壓水堆核電廠二回路熱力系統(tǒng)

1、核電廠二回路熱力系統(tǒng)壓水堆核電廠二回路熱力系統(tǒng)是將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿膭恿D(zhuǎn)換系統(tǒng)。將核蒸汽供應系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿脑砼c火電廠基本相同，兩種情況都是建立在朗肯循環(huán)基礎(chǔ)之上的，當然二者也有重大差別，現(xiàn)代典型的壓水堆核電廠二回路蒸汽初壓約6.5MPa，相應的飽和溫度約為281,蒸汽干度99.75%; 而火力發(fā)電廠使用的新蒸汽初壓約18MPa，溫度為535甚至更高。因此，壓水堆核電廠的理論熱效率必然低于火電廠?；鹆Πl(fā)電廠與壓水堆核電廠毛效率的參考數(shù)字分別約為39%和34%?；鹆Πl(fā)電廠通常將在高壓缸作功后的排汽送回鍋爐進行火力再熱; 在核電廠，用壓水堆進行核再熱是不現(xiàn)實的，只能采用新蒸汽對高壓缸排汽進

2、行中間再熱。此外，火電廠的煙氣回路總是開放的。在一個開式系統(tǒng)中，排入大氣的工作后的載熱劑溫度總是高于周圍環(huán)境的溫度，也就是說，一些熱量隨載熱劑排入大氣而損失掉了。而核電廠的冷卻劑回路總是封閉的。這不僅從防止放射性物質(zhì)泄漏到環(huán)境是必須的，從熱力學角度講，它提高了循環(huán)的熱效率。核電廠二回路系統(tǒng)的功能如下：構(gòu)成封閉的熱力循環(huán)，將核蒸汽供應系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽送往汽輪機作功，汽輪機帶動發(fā)電機，將機械能變?yōu)殡娔堋Ｗ鳛檎羝蛣恿D(zhuǎn)換系統(tǒng)，在核電廠正常運行期間，本系統(tǒng)工作的可靠性直接影響到核電廠技術(shù)經(jīng)濟指標。從安全角度講，二回路的另一個主要功能是將反應堆衰變熱帶走，為了保證反應堆的安全，二回路設(shè)置了一系列系統(tǒng)和設(shè)

3、施，保障一回路熱量排出，如蒸汽發(fā)生器輔助給水系統(tǒng)、蒸汽排放系統(tǒng)、主蒸汽管道上卸壓閥及安全閥等就是為此設(shè)置的?？刂苼碜砸换芈沸孤┑姆派湫运?。二回路系統(tǒng)設(shè)計上，能提供有效的探測放射性漏入系統(tǒng)的手段和隔離泄漏的方法。同常規(guī)發(fā)電廠的實際熱力系統(tǒng)一樣，核電廠二回路熱力系統(tǒng)，可分為局部熱力系統(tǒng)和全面熱力系統(tǒng)（又稱為全廠熱力系統(tǒng)）。局部熱力系統(tǒng)表示某一熱力設(shè)備同其它設(shè)備之間或某幾個設(shè)備之間的特定聯(lián)系，而全面熱力系統(tǒng)則表示全部主要的和輔助的熱力設(shè)備之間的特定聯(lián)系。為了便于實際熱力系統(tǒng)的構(gòu)造和分析，通常的方法是繪制熱力系統(tǒng)圖。為了不同的目的，繪制熱力系統(tǒng)的方法也有所區(qū)別。只表示熱力設(shè)備之間的本質(zhì)聯(lián)系，相同的設(shè)

4、備只用一個表示，不表示備用設(shè)備,設(shè)備之間的聯(lián)系以單線表示，管道附件一般不表示。按照這樣的原則所繪制的熱力系統(tǒng)，稱為原則性熱力系統(tǒng)。它只說明功率運行工況系統(tǒng)熱力設(shè)計特征，是原理性的。與原則性熱力系統(tǒng)相對應的，是全面性熱力系統(tǒng)。它給出全部熱力設(shè)計（主要的輔助的和備用的）以及按照選定循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)化為電能過程中所必要的全部設(shè)備、連接管路、閥門等部件。它要反映系統(tǒng)的實際情況（包括各種工況下工質(zhì)可能的通過路徑，反映同類設(shè)備和備用設(shè)備的連接及切換方式等）。因此，全面性系統(tǒng)圖決定了主設(shè)備和輔助設(shè)備的數(shù)量和類型，它是編制電廠設(shè)備和部件明細表的依據(jù)。未作說明時，本章所列二回路系統(tǒng)圖均為原則性系統(tǒng)圖。西屋公司設(shè)計的

5、壓水堆核電廠二回路熱力系統(tǒng)圖8.1所示為西屋公司設(shè)計的壓水堆核電廠二回路熱力系統(tǒng)圖。該系統(tǒng)由蒸汽發(fā)生器二次側(cè)，汽輪發(fā)電機組、凝汽器、凝結(jié)水一給水系統(tǒng)及主要設(shè)備之間的管線和閥門組成。汽輪機采用的是一臺雙流高壓缸和三臺雙流低壓缸配置，串聯(lián)在一根軸上，來自新蒸汽母管的主蒸汽管道經(jīng)主汽閥和調(diào)節(jié)閥進入汽輪機，主汽閥用于停機時切斷蒸汽供應；調(diào)節(jié)閥則用于按電網(wǎng)負荷的要求調(diào)節(jié)進汽量。從主蒸汽母管有一旁路管線與汽輪機并聯(lián)，當電網(wǎng)階躍大幅度降負荷或甩負荷時，蒸汽經(jīng)此旁路管線排往凝汽器。 該系統(tǒng)的基本特征是凝汽器真空除氧，在給水泵上游沒有單獨設(shè)置除氧器，這種設(shè)計在西屋公司二回路設(shè)計中經(jīng)常被采用。凝結(jié)水由凝結(jié)水泵及主

6、給水泵唧送，順次經(jīng)過若干回熱加熱器加熱。圖中的七級回熱加熱器分成兩組，從凝結(jié)水泵至主給水泵之間的屬于低壓加熱器，主給水泵至蒸汽發(fā)生器之間的屬高壓加熱器。加熱蒸汽凝結(jié)生成的疏水逐級自流，進入加熱器疏水箱，或經(jīng)疏水泵升壓打入主給水管道。除凝結(jié)水和給水回熱加熱器外，還設(shè)有軸封蒸汽凝汽器和主給水泵汽輪機凝汽器來加熱凝結(jié)水或給水，以便利用熱能。  秦山1期的二回路熱力系統(tǒng) 圖8.2 是我國自行設(shè)計的秦山核電廠1期機組二回路原則性系統(tǒng)圖。該機組設(shè)有三級低壓加熱器、三級高壓加熱器、一級除氧器，具有汽水分離和二級再熱。汽輪機組采用一臺雙流高壓缸和兩臺雙流低壓 缸 配置，給水泵采用的是電動離心泵?；責?/p>

7、加熱器的疏水按逐級自流方式，高壓加熱器的疏水按逐級自流匯入除氧器，低壓加熱器疏水逐級自流最終匯入凝汽器。 大亞灣核電廠二回路熱力系統(tǒng) 圖8.3 所示為英國通用電氣公司為大亞灣核電廠提供的二回路熱力系統(tǒng)圖，汽輪機采用一臺雙流高壓缸和三臺雙流低壓缸，采用兩級再熱，回熱加熱系統(tǒng)由4級低壓加熱、兩級高壓加熱和一臺除氧器，給水泵采用的是兩臺50%容量的 汽動給 水泵和一臺50%容量的電動給水泵。   概述   主蒸汽系統(tǒng)的功能是把蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽送到各用汽點。這些蒸汽用戶有下列各設(shè)備和系統(tǒng)：汽輪機；汽輪機軸封系統(tǒng)；汽水分離再熱器；通向凝汽器和大氣的蒸汽排放系統(tǒng)；主給水泵汽輪機；輔

8、助給水泵汽輪機；除氧器等。   返回上級 主蒸汽系統(tǒng)的主要設(shè)計參數(shù)見表8.1 額定功率， 蒸汽管線的壓力必須低于所屬的蒸汽發(fā)生器在所有的可能運行工況下的壓力。因此設(shè)計基準與蒸汽發(fā)生器二次側(cè)相同。動力操作安全閥的整定點低于蒸汽發(fā)生器的設(shè)計壓力，以達到限制蒸發(fā)器二次側(cè)壓力的作用?？紤]到蒸汽管線壓降、閥門特性和整定點誤差，整定值定為8.3MPa。對于自行動作的彈簧加載安全閥，它們的整定點高于蒸汽發(fā)生器二次側(cè)設(shè)計壓力，為使在事故工況下，系統(tǒng)載荷的最大處的最高壓力不超過設(shè)計壓力的110，考慮到蒸汽管線壓降、閥門特性和整定點誤差，將整定點定為8.7MPa。安全閥是防止一、二回路超壓的最后保護措施

9、，其總排放量取為額定蒸汽流量的110，但單只安全閥排放量受下列條件限制：在反應堆熱停堆工況下，當一只安全閥失控開啟時，不會導致反應堆所不允許的過度冷卻。trtdpbrbrspantable tdp td pptable tdp trtdtrtdpimgtrtdptrtdpspan返回上級trtdptrtdpspan就核電廠的安全功能而言，主蒸汽系統(tǒng)與主給水系統(tǒng)或輔助給水系統(tǒng)相配合，能在電廠正常運行工況和事故工況下導出反應堆釋放的熱量，為了實現(xiàn)這一功能可與蒸汽排放系統(tǒng)聯(lián)合使用。trtdptrtdpspan 系統(tǒng)描述span trtdpspan trtdptabletrtdpspan設(shè)計

10、壓力span (spanMPaspantdpspan8.6trtdpspan設(shè)計溫度span (tdpspan316trtdpspan運行壓力span (100span額定功率，spanMPaspantdpspan6.71trtdpspan運行溫度span (100 在高低壓缸之間，還設(shè)有汽水分離再熱器對高壓缸排汽進行汽水分離和兩級再熱，采用兩臺汽動給水泵輸送給水至蒸汽發(fā)生器。 以三環(huán)路的大亞灣核電廠為例,從每臺蒸汽發(fā)生器頂部引出一根主蒸汽管道。三根主蒸汽管道分別穿過安全殼，進入主蒸汽隔離閥管廊，并以貫穿件作為主蒸汽管道在安全殼上的錨固點。三根主蒸汽管穿過主蒸汽隔離閥管廊后進入汽輪機

11、廠房，然后合并為一根公共的蒸汽母管。從蒸汽母管將蒸汽引往各用汽設(shè)備及系統(tǒng)，如圖8.4所示。 (點擊圖片可放大每臺蒸汽發(fā)生器出口處都裝有限流器，它實際上是由若干噴嘴組合而成。其作用是限制蒸汽流率，防止發(fā)生蒸汽管道破裂時蒸汽流量過大對一回路造成過度冷卻，從而給核電廠提供保護。每根主蒸汽管道穿過安全殼后，在主蒸汽隔離閥管廊的主蒸汽管道上裝有7只安全閥，它們分為兩組，一組是4臺自行動作的彈簧加載安全閥，另一組為3臺動力操作安全閥，這兩組閥門都直接向大氣排放蒸汽。其中動力操作的安全閥都裝有先導閥的控制機構(gòu)。為限制二回路的壓力，動力操作的安全閥整定值都低于蒸汽發(fā)生器的設(shè)計壓力；4臺彈簧加載的安全閥的整定點

12、高于蒸汽發(fā)生器的設(shè)計壓力。在每根主蒸汽管道上設(shè)有主蒸汽隔離閥，主蒸汽隔離閥為快速隔離閥，在正常運行工況為全開；在事故工況下(比如一根主蒸汽管道破裂，在收到主蒸汽隔離信號后5s內(nèi)關(guān)閉。它是對稱楔形雙閘板閘閥。此外，還有一只與主蒸汽隔離閥并聯(lián)的主蒸汽隔離閥旁路閥，這個旁路閥在汽輪機暖管過程中可打開提供小股蒸汽流量;此外在打開主蒸汽隔離閥前先打開此閥門以均衡主蒸汽隔離閥兩側(cè)壓力,以便于主蒸汽隔離閥的開啟。 主蒸汽管道的管徑按最大蒸汽流量工況下，流速不超過50m/s 的原則確定。 在主蒸汽隔離閥上游，還設(shè)有一個氣動蒸汽排放控制閥，它屬于蒸汽排放系統(tǒng)，當需要時向大氣排放蒸汽。除執(zhí)行蒸汽排放功能外,氣動蒸

13、汽排放控制閥可用來對電廠冷卻降溫。還有一只向輔助給水泵汽輪機供汽的接管。另外，在主蒸汽隔離閥上游裝有一只氮氣供應管線，作為蒸汽發(fā)生器干、濕保養(yǎng)用。鑒于所采用的新蒸汽為飽和汽的特點，在主蒸汽系統(tǒng)的若干處設(shè)有足夠容量和性能完好的疏水裝置，供啟動、運行和停機過程中疏水。每條疏水管線設(shè)有氣動隔離閥和單向止回閥。三條主蒸汽管線來的冷凝水先收集在疏水貯罐內(nèi)，然后送到凝汽器或排放容器，或當凝汽器不能用時送到常規(guī)島廢液排放系統(tǒng)。 在汽輪機廠房內(nèi)，從蒸汽母管引出四根管道與汽輪機主汽門(截止閥相連接。此外，還有兩條通往凝汽器兩側(cè)的蒸汽旁路排放總管。與它連接的還有通向除氧器的蒸汽供汽和排放管線、通向兩臺主給水泵汽輪

14、機供汽管線以及去汽輪機軸封的供汽管線、通向汽水分離再熱器的新蒸汽管線。兩條蒸汽旁路排放總管由一根平衡管線連接在一起。系統(tǒng)特性 span span返回上級283名義流量 (kg/s537.8名義流量時壓降 (MPa0.025最大壓差(閥關(guān)閉時，MPa8.6主蒸汽隔離閥動作時間 (s5主蒸汽隔離閥故障安全位置關(guān)閉主蒸汽安全閥特性 設(shè)計壓力 (MPa8.6設(shè)計溫度 (316運行溫度( 熱停堆時292100額定功率時283整定壓力 (MPa 動力操縱安全閥8.3自行動作安全閥8.7最大流量 (kg/s，8.6MPa時135最小流量(kg/s，8.6MPa時1028.5&#

15、160;回熱加熱器 返回上級 回熱加熱器按汽水介質(zhì)傳熱方式不同可分為混合式和表面式兩種?；旌鲜郊訜崞鳛槠苯踊旌蟼鳠幔槐砻媸絼t由傳熱管將加熱蒸汽和被加熱水分隔開，通過傳熱管壁實現(xiàn)熱傳遞。按表面式加熱器水側(cè)壓力不同，位于凝結(jié)水泵和給水泵之間的加熱器屬于低壓加熱器，給水泵下游的加熱器叫做高壓加熱器?；旌鲜郊訜崞?混合式加熱器可將水加熱至蒸汽壓力下的飽和溫度，即無端差，經(jīng)濟性好；由于沒有金屬傳熱面分隔，結(jié)構(gòu)簡單，并能去除所含氣體，除氧器就是一個混合式加熱器。但是混合式加熱系統(tǒng)的缺點是在加熱器出口需配備水泵，有的水泵在高溫條件下工作，汽輪機變工況運行時，會影響水泵工作可靠性，因而要備用水泵

16、。為了防止水泵汽蝕，每臺水泵上游要有高位水箱，這些都使得采用混合式加熱器系統(tǒng)時系統(tǒng)和廠房布置復雜，增加設(shè)備投資。表面式加熱器表面式加熱器通過金屬壁將加熱蒸汽的凝結(jié)放熱量傳遞給凝結(jié)水或給水，因有傳熱阻力，一般不能將水加熱至加熱蒸汽壓力下的飽和溫度。加熱蒸汽壓力對應的飽和溫度和加熱器出口水溫之差稱為端差。由于端差的存在，加大了蒸汽的作功能力損失，降低了電廠的熱經(jīng)濟性。加熱器設(shè)備造價較高。然而，就整個由表面式加熱器組成的給水加熱系統(tǒng)而言，卻比混合式加熱系統(tǒng)簡單，運行也較安全可靠。因而，在現(xiàn)代電廠中，除除氧器外，普遍采用表面式加熱器。    （1） 表面式加熱器出口端差

17、 給水溫度一定時，減小端差后可使抽汽壓力降低，抽汽在汽輪機中的作功量就可以增加，可見，汽輪機的經(jīng)濟性隨加熱器差減小而提高，但減少端差的主要辦法是增加傳熱面，增加加熱器傳熱面使金屬耗量和投資費用都要增加。經(jīng)濟的端差值要通過綜合技術(shù)經(jīng)濟分析確定。   （2） 表面式加熱器結(jié)構(gòu)特點  表面式加熱器多用U型管作為傳熱管的管殼式加熱器。放置方式有立式和臥式兩種，立式加熱器占地面積小，便于檢修，但對廠房高度有要求，且傳熱系數(shù)不及臥式加熱器。單管試驗表明，在同一凝結(jié)放熱條件下，橫管放熱系數(shù)約為豎管的1.7倍。因此，臥式加熱器得到日益廣泛的應用。圖8.5所示為我國大亞灣

18、核電廠采用的臥式低壓加熱器，它由一個殼體、U形管束，防蒸汽沖擊板、隔板、管板和給水進、出口水室等組成。U形管脹接在管板上，管板再與水室和殼體焊在一起。給水從水室端下部進入，經(jīng)U形管束從上半水室流出；加熱蒸汽進入殼體遇到防蒸汽沖擊板后，流向管束與殼體之間的環(huán)形蒸汽空間，沿U形管長度均勻分布，進入加熱管束加熱給水，凝結(jié)水由殼體底部的疏水口排出。 (點擊圖片可放大大亞灣核電廠的臥式高壓加熱器也是U形管表面式熱交換器，加熱蒸汽與給水流程與低壓加熱器情況類似。所不同的是，高壓加熱器除冷凝段外，還有獨立的疏水冷卻段。疏水冷卻段位于加熱器底部一個獨立的罩殼內(nèi)，其內(nèi)部設(shè)有擋板，使加熱蒸汽的凝結(jié)水與管內(nèi)側(cè)給水逆

19、流流動，提高傳熱效果，以使疏水溫度進一步降低，使該級疏水自流到壓力低一級的加熱器時盡量減少對下一級抽汽的影響。   （3）加熱器的連接方式在確定加熱器的連接式時，應考慮到便于加熱器退出運行檢修，系統(tǒng)對給水溫度影響小和系統(tǒng)簡單等因素。近代大型核電廠，二回路加熱器連接方式采用多列大旁路的設(shè)計。多列是指一級加熱器分成幾個并聯(lián)的小加熱器；大旁路是指幾級加熱器常聯(lián)在一起，共用一個旁路管線。大亞灣核電廠低壓加熱器連接情況是:由凝結(jié)水抽取系統(tǒng)送來的凝結(jié)水，經(jīng)隔離閥后分成三條并聯(lián)管線，分別經(jīng)過第1、2級低壓加熱器后，匯入母管中，經(jīng)隔離閥后分成兩列進入相互串聯(lián)的第3、4級低壓加熱器，第4級低

20、壓加熱器出口的凝結(jié)水匯入一條管線至除氧器。因此，對于第1、2級低壓加熱，分成三列；第3、4級分成兩列。每列的入口和出口設(shè)有隔離閥，同時有旁路閥。一列之內(nèi)的相鄰加熱器間不設(shè)隔離閥，若某列的第3級加熱器故障需隔離時，則該列中兩級加熱器的進出口隔離閥關(guān)閉，這時有1/2凝結(jié)水量經(jīng)旁路閥與經(jīng)過另一列兩級加熱器的1/2凝結(jié)水在出口混合后進入除氧器，此時給水溫度有所降低，但機組的功率仍能維持100%。這種設(shè)計的主要優(yōu)點是系統(tǒng)相對簡單，設(shè)備投資費用小。 與多列大旁路對應的是小旁路連接方式。實際上是每一臺加熱器進出口都設(shè)置隔離閥和旁路閥，這種設(shè)計的好處是將加熱器故障隔離對給水溫度的影響減小到最小，但系統(tǒng)復雜，不

21、適合大型電廠。 抽汽系統(tǒng) 返回上級   各級低壓加熱器的蒸汽來自低壓缸抽汽。在從低壓缸通往加熱器的抽汽管道上裝有逆止閥和隔離閥，逆止閥的位置盡量靠近抽汽口，以減少中間容積，防止汽輪機甩負荷時蒸汽或水倒流入汽輪機；隔離閥位置靠近加熱器端，防止加熱器傳熱管破裂或疏水受堵造或殼側(cè)滿水時倒流入抽汽管道。大亞灣核電廠二回路一、二級低壓加熱器直接布置在凝汽器喉部，這樣大大縮短了抽汽管道長度，減小了濕汽容積，降低了汽輪機超速的危險性，所以這種情況下抽汽管道上不裝逆止閥和安全閥。用于高壓加熱器的抽汽來自高壓缸，抽汽管線上設(shè)有逆止閥和隔離閥，設(shè)置原則與上述低壓加熱器的相同。 疏水系統(tǒng) 返回上級     加熱蒸汽在加熱器或管道內(nèi)的凝結(jié)水稱為疏水。這里講的疏水指加熱器殼側(cè)的凝結(jié)水。疏水方式有采用逐級自流的連接系統(tǒng)、采用疏水泵的連接系統(tǒng)和疏水冷卻器系統(tǒng)。逐級自流疏水系統(tǒng)疏水泵系統(tǒng)疏水冷卻器系統(tǒng)(點擊圖片可放大表面式加熱器的疏水利用相鄰加熱器之間的壓力差，將抽汽壓力較高的加熱器內(nèi)的疏水逐級自流至相鄰壓力較低的一級加熱器中，這樣的疏水系統(tǒng)稱為逐級自流疏水系統(tǒng)。對一個全部采用逐級自流的疏水系統(tǒng)，高壓加熱器逐級自流疏水至除氧器；對于除氧器前面幾級低加加熱器，疏水最終