核电厂凝汽器循环水流量优化分析

吕杰帅

摘  要：根据凝汽器运行特性确定其在满负荷下各温度平台、不同传热管清洁度下，循环水流量对凝汽器运行背压的影响，进而确定循环水流量与机组出力在各平台下的对应关系，结果显示，提高循环水流量能提升机组出力。在核电厂中，影响循环水流量主要因素为CRF泵的运行特性、凝汽器及附属设备阻力、海水潮位，其中钛管阻力特性和海水潮位为非控制因素，提高CRF泵转速可以提高CRF泵的扬程，从而提高循环水流量，根据CRF泵特性曲线，并利用泵特性的一般能耗规律，确定CRF泵转速与泵能耗、流量之间关系。绘制各边界条件下流量与机组出力曲线、流量与CRF能耗曲线最终分析从技术上是否存在优化循环水流量的可能性。

关键词：凝汽器;循环水流量;优化;循环水泵;转速

中图分类号：TM62 文献标识码：A

Abstract：According to the operation characteristics of condenser，simultaneous interpreting the effect of circulating water flow on condenser backpressure under different temperatures and cleanliness of full heat load，and then determining the corresponding relationship between circulating water flow and unit output under different platforms，the results show that increasing the flow of circulating water can increase the output of the unit. In nuclear power plant，the main factors affecting the circulating water flow are the operating characteristics of CRF pump，the resistance of condenser and auxiliary equipment，and the sea water tide level. The titanium tube resistance characteristics and seawater tide level are non control factors. Increasing the speed of CRF pump can improve the head of CRF pump，so as to improve the circulating water flow. According to the characteristic curve of CRF pump and the general energy consumption law of pump characteristics，the operation of CRF pump is determined The relationship between speed and pump energy consumption and flow rate. Draw flow and unit output curve，flow and CRF energy consumption curve under various boundary conditions，and finally analyze whether there is possibility of optimizing circulating water flow technically.

Key words：Condenser;Circulating water flow;Optimization;Circulating water flow pump;Rolate speed

一、凝汽器运行与机组出力关系

（一）凝汽器的作用与主要参数指标

凝汽器是核电厂二回路的重要组成部分，汽轮机组末级乏汽在凝汽器钛管外壁换热完成凝结，为朗肯循环提供冷源，凝汽器运行状态直接影响机组的经济性和安全性。

凝汽器性能的四项基本指标为：真空度、过冷度、含氧量和水阻[1]。

（二）凝汽器真空度与机组出力关系

在日常运行期间，上述四项指标对电厂经济性均会产生影响，其中凝汽器运行真空度对电厂经济性最大。从定性角度分析，凝汽器真空度每变化1千帕，汽轮机效率可变化1%—2%[2]。

根据核电厂凝汽器厂家提供的凝汽器运行曲线，机组功率与背压之间的关系表示如下：

W0为机组设计凝汽器真空度（5.78千帕）下机组的电功率;

Pc为凝汽器真空度，该公式单位为巴（bar）;

W为Pc真空度对应下计算功率。

凝汽器背压越大，机组电功率越小，且随着背压增加所影响的电功率下降越快，即当凝汽器真空低于一定程度，机轮机末级形成阻塞背压，末级气流形成临界流（critical flow）[3]，真空度变化与机组出力变化不大。

二、影响凝汽器真空度的主要参数

在不考虑不凝结气体的情况下（事实上，目前核电厂凝汽器中以氧为代表的不凝结气体含量在3ppb以下，对凝汽器运行影响不大[4]）凝汽器汽侧通常工作在饱和区内，凝汽器内的压力和温度呈对应关系，即

由图2、图3可知：

1.整体而言，循环水流量越大，机組出力也越大;

2.对于不同的运行工况，循环水流量增加获得的机组出力收益不同。具体来说，在较低温度时，循环水流量增加对机组出力提升影响较小;在温度较高时，循环水流量增加对机组出力提升影响较大;

3.凝汽器钛管的清洁度状态越好，循环水流量增加对机组出力提升影响越小。

三、影响循环水流量的主要因素

循环水泵，从大海中抽取循环水进入凝汽器中，完成汽轮机乏汽的冷却凝结，从整个过程来看，影响循环水流量主要因素有海水潮位、凝汽器水阻、循环水泵的出力。

（一）海水潮位

海水潮位为循环水提供初始静压，在循环水泵出力、凝汽器水阻相同的情况下，海水潮位越高，循环水流量越大。

北部湾海域海水潮位为一日潮，即约24小时涨潮落潮一次。

对某日潮位与流量进行流量统计，如表1。

根据式（15），循环水流量提升带来的机组出力变化约为0.1%，折合到实际电功率约为1兆瓦，即每日海水潮位波动引起的机组出力约为1兆瓦（海水温度30℃，清洁度0.7）。

（二）凝汽器及其附属设备的水阻曲线

在机组运行的一个循环周期内，凝汽器传热管内部积累污垢造成水阻曲线变大，从而导致清洁度、循环水流量下降，进而增加循环水泵功率。

根据国内学者的研究，在机组运行期间，在保证循环水流量不变情况下，水阻引起的循环泵功率增加一般在几十千瓦级别，相较于循环水泵本身功率和机组电功率影响较小[5]。

（三）循环水流量与泵功率关系

根据泵特性曲线，在泵入口静压（海水潮位）、凝汽器水阻保持不变的情况下，想要提升循环水流量，需要提升泵的转速，泵流量、转速与泵功率关系可用简单相似定理表示[6]。

Q为流体流量，Q0为基准状态下流量;

N为泵功率，N0为基准状态下泵功率;

n为泵转速，n0为基准状态下泵转速。

由式（17）可知，循环水泵功率与流量呈三次方关系。

（四）最佳循环水流量确定

由图1、图2可知，增加循环水流量能够提升机组出力，但同时也会造成厂用电耗电的增加。而且，随着循环水流量提高，机组出力提升会越来越小，而循环水泵厂用电功率会越来越大。存在循环水最佳流量的情况。

同时，循环水流量的最佳值受到凝汽器运行外界条件，诸如循环水温度、凝汽器钛管清洁度、海水潮位等因素影响。

图3、图4、图5分别是凝汽器最佳循环水流量受循环水温度、凝汽器清洁度、海水潮位等因素影响的情况。

由图3可知：

1.在循环水流量变化±20%范围内，循环水温度越低，最佳循环水流量越低。当循环水温度低于28℃时，尽量减少循环水流量，能够提升机组净功率（机组发电功率-机组CRF循环水泵功率）。如果循环水流量相较于目前降低5%（3立方米/秒），可以提升机组净功率约1—2兆瓦。温度越低，提升越多。

2.当循环水温度大于30℃时，最佳循环水流量比目前控制流量低约1%左右，通过控制流量得到的收益约为0.2兆瓦左右，相对低温情况较少。

由图4可知：

1.清洁度越高，循环水最佳流量越低;

2.鉴于目前该电厂凝汽器效率试验结果，清洁度在0.6—0.7之间波动，从曲线上来看，在该清洁度范围内，最佳循环水流量变化不大。

由图5可知：

1.潮位越高，最佳循环水流量越高;

2.高低潮位变化时，其最佳循环水流量变化在1%以内，引起的机组净功率变化不大。

（五）最佳循环水泵转速

从上述分析来看，在不同边界条件下循环水流量的最佳工况点会存在差别，在工程上，如果需要维持循环水流量处于其最佳工况点，采用的方式为调节循环水泵的转速使之实现可变转速，从而保证其最佳流量。结合某电厂循环水泵参数，计算在不同工况下最佳的转速。

根据相似原理，最佳流量与最佳转速成正比关系，利用式（16）对额定转速进行修正，得到最佳转速随循环水温度、清洁度关系变化情况如图6。

图6、图7进一步说明影响循环水泵最佳转速，包括循环水温度、凝汽器清洁度、海水潮位等。

从斜率来看，循环水温度对最佳循环水泵转速影响最大;凝汽器清洁度、海水潮位对循环水泵最佳转速影响最小。

四、结论和建议

（一）结论

1.满功率时最佳循环水流量会随着凝汽器运行外部和内部条件变化而变化，其主要影响因素为循环水温度、附近海域的海水潮位情况和凝汽器运行的清洁度情况，在以上三种因素中，循环水温度影响最大。

2.在循环水流量变化不大（±20%范围内），当循环水温度低于28℃时循环水流量的降低有利于可以提升机组净功率。循环水温度越低，降低循环水流量后提升效果越明显，因此可以探索增加循环水泵调频，从而保持循环水最佳流量的方式。

（二）建议

通过循环水泵转速来调节循环水流量，目前仅处于理论分析阶段，具体实施需要全面分析变频对机组安全、经济的影响。

目前在部分火电厂，机组已开始通过增加循环水泵变频技术达到循环水流量最优工况，防城港核电厂应积极调研，探索其可行性。

参考文献：

[1] 吴春燕.大型电站凝汽器管束排列优化计算及分析[D].上海：上海交通大学，2010.

[2] 中国动力工程学会.火力发电设备技术手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[3] Sokolowski L，Kozlowski T. Assessment of Two-Phase Critical Models Performance in RELAP5 and TRACE against Marviken Critical Flow Test[J].Transactions of the American Nuclear Society， 2010（102）：655-657.

[4] 徐济鋆.沸腾传热和气液两相流[M].北京：原子能出版社，2001.

[5] 張欢.凝汽器水阻变化对汽轮机冷端性能影响研究[J].电站系统工程，2019（02）：26-28.

[6] 姜培正.过程流体机械[M].北京：化学工业出版社，2001.