内陆AP1000核电厂常规岛机组冷端优化方法

第52卷第6期2OLO年12月汽轮机技术TURBINEIECHNOLOGYVO152NO6DEC。2OLO内陆AP1000核电厂常规岛机组冷端优化方法侯平利，陶志伟，胡友情，乔磊，李振鹏，苏秀丽中广核工程有限公司，深圳518000摘要针对内陆核电厂二次循环方案下的各种冷端参数配置进行了冷端优化方法的研究。从冷端系统各参数之间的内在关联出发，梳理出了低压缸参数、冷却塔参数、凝汽器参数之间关系，为全面优化各种参数奠定了基础。计算算例表明，提出的方法可以用于内陆核电厂冷端系统的参数优化工作，对于汽轮机组、冷却水系统的选型具有指导意义。关键词核电站；汽轮机；冷端优化；微增出力分类号TK2641文献标识码A文章编号10015884201006042403THETURBINECOLDENDOPTIMIZATIONOFCONVENTIONALISLANDOFINLANDAP1000NUCLEARPOWERP1ANTHOUPINGLI，TAOZHIWEI，HUYOUQING，QIAOLEI，LIZHENPENG，SUXIULICHINANUCLEARPOWERENGINEERINGCOMPANYLTD，SHENZHEN518000，CHINAABSTRACTASTUDYOFCOLDENDOPTIMIZATIONOFINLANDAP1000NUCLEARPOWERPLANTWASPERFORMEDFORTHEVARLOUSSETSOFCOLDENDPARAMETERSTHERELATIONOFTHEPARAMETERSOFLOWPRESSURECYLINDER，COOLINGTOWER，CONDENSERWASANALYZEDANDORGANIZEDTOSETTHEBASEOFCOMPLETEOPTIMIZATIONOFALLPARAMETERSTHESIMULATIONEXAMPLESHOWSTHATTHEPROPOSEDMETHODCOULDBE印PLIEDTOTHESELECTIONOFTURBINEUNITANDCOOLINGWATERSYSTEMKEYWORDSNUCLEARPOWERSTATION；TURBINE；COLDENDSYSTEM；ECONOMICANALYSISOFTECHNOLOGY0前言对于核电机组，因排汽量较同容量的火电机组大很多，冷端条件对机组出力、设备投资及运行经济性影响较大。所以根据不同的厂址条件南北方循环冷却水温差异，对核电汽轮机进行冷端优化，选择合适的背压、机型具有极其重要的意义。内陆核电厂冷端优化的含义在于综合考虑机组的投资、运行费用，电厂收益，以获得最佳的经济效益。针对冷端优化分析，本文对微增出力J、凝汽器面积、冷却塔面积、循环水量、循环水泵容量以及厂房容积变化、土建工程量等因素进行了初步分析，从而确定较为合理的冷端配置。对整个工程确定最优方案提供参考。本文针对二次循环方案下的各种冷端参数配置进行了冷端优化，从而为整个工程确定最优方案提供参考。I冷端系统优化方法内陆核电站冷端优化的范围指由汽轮机末级至循环水系统、淋水塔系统，包括机组低压缸数目、背压类型TP、最佳背压P冷却塔数目NA、大塔面积、冷却倍率M、凝汽器面积、换热管内流速U，换热管长选取等。冷端优化范围、参数之间的关系如图L所示。冷端优化的关键变量有12个，见式1。NF，NTE，TP，P6，NA，F。，M，U，FO，TL，DO，8D1其中F为最小年费用；D。为换热管外径；为壁厚。图1冷端优化范围示意图1优化筛选流程三大汽机厂家提交的投标书中一般包含两种方案。低压缸数目分为三缸四排汽与四缸六排汽，某种低压缸数目对应单背压和多背压，某种背压类型下塔的数目可分为单塔和双塔，某种塔数目下的每塔面积又分为若干，如13000M、14000M，某种塔面积下，冷却水倍率又分为若干种出塔水温与倍率有关，如52、54、56等，对应某种倍率，换热管内流速又分为若干，在某种流速下，机组背压又有一系列。通过收稿日期20100301作者简介侯平利1976一，男，博士。目前从事核电站常规岛设备设计与计算工作。第6期侯平利等内陆AP1000核电厂常规岛机组冷端优化方法425这种参数之间关系的梳理，可以对低压缸、凝汽器、冷却塔的各种参数进行全面寻优。一般来说以三缸四排汽为例，共需进行4800次左右涵盖各种背压类型、塔数目、塔面积、各种倍率、各种换热管流速、各种背压的计算，求得最佳管长及背压下的年最小费用。这样，就得到了每个厂家的最佳方案；如果还需要在各个厂家之间进行比较，则需要考虑基准参考功率、低压缸造价、汽机基础造价等差异。最后，如果必要，还可以对一些易变化的参数，如塔的单位面积造价、凝汽器单位面积造价、税前上网电价等，做敏感性分析，以考察这些因素对优化目标的影响。2具体计算过程计算前，由水工专业根据机组的排热量Q、温升、全年平均干湿球温度等给出若干冷却塔淋水面积对应的几组倍率、出塔水温、循泵扬程等参数组合作为计算输入。计算流程如下1从微增出力计算结果表中取最低背压P，计算该背压所对应的饱和水温和饱和水焓，并查出排汽焓值；2由冷却水流量G、排汽热量，计算冷却水温升一一CPG3由热量、对数温差、总体换热系数确定凝汽器面积；4在定管子根数模式下，由冷却水量、管子根数，计算管内水流速；在定冷却水流速模式下，由冷却水量、管内流速，计算管子根数；5由凝汽器面积、管外径、管子根数，计算管长，J；6由流量、扬程，汁算泵功率；7分别由单位造价计算凝汽器、大塔费用；8由投资回收率、经济运行年限，计算资金回收系数，和年固定分摊率，不计大修费率；9由凝汽器、大塔费用，循泵消耗电费，微增出力增加电费，由年费用最小法计算年最小费用；10以某一微小步长依次增加背压P，重复计算前述19步骤，直到常用背压范围内的某一较高背压。泵功率计算公式为PGQHRI其中，为泵电机功率；P为水密度；叼为泵组总效率；Q为冷却水流量；日为扬程。计算不同长度管长的凝汽器管程水阻时，要对基准长度下的水阻进行修正；在定管子根数模式下计算不同倍率的凝汽器水阻时，要考虑流速修正因子。年费用最小法计算公式为NFPAFCR式中，F为年费用值；P为总投资现值；AFCR为年固定分摊率；为年运行费，包括循环水泵的电耗及微增功率收益。2内陆核电站汽轮机冷端系统主要计算条件1由微增出力计算程序。或厂家提供的微增出力曲线得到微增出力与背压的关系。2根据水工提资，找到各方案所对应的二次循环冷却塔方案的循环水年平均进水温度。3核电站工程采用AP1000方案。4根据HEI标准VERSION10，凝汽器总体传热系数以冷却管外径和管内流速确定，并考虑冷却水温、管材、壁厚、清洁度修正。5案例核电站项目冷却水为二次循环水，管材为TP304不锈钢管。提高冷却水流速可提高凝汽器的整体换热系数，减小冷却面积，但流速提高会使水阻增大，增大循环水泵的耗功，水速增加还可以引起冷却管端的冲蚀。不锈钢管的耐冲蚀性能较好。水速不能太低，以免水中悬浮物在冷却管内结垢，引起管子的沉积物腐蚀。本计算中单背压方案管内流速取18MS23MS进行比较，多背压方案取22MS25MS进行比较。6凝汽器综合造价按1000VV_M参与技术经济比较。7循环水系统包括泵、电机费用，并考虑土建、安装费用，循环水系统设备投资在此处暂不计。8塔的造价按一机二塔8000M，一机一塔10000M。9经济运行年限取3O年，投资内部收益率取7，上网电价根据计经专业提供的数据，按照税前034元KWH计算。10机组年运行7500H。11凝汽器本体的设计中，管的长度选择要合理。管子太长易引起凝汽器喉部产生汽流脱流，还可能使凝汽器长度方向上热负荷不均匀，同时也对管束的稳定性产生不利的影响。在案例核电站项目冷端优化的过程中，凝汽器管子长度限制是18M。3算例及技术经济分析根据计算结果绘制的二次循环冷却方案下某汽机厂供应的单台机组30年分摊年最小费用见图2和表I。1R旺舷略廿L留旺稚J卜管长M管长的优化一机二塔单塔面积M与冷却塔面积的关系图2最小年费用与管长及冷却塔面积的关系426汽轮机技术第52卷表1不同塔面积下倍率变化、换热管流速变化时的年最小费用千万元注凝汽器面积限制取为94O00M冷却塔213O00MB双塔214O00M由图2N可知，在冷却水倍率、换热管内流速一定及管子根数一定时，年最小费用随凝汽器换热管的长度增加而减少。在实际工程中，管长在满足限制的条件下，应该尽可能取大。由图2B可知，在冷却水倍率、换热管内流速一定时，年最小费用随冷却塔面积的增加而减少在实际工程中，冷却塔在满足一定建造限制的条件下，应该尽可能取大。表IA对不同冷却水倍率、换热管内流速的各种组合进行了比较1从列来看，即倍率一定时，年最小费用随凝汽器换热管内流速的减小而减少。这足由于当流速减小币J倍率保持不变时，虽然冷却管换热系数降低但是换热管根数即凝汽器面积增加，使得凝汽器总的冷却FEJJ增强所致。在实际工程中，在倍率不变时，在凝汽器换热骨根数满足一定配置限制的条件下，换热管内流速应陔尽可能取低；2从行来看，即换热管内流速一定时，年最小费用随冷却水倍率的增加而减少。这是由于当流速不变而倍率增加时，换热管根数即凝汽器面积增加，同时冷水流量也增力FJ，使得凝汽器总的冷却能力增强所致在文际工程中，在管内流速不变时，在凝汽器换热管根数满足T一定配置限制的条件下，冷却水倍率应该尽可能取高。进一步，由表1。可知，对于一机二塔2X13O00M，换热管内流速为21NRS，冷却水倍率为54时，年最小费用为最小，129千万元。此时机组背压为558KPA，机组微增出力为16233MW，循环水泵电耗为1832MW。由表1B，对于一机二塔214000ITI，换热管内流速为2OMS，冷却水倍率为52时，年最小费用为最小，115千万元。此时机组背压为5528KPA，机组微增出力为16875MW，循环水泵电耗为17608MW。在流速为21MS，冷却水倍率为54时，年最小费用为116千万元。此时机组背压为5476KPA，机组微增出力为17516MW，循环水泵电耗为L8705MW。由上述分析可知，在大塔面积不同时，其最佳的冷却水倍率及冷却水流速也有所变化。其原因可能为因大塔费用增加，较低的冷却水倍率使得循泵功率降低，有利于降低年最小费用。表1C、D给出了一机一塔时的计算结果，与表1。、B比较，可见在两种塔面积下，一机二塔的技术经济性明显优于一机一塔的。4结论本文提出一种内陆核电厂冷端优化方法，涵盖各种低压缸数目、各种背压类型、塔数目、塔面积、各种储率、各种换热管流速、各种背压