流程设置如图1所示。凝结水由主凝结水泵送出后，若需要进行处理，则关闭旁路中设置的旁路阀，水流被迫进入凝结水精处理装置，净化处理后再流向低压加热器。当旁路阀再次被打开时，水流则用直流方式由旁路直接流向低压加热器，而不经过凝结水精处理装置。

图1 常规的凝结水精处理系统流程图

图2给出的是核电站二回路凝结水精处理系统的典型设计。凝结水由主凝结水泵送出后，直接通过旁路(没有旁路阀或其他设备设置)流向低压加热器;而当需要对凝结水进行处理时，则启动凝结水精处理系统的升压泵，水流则通过凝结水精处理装置后再流向低压加热器，以达到凝结水水质净化之目的。

图2 凝结水精处理系统无阀旁路流程图

2 无阀旁路与常规旁路的设计特点

在凝结水精处理的常规设计中，旁路上设置有可自动控制的旁路阀，利用阀门的关断功能切断凝结水经过旁路的通道，迫使其流向凝结水精处理装置，而凝结水流经精处理装置消耗的过程阻力则来自主凝结水泵。

在核电站的典型设计中，二回路凝结水精处理系统的旁路没有任何其他设备或部件设计，在凝结水精处理装置的终端串联有升压泵，当需要对凝结水进行处理时，只有启动升压泵，方可使凝结水得以进化处理。

从直观上看，在凝结水精处理的常规设计中，系统的控制仅需通过阀门的切换来完成，流程比较简单。而在核电站的典型设计中，则改阀门控制为动力设备控制，虽然稍显复杂，但就是这样微小的差别，却带来了机组安全系数的大幅提升。在有阀旁路系统中，由于旁路阀参与了程控，需要增设检修维护所需的隔断和旁路设备，这些设备或连接用部件将在机组主管路中大幅增加漏点或故障点，从而给整个机组的运行留下安全隐患。同时，在旁路阀与精处理装置运行或切换过程中，经常存在不确定因素造成的凝结水断流现象，会对机组造成更大的危害。我国西北地区某电厂的1台亚临界机组在试运行期间，曾因精处理系统未投运而出现旁路阀自动关闭，从而使机组断流而被迫停机。

在无阀旁路系统中，凝结水精处理装置与升压阀组成的系统外挂于二回路主凝结水管路上，从而最大程度地简化了包含无阀旁路的主凝结水管路，减少了机组故障率，保证了机组的安全运行。

在运行方式上，常规有阀旁路的设计主要是通过旁路阀开度的控制，以达到控制精处理系统处理水量之目的;而核电站无阀旁路则是通过对升压泵出力的控制来达到这一目的。

3 无阀旁路应用机制及关键设备的选择

3.1 关于水体流动的特性

水体的流动总是遵循势能高点流向势能低点的原则，在流动过程中，水体会因过程阻力消耗一部分势能。对于带压水源的设备或系统来说，水流则遵循由高压端流向低压端的原则。

3.2 从压力的角度剖析凝结水精处理系统的机制

由于系统阻力(水流通过精处理系统产生的压降)以及升压泵的扬程远大于管路的阻力，所以，可把无阀旁路、旁路与精处理装置进口交界处到精处理装置的入口、精处理装置的出口到升压泵的入口、升压泵的出口至旁路与升压泵出口管道交界处的阻力忽略或假设为0。在此基础上，设定无阀旁路与精处理装置进口交界处的压力为p1，则旁路下游与凝升泵出口交界处的压力即为升压泵的出口压力，设定为p3，精处理装置出口至升压泵入口端的压力为p2，凝结水通过精处理装置产生的阻力(运行压降)为pJ，水泵扬程为h。

当需要进行凝结水处理时，升压泵启动，无阀旁路下游与升压泵交界处的瞬间压力为

此时，对于整个系统来说，压力低点是升压泵入口，遵循水流往低压点流向的原则，精处理装置及其进口端和无阀旁路交界处以及远端上游的水流“被迫”逐级流向该点“平衡压力”，再经升压泵送出至p3点并源源不断地被送出。此时，式(2)成立

将式(2)代入式(1)后，等式p3=p1+h－pJ成立。

(1)由此产生了升压泵扬程的选型原则。凝结水全部经过精处理，则必须p3=p1或p3＞p1，由等式p3=p1+h－pJ得出，h=pJ或h＞pJ，也就是升压泵的扬程必须大于或等于精处理装置的运行压降。

(2)当升压泵的扬程h选定为大于或等于精处理装置的运行压降时，即h≥pJ，那么，p3≥p1，即无阀旁路下游的压力大于或等于无阀旁路上游的压力。其意义在于，在升压泵启动的情况下，无阀旁路上游的水流不会通过无阀旁路流向下游。需要注意的是，升压泵的出力和扬程要与系统流量及系统阻力相匹配，以便在p3＞p1时，通过旁路回流水量的调整，完成系统压力的平衡，将整个凝结水管路压力的提升控制在可忽略的范围内。

当只需对系统进行部分水量的处理时，只要按照对应流量选择升压泵的出力就可达到处理所需流量的目的。其机制是:由于升压泵的启动，升压泵的入口p2处因压力降低导致p1点的水流回填，形成了凝结水在精处理系统的流量(其流量等于升压泵的出力)。与全量处理时情况相同，虽然在升压泵启动瞬间p3＞p1，由于此时的精处理水量低于机组设计的额定工况下的水量(一般为半量)，升压泵启动时的出口压力p3很容易被机组平衡，p3点压力会在瞬间传向p1点和精处理的下游(低压加热器)。由于p3点对p1点的压力优势，机组另一半水量就不能由p1点通过旁路汇集至p3流向下游，这就引起主凝结水泵出口压力的提升。当这种压力传导至p1点并使其克服了p3的压力后，剩余的另一半水量则由旁路汇集至p3并流向下游，从而满足了机组半量处理运行方式的要求。当然，升压泵运行时对机组或系统压力的提升完全在系统设计考虑之内。

3.3 从压力的角度分析无阀旁路的运行机制

从压力角度分析了无阀旁路的运行机制后，有必要从流量的角度对凝结水精处理系统进行分析，以便对无阀旁路的系统及运行方式有一个正确的认识。

当升压泵未启动时，凝结水精处理装置不会形成水流，因为凝结水通过无阀旁路的直流进入下级系统或设备，除非无阀旁路的阻力大于或等于精处理系统的阻力(如果无阀旁路变更为常规火电机组中的有阀旁路，通过旁路阀控制该旁路的阻力或干脆用阀门隔断，这是能够达到的)。当升压泵启动后，系统中凝结水的流向符合以上压力原理分析中的情况，其流量情况符合物质不灭定律，即主凝结水泵出口总流量qVz=流经旁路的水量qV1+流经凝结水精处理装置的水量qV2(升压泵的出力)=去低压加热器的水量qV′。对于全量处理的系统来说，升压泵的流量设计为1.05qV。所以，此时旁路的流量qV1=－0.05qV，即有5%凝结水量的回流以保证凝结水得到全部处理，其设计理念是:在采用杂质离子含量很高的海水冷却时，避免因凝汽器发生泄漏而导致冷却用海水中的杂质离子直接由旁路泄漏至蒸发器。对于只进行凝结水半量处理的机组来说，其设计理念是:凝汽器几乎可做到不发生泄漏，或者所采用冷却水中的杂质离子含量较低(比如淡水冷却)，而机组凝结水量又较为庞大，这样，即使发生凝汽器泄漏，只需对泄漏有冷却水的凝结水进行一半量的处理，就可满足机组的运行要求，既简化了系统，又节约了运行成本(人工、加药、节能等)。此时，qV=2qV1=2qV2=qV′。该等式的含义是:在主凝结水泵的出水中，一半经过无阀旁路、一半经过凝结水精处理装置进行净化处理，二者混合后送至低压加热器。当然，在设计时也可以考虑 qV2=1/2×qV×1.05。但此时从旁路直接流过的水量应为qV1=1/2×qV×0.95。同理，当通过控制水泵或相关设备使升压泵的流量为某个数值qVm时，通过无阀旁路的水量为qV1=qV－qV2=qV－qVm，此时，已经没有回流的概念了。该式的含义是:当升压泵的水量控制为一定量(qV)时，凝结水泵出水的一部分(qVm)首先被分配给精处理装置，剩余的水量(qV－qVm)则由旁路通过，然后混合进入下游设备。也就是说，在无阀旁路中，系统水量的分配是由精处理系统中的设备控制或决定的，当再次人为控制水量qVm′时，经过无阀旁路的水量仍然为qV1=qV－qVm′。需要指出的是，无阀旁路本身是不能控制流量变化的。

4 结束语

无阀旁路的设计打破了国内火电机组凝结水精处理系统传统的设计理念，虽然它不能很快被所有人理解和接受，但它的安全设计理念不能不让人们有所触动。目前，无阀旁路的设计已应用于国内百万千瓦级核电机组的首套国产化凝结水精处理系统中，取得了较好的效果。

［1］沈建永，王正平，胡建国.离子交换设备在核电站凝结水精处理系统中的应用［J］.华电技术，2008，30(8):73－74.

［2］范晔晖.凝结水精处理系统改造［J］.华电技术，2010，32(1):8－9.