核电凝汽器抽真空设备的选型与配置

鲍旭东

(中核核电运行管理有限公司， 浙江海盐 314300)



核电凝汽器抽真空设备的选型与配置

鲍旭东

(中核核电运行管理有限公司， 浙江海盐 314300)

介绍了某1089MW核电机组凝汽器抽真空设备的选型、配置方案优选和应用效果。分析了水环真空泵加装大气喷射器的必要性和凝汽器真空设备方案优选的影响因素，给出了凝汽器抽真空设备的设计要求和3×100%、3×50%与3×75%容量的抽真空设备的配置方案。分析结果和应用效果均表明：3×75%容量的选型方案相对经济合理。

核电凝汽器； 水环真空泵； 设备选型； 工程应用

核电站常规岛凝汽器抽真空系统的功能是在机组启动前，将凝汽器及其相关设备和汽水管路中的空气抽出，为冲转汽轮机创造条件；在机组正常运行期间，将凝汽器空冷区中不凝结气体抽出，改善管束的传热效果，维持凝汽器设计真空，以保证汽轮机运行的经济性。凝汽器抽真空设备是保证核电汽轮发电机组安全和经济运行的重要设备。按照常规岛设计要求，抽真空设备的运行性能要满足汽轮机在各种负荷工况下抽出凝汽器内的空气及不凝结气体的需要，而且在机组启动前可将凝汽器的真空度提高到一定程度，并且抽真空时间能够满足机组启动要求。在机组正常运行中，若抽气设备不能及时将凝汽器中积聚的空气抽出，会使管束传热恶化，凝汽器真空下降，机组的热耗率增大。若发生抽真空设备故障引发凝汽器真空急剧下降，会造成汽轮机低压缸的排汽温度快速上升，易发生汽轮发电机组振动、动静部件碰摩等设备故障。

笔者针对某1089MW核电机组进行凝汽器抽真空设备选型，论证了采用水环真空泵的依据，并阐述了该核电机组加装水环真空泵大气喷射器的必要性。通过多个方案的比较，找到既经济又满足机组要求的选型方案。

1 凝汽器抽真空设备的选型

1.1凝汽器抽真空设备的类型

电站凝汽器抽真空设备主要有机械式(如水环真空泵)和射流式(如射水式和射汽式)抽气器两类。早期在国内电厂小型机组中几乎都采用射流式抽气器，而现在300MW以上汽轮发电机组配套设计中都选用了机械水环真空泵。从抽真空设备运行特性上看，机械水环真空泵在低真空下的抽吸能力较额定工况大得多，机组启动前建立真空所需时间远少于使用射流式抽气器所需的时间。在设计工况下机械水环真空泵维持高真空的抽吸空气量也远远大于射流式抽气器，因此机械水环真空泵运行特性更适应电站凝汽器运行工况变化的要求。火电和核电站的实际应用都已证明机械水环真空泵的设备设计和制造技术是成熟的，运行是安全可靠的。

1.2水环真空泵的机组特点

水环真空泵示意图见图1。水环真空泵体中装有适量的水作为工作液；叶轮与泵体呈偏心位置，两端由侧盖封住，侧盖端面上开有吸气口和排气口，分别与泵的入口和出口相通。当叶轮旋转时，水在离心力的作用下被叶轮抛向四周，在泵体内部和叶轮之间形成一个旋转的、近似于等厚度的封闭水环，此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成叶片数目相等的若干个互不相通的封闭小腔。在叶轮的前半转(吸入侧)，小腔的容积逐渐增大，气体经吸气口被吸入到小腔中；在叶轮的后半转(排出侧)，小腔容积逐渐减小，气体被压缩，压力升高，然后经排气口排出。可见水环真空泵是靠泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气的，属于变容式真空泵。在泵体中的工作液体除传递能量作用外，还起密封工作腔和冷却气体的作用。

水环真空泵加装大气喷射器示意图见图2。大气喷射器安装在水环真空泵的入口管段上，是利用真空泵负压与大气压形成压差而产生空气射流，大气喷射器可以获得比真空泵更低的抽吸压力。启动水环真空泵，此时大气喷射器的旁路阀打开，入口阀关闭，从凝汽器来的气体经过旁路阀被真空泵抽出。当真空抽到一定值时，打开大气喷射器的入口阀，旁路阀关闭，在大气压力作用下空气从喷嘴进入，经喷嘴收缩得到加速，形成高速喷射流，在混合室形成高真空，将凝汽器来的被抽气体吸入混合室内。混合气体进入扩压管后速度降低，压力升高，最后达到大气喷射器排气压力，即水环真空泵吸气压力，再由水环真空泵把气体吸入，排出泵外。

水环真空泵的制造技术经过多年的发展和改进，其设计已更为合理，更能适应电站凝汽器运行工况变化的要求。对于电动机驱动的机械式水环真空泵组通过简单的仪表控制就可实现泵组的自动化控制，可主控室远方遥控，可自动联锁启动，运行操作简单，提高了抽真空系统运行的可靠性和自动化程度。

1.3水环真空泵加装大气喷射器的必要性

水环真空泵用水作为工作介质，当真空泵吸入区域的绝对压力接近水温对应的饱和蒸汽压时, 水将出现汽化，此时在吸入区域会产生大量的气泡, 当进入封闭小腔内的压缩过渡区域, 水中气泡被压缩会发生破裂，气泡的破裂会对叶轮金属表面产生汽蚀损坏。水环真空泵的汽蚀损坏和离心式水泵的汽蚀损坏原理是一样的，如果水环真空泵长时间处于汽蚀状态运行，在气泡产生和破裂的部位，金属表面会出现点蚀，造成叶轮出现蜂窝状或裂纹损坏，需要对叶轮进行维修或更换。同时，当真空泵的工作介质发生严重汽化时，汽蚀会导致水环真空泵噪声剧增和发生振动故障。如果气体充满叶轮流道，还会造成真空泵的抽气能力明显下降，进而导致凝汽器的真空不能达到设计要求。

依据文献[1]要求，电站抽真空设备的设计压力为3.38kPa，或者为凝汽器设计压力，但还需综合考虑在各种工况下凝汽器运行可能达到的真空度，来选择确定抽真空设备的设计压力值。为了防止水环真空泵发生汽蚀，运行中要求水环真空泵抽气口处压力必须比工作水温对应的饱和压力高。同时为了保证从凝汽器抽取一定量的气汽混合物，还需考虑凝汽器汽阻和从凝汽器到真空泵抽气口处的压降，因此水环真空泵抽气口处压力要比凝汽器压力略低一些。以某核电厂1089MW核电机组常规岛设计为例，凝汽器设计工况压力为5.1kPa，夏季工况压力为8.1kPa，闭式冷却水的设计温度为25℃(最高温度为38℃)。假设水环真空泵设计压力按标准取3.38kPa，其对应的饱和温度为26.1℃，若此时闭式冷却水设计温度为25℃，因为换热器存在传热端差约2K，则水环真空泵组内部工作液的温度约为27℃，所以在3.38kPa压力下工作，水环真空泵会出现汽蚀；或者以凝汽器压力为设计值来考虑，因从凝汽器到抽真空设备入口处管道存在压降，在夏季工况时，水环真空泵吸入口压力应低于凝汽器设计压力8.1kPa(其对应的饱和温度为41.77℃)，而此时闭式冷却水温度为38℃，则工作液的温度约为40℃，接近41.77℃，因而此工况点下水环真空泵运行极易产生汽蚀。

为避免水环真空泵在上述状态下运行，最佳的方案是水环真空泵加装大气喷射器。加装大气喷射器后，水环真空泵的抽吸压力在12kPa以上，此抽吸压力对应的饱和温度约为50℃以上，这样水环真空泵在各种工况下，工作液温度都会低于抽吸压力所对应的饱和温度，且有一定的裕量，可以完全避免汽蚀现象的产生而轻易达到凝汽器要求的抽吸压力。当然由于投入大气喷射器运行，会增加真空泵泵组的功耗，引起电动机输出的轴功率升高，但相对而言增加了大气喷射器后，泵组更能适应电站凝汽器抽真空设备运行特性要求，还有利于泵组降低噪声，改善振动，并完全避免了汽蚀对泵的危害，因此水环真空泵增设大气喷射器是利大于弊。

2 凝汽器抽真空设备配置方案优选

2.1设计要求

该机组的凝汽器设备为单背压、双壳体、单流程结构，采用海水直接冷却。凝汽器设计工况压力为5.1kPa (在海水平均温度19.4℃时)，夏季工况压力为8.1kPa。汽轮机最大连续工况(TMCR)时凝汽器接受排汽量为2953.99t/h，阀门全开工况(VWO)时排汽量为3033.79t/h。设备设计规范书要求凝汽器抽真空设备的选型要符合HEI标准的相关要求。根据该机组汽轮机和凝汽器设备在TMCR工况下的设计参数，在HEI标准条件下，即在压力3.38kPa、温度22℃时，确定凝汽器抽真空设备的抽干空气能力为82kg/h，同时还需考虑抽出水蒸气量为180kg/h，所以机组在运行时，从凝汽器中抽出的是空气与水蒸气的混合物，总量为262kg/h。HEI标准还要求机组启动前凝汽器抽真空设备全部投入时，从大气压力抽至33.86kPa时的抽空时间不大于30min。设计院在设备规范书中提出单台抽真空设备的抽气量要达到100%能力的要求，即每台机组抽真空设备配置要求为3×100%设计。

对于抽真空设备的冷却水水源设计问题，若选择开式循环水(海水)作为设备冷却水，由于某核电厂工程厂址的海水中泥沙含量高，运行中若水流速慢，易发生泥沙沉积造成流道堵塞，若水流速高，则海水管道易产生冲刷和腐蚀，维修更换费用高。而常规岛闭式工业水系统水质为除盐水，根据运行经验该核电厂项目选择了闭式工业水(除盐水)系统为抽真空设备提供冷却用水。

2.2影响方案优选的因素

在设备采购阶段，对设备供货方案进行评价时，需要考虑以下影响凝汽器抽真空设备选型的因素：

(1) 设备外形尺寸对厂房布置的影响。通常凝汽器抽真空设备布置在汽轮机厂房的底层，由于受设备层平面布置空间的限制，因而对抽真空设备设计的外形尺寸有一定要求。

(2) 设备采购投资费用的高低。不同的设备设计方案对设备的制造成本影响很大，确定设备选型方案时必须考虑设备采购性价比，以减少工程投资费用。

(3) 泵组冷却水耗用量的大小。常规岛闭式冷却水系统设计对用户耗水量有一定的限制，因不同的水环真空泵组冷却水耗用量有所差异，选型时需要考虑对常规岛闭式冷却水系统设计产生的影响。

(4) 设备运行时耗用厂用电的多少。凝汽器抽真空设备是长期连续运行设备，水环真空泵配套电动机的功率对厂用电消耗有直接影响，因而设备选型电动机的功率应尽可能小，降低电厂设计厂用电率。

(5) 抽真空时间是否满足机组启动要求。机组启动前凝汽器抽真空时间的长短直接影响到汽轮机组的启动时间。如果能够缩短抽真空时间，机组就可尽早并网发电，为电厂创造直接的经济效益。

(6) 设备容量配置对运行方式的影响。凝汽器抽真空设备的容量配置方案是电厂运行最关心的问题之一，许多电厂设计要求凝汽器抽真空设备容量为3×100%，即一台运行两台备用；也有电厂选择了3×50%，即两台运行一台备用。在电厂的实际运行中，由于凝汽器及真空相关系统的严密性好坏存在不确定性，容易受到机组设备状况、维修水平和运行操作等诸多因素的影响，因而一般都要求凝汽器抽真空设备必须提供足够大的抽吸空气的能力，以确保在各种运行工况下维持凝汽器真空达到设计值。

2.3比较配置方案

针对该机组凝汽器抽真空设备的设计要求，某设备供应商提供了带大气喷射器的水环真空泵机组的三种配置方案(见表1)。

表1 抽真空设备的方案比较

以上三种方案的水环真空泵组的运行特点如下：

(1) 对于3×100%配置方案，每台真空泵出力为82kg/h，正常运行时只需1台真空泵即可完全满足HEI标准要求。“一运两备”的运行方式非常灵活，但设备出力裕量过大，设备闲置。

(2) 对于3×50%配置方案，每台真空泵出力为45kg/h，因此2台真空泵同时运行时完全可以满足HEI标准要求，“两运一备”的运行方式灵活，但真空泵设计出力裕量较小，在凝汽器真空系统严密性不好的情况下，可能需投入第3台泵运行。

(3) 对于3×75%配置方案，每台真空泵出力为61.2kg/h，因此2台真空泵同时运行时完全可以满足HEI标准要求，真空泵设计出力有足够大的裕量。即使在凝汽器真空系统严密性不好的情况下，也不需投入第3台泵运行；而在严密性很好的情况下，可以只运行1台泵。此方案真空泵的运行方式灵活，可靠性高。

综上所述，真空泵3×75%选型方案是相对合理和经济的。

3 凝汽器抽真空设备应用效果

凝汽器抽真空系统在电站正常运行期间是连续运行的。该核电厂1089MW核电机组的每台机组配置了3台水环真空泵组，每台水环真空泵组由真空泵、电动机、大气喷射器、换热器、分离器、气动控制阀及仪表控制装置等设备组成(见图3)。

单台水环真空泵与大气喷射器采用的是并联连接方式，电站计算机控制系统控制真空泵组设备的启动或停运。当水环真空泵启动时，真空泵入口压力达到23kPa时自动关闭大气喷射器入口阀，旁通阀打开，此时大气喷射器退出运行，水环真空泵单独运行；当水环真空泵入口压力达到13kPa时，自动打开大气喷射器入口阀，关闭旁通阀，投入大气喷射器运行，水环真空泵只是为喷射器提供驱动气源，通过大气喷射器将凝汽器中被抽气体抽出。在正常运行时，压力高于15kPa联锁启动备用泵，低于8kPa联锁停止备用泵。经过设备安装单体调试和系统联调测试，该核电厂项目的真空泵机组运行平稳，噪声、振动都正常。2015年2月21日在该项目调试阶段的一次机组启动前抽真空中，3台75%真空泵全部投入后大约在30min内抽真空到32.5kPa，达到了HEI的标准要求，而此数据恰好能够说明，如果真空泵配置采用3×50%方案，则很难达到HEI标准有关机组启动前抽真空时间不大于30min的要求(见图4)。

该核电厂项目的2台机组在首个燃料循环的0～100%额定功率启动过程中，每台机组都只需保持1台真空泵运行，就能够维持凝汽器压力在5～6kPa稳定。夏季高温季节机组带满负荷稳定运行，海水温度在31～33℃变化，闭式工业水温为33～35℃时，1号机组凝汽器压力维持在8.3～8.69kPa，2号机组凝汽器压力维持在7.8～8.78kPa。真空泵实际运行采用“一运两备”方式，单台带大气喷射器的水环真空泵组运转稳定，性能良好，具有很好的运行适应性。

4 结语

(1) 凝汽器抽真空设备是对汽轮发电机组安全和经济运行有直接影响的重要辅机设备，其设计选型和容量配置需考虑核电厂常规岛的设计条件、凝汽器设备运行特性、设备投资费用，以及设备运行方式和运行经济性等诸多方面因素。

(2) 该核电厂1089MW核电机组在凝汽器抽真空设备设计选型时，通过对多个方面影响因素的分析，对比三种不同容量配置方案，用户最终选择了3×75%容量配置的带大气喷射器的水环真空泵组。

(3) 经过安装调试与运行验证，设备运行性能达到了系统设计要求，可以选择多种的运行方式。工程实践证明，该机组凝汽器抽真空设备选型及容量配置的选择是合理的，对同类机组具有借鉴意义。

[1] Heat Exchange Institute. Standards for steam surface condensers[M]. 10th ed. Cleveland Ohio: HEI, 2006.

Configuration Optimization and Application Effect of the Condenser Vacuum Pump in a Nuclear Power Station

Bao Xudong

(CNNP Nuclear Power Operation Management Co., Ltd., Haiyan 314300, Zhejiang Province, China)

An introduction is presented to the equipment selection, configuration optimization and application effect of the condenser vacuum pump in a 1089MW nuclear power station, including an analysis on the necessity of adding air ejector to the water-ring vacuum pump and on the factors influencing the configuration optimization of the condenser vacuum pump. Meanwhile, design requirements and configuration schemes of 3×100%, 3×50% and 3×75% capacity were proposed for the condenser vacuum pump. Analysis and application results show that the scheme of 3×75% capacity is relatively reasonable and economical.

condenser of nuclear power unit; water-ring vacuum pump; equipment selection; practical application

2016-05-04

鲍旭东(1966—)，男，高级工程师，现从事核电站设备可靠性管理工作。

E-mail: baoxd@cnnp.com.cn

TM623.4

A

1671-086X(2016)06-0407-05