200MW高温气冷堆汽轮机热力系统能损分析

第57卷第6期2015年12月汽轮机技术TURBINEIECHNOLOGYV0157NO6DEC2015200MW高温气冷堆汽轮机热力系统能损分析杨宇上海发电设备成套设计研究院，上海200240摘要采用能级效率法对200MW高温气冷堆核电机组的热力系统能损分析，特别是对各级加热器的能损进行了解耦分析。通过引入加热器的热耗影响因数，获得了VWO、TRL、75TRL、50TRL4种工况下各级加热器对降低热力系统热耗的影响和变化规律。以上分析方法和结果，可以为200MW高温气冷堆核电机组的热力系统的设计、优化、运行和维护提供重要参考。关键词热力系统热耗；能级效率；加热器分类号TK262文献标识码A文章编号10015884201506040504ENERGYLOSSANALYSISOFTURBINEIN200MWHIGHTEMPERATUREGASCOOLEDREACTORNUCLEARPOWERPLANTYANGYUSHANGHAIPOWEREQUIPMENTRESEARCHINSTITUTE，SHANGHAI200240，CHINAABSTRACTINTHISPAPER，ENERGYLOSSANALYSISOFTHERMALPOWERSYSTEMOF200MWHIGHTEMPERATUREGASCOOLEDREACTORNUCLEARPOWERPLANTWITHTHEENERYLEVELEFFICIENCYMETHOD，ESPECIALLYFORTHEENERGYLOSSDEEOUPLINGANALYSISOFEACHHEATERBYINTRODUCINGTHEHEATCONSUMPTIONINFLUENCECOEFFICIENT，THEINFLUENCEOFEACHHEATERINREDUCINGTHEHEATCONSUMPTIONOFTHERMODNAMICSYSTEMUNDERTHECONDITIONSOFVWO，TRL，75OTTRLAND50OFRRLWASOBTAINEDTHEABOVERESULTSPROVIDEIMPORTANTREFERENCEFORTHEDESIGN，OPTIMIZATION，OPERATIONANDMAINTENANCEOFTHETHERMALSYSTEMOF200MWHIGHTEMPERATUREGASCOOLEDREACTORNUCLEARPOWERPLANTKEYWORDSTHERMODYNAMICSYSTEM；HEATCONSUMPTION；ENERGYLEVELEFFICIENCY；HEATER0前言压水堆、沸水堆、重水堆技术是目前国内、外核电机组采用的主流技术，这些技术一般采用的是湿蒸汽，蒸汽参数低、汽轮机的热耗大、效率低，例如压水堆的主蒸汽通常压力6MPA8MPA，温度300左右。高温气冷堆核电机组则采用过热蒸汽，主蒸汽压力达到1324MPA，温度566OC以上，具有热耗低、热效率高等优点，是目前更为先进的核电技术之一，将可能引领新一代的核电技术的潮流。我国第四代核电技术的示范项目山东石岛湾200MW高温气冷堆核电机组的反应堆中产生750C的高温氦气，进而在蒸汽发生器中产生137MPA、571的超高压过热蒸汽，送到汽轮发电机组中发电。目前，对于高温气冷堆核电机组的基本循环中各级加热器对降低热力系统的热耗的贡献、各种辅助性的汽、水或热量的能损分析的文献较少。本文采用能级效率法J，通过从高压到低压逐级解列各级加热器，得到基本循环的热耗变化量，从而分析各级加热器对降低高温气冷堆核电机组热力系统的热耗的影响。进而剖析出高温气冷堆核电机组热力系统的主要能损点和改进方向，这些分析方法和结果可以为高温气冷堆核电机组热力系统的优化、设计和运行维护分析提供参考。1能级效率法根据汽轮机的各个工况的热平衡图，整理出对应第I级加热器的水焓升、抽汽放热量Q、疏水放热量，然后根据热力系统结构特点，填写结构矩阵A。根据热力系统再热特点，填写再热结构矩阵C。能级等效做功能力矩阵妒HH1式中，为各能级单位做功能力组成的矩阵；H为各能级抽汽焓矩阵；H为汽轮机排汽焓。能级效率矩阵为A92当不考虑辅助汽、水系统的影响时，仅对热力系统基本循环进行计算时，7玑。基本循环的热耗艘为收稿日期20151012基金项目国家核电技术公司员工自主创新项目SNPKJCX一201520。作者简OR杨宇1971一，男，四川泸州人，教授级高工，硕士，主要从事发电设备强度与寿命、可靠性、安全性和经济性等方面的研究。汽轮机技术第57卷HR口3”TIBM仉式中，VH,N为基本循环的能级效率矩阵；卵为机械效率；为电机效率；HR日的单位为KJKWH。单位质量的工质从特定的位置进出热力系统，实际就是从特定的能级进出热力系统。工质对热力系统的做功能力的影响为L0J叼J4式中，为特定作用的焓矩阵，。”。特定外部作用9对热力系统的热耗的影响为AHRAHR5ZHBFEL其中，为工质的质量流量；尸为机组电功率。能级效率矩阵法计算复杂热力系统热耗值的主要思路是1进行热力系统基本循环的热耗等热经济性计算分析；2在基本循环计算结果的基础上，进行进、出热力系统的各个辅助性的汽、水或热量包括各级轴封漏汽、轴封加热器、驱动给水泵汽轮机用汽、给水泵水焓升、凝结水泵水焓升等的能损分析；3基本循环的热耗和辅助性的汽、水或热量的能损分析冉G叠加结果，就是整个热力系统的热耗值。2基本循环热耗解析计算图1是山东石岛湾200MW高温气冷堆核电机组的热力系统图。热力系统的基本循环由1个高压加热器加热器编号1、1个除氧器加热器编号2、3个低压加热器加热器编号35组成。高加和低加均为疏水逐级自流式表面加热器。200MW高温气冷堆核电机组的热力系统有关辅汽、纯热量损失和回收位置列于表1。石岛湾高温气冷堆核电汽轮机是一台200MW等级超高压非再热汽轮机，该机组的高压模块采用成熟可靠的IOOMW等级的单流形式的高压缸，低压模块则采用典型的300MW等级的纯凝机组的低压缸。对200MW高温气冷堆核电机组的基本热力循环的热耗解耦计算分为以下7个步骤11号一5号加热器全部投运的基本循环的热力系统结构矩阵为A口0JRL20QL200Q2O000O0O0O采用第1节的方法，计算对应的基本循环的热耗值HR口。21号加热器停运，2号一5号加热器投运的基本循环的热力系统结构矩阵为AGO120Q2O0O00O采用第1节的方法，计算对应的基本循环的热耗值HR日。M，L。31号2号加热器停运，3号一5号加热器投运的基本循环的热力系统结构矩阵为AQO彳LR2000R3JR4R5G3Y450Q4Y500Q5采用第1节的方法，计算对应的基本循环的热耗值HRB。M2。43号4号加热器逐级停运的计算方法与前类似，此图1200MW高温气冷堆核电机组热力系统示意图吼OO000O第6期杨宇200MW高温气冷堆汽轮机热力系统能损分析407无1号5号加热器1号加热器JG12号加热器CY3号加热器JD14号加热器JD25号加热器JD31号一5号加热器全有10158917992163279937872197888441O17151796217028O2378721458901510426018542206288938721700917381O9154193622863O3840671036967911572O8273348422一一162216283361437一一239313406510613398515664826988处不再赘述。计算对应的基本循环的热耗值HR。和HR朋4O51号一5号加热器全部停运的基本循环的热力系统结构矩阵为AQ0L2F34RS采用第1节的方法，计算对应的基本循环的热耗值HR口15。6各级加热器对热力系统降低热耗的贡献为ZLHRFHRB1IHR口，M15计算得到的各级加热器对热力系统热耗降低数值见表2和图2所示。响，引入热耗影响因数KIK6式中，为第I级加热器的热耗影响因数；AHR为I级加热器对于降低热力系统热耗的贡献值；Q为I级加热器的热载荷。计算得到的各级加热器对热力系统热耗影响因数见表2和图3所示。40OOO00OO0盼加I如2“S誊R罾秧攫蒜408汽轮机技术第57卷方法可参考文献2，3，此处不再赘述。基本循环的能级效率计算结果列于表3，辅助汽水和纯热量的能损计算结果列于表4。表3基本循环的能级效率注VWO为汽轮机阀门全开工况，TRL为汽轮机额定工况。表4辅助汽水和纯热量的能损单位KJKWH注以上热耗计算基于理想的边界条件，仅供科研项目参考；下同。从表3和表4的数据可以看出，采用能级效率矩阵法计算的综合热耗值与科研项目热平衡图该热平衡图计算基于理想的边界条件，仅用于本文研究，热耗值绝对不能做为实际工程项目热耗保证参考值上的热耗值相比较，偏差绝对值最大不超过201DKWH，热耗偏差相对值最大不超过002，完全能够满足工程上进行热力系统能损分析的精度要求。4能损分析从表2一表4、图2和图3的数据中可以看出1在TRL、VWO工况，同一级加热器对降低热力系统热耗的贡献基本一致。而75TRL工况和50TRL则有一定的偏差。越是低负荷工况，同一级加热器的热耗影响因数越大，单位热载荷对降低热力系统热耗的贡献越大。2对于同一种工况，各级加热器热耗影响因数从低压级向高压级逐级递减，即单位热载荷对降低热力系统热耗的贡献从低压级向高压级逐级递减。这是由于越是低压级的加热器，所使用的是越靠近汽轮机低压缸排乏汽的抽汽，这些抽汽在汽轮机通流部分中已充分做功，而其原本在凝汽器中损失的汽化潜热又被充分利用于加热凝结水。越是低压级的加热器，其抽汽的能量利用越有效。3由于从低压级向高压级各级加热器对降低热力系统热耗的贡献存在逐级递减的规律，也证明了在热力系统中，通过增加加热器的级数带来的经济收益越来越小，投资回报率越来越小。4核电汽轮机的低压缸通过捕水槽分离湿蒸汽中的饱和水减低了湿蒸汽的湿度，同时，大量的湿蒸汽凝结为水热释放了汽化潜热，这些汽化潜热被其余部分湿蒸汽所吸收，提高了其余部分湿蒸汽的焓值。同时捕水槽中分离的捕获水排出汽轮机低压缸后被回收利用到4号和5号加热器。这些捕获水对热力系统能损而言是负值，实际上使得热力系统的热耗值降低。其绝对值还比较大，说明采用结构优异的捕水槽，将会对核电汽轮机的经济性和安全性带来比较大的益处。5结语本文采用能级效率法对200MW高温气冷堆核电机组的热力系统的基本循环的各级加热器的能损进行解耦分析，获得了VWO、TRL、75TRL、50TRL4种工况下各级加热器对降低热力系统热耗的贡献值。通过引入加热器的热耗影响因数，可以比较明显看出对于同一种工况，各级加热器单位热载荷对降低热力系统热耗的贡献从低压级向高压级逐级递减。计算分析了200MW高温气冷堆核电机组的热力系统的主要能损构成，得出了三级捕获