核电站凝汽器与火电厂凝汽器比较研究

2018-03-08吉慧敏周涛刘健全

科技资讯 2018年26期

吉慧敏　周涛　刘健全

摘要：通过对核电站凝汽器与火电凝汽器在结构特性、材料选用和运行参数等方面的比较，阐述了两系统之间结构、运行的差异与共性。两者的运行流程均为：汽机排出蒸汽→蒸汽与铜管接触→凝结水→管壁→热井→加热器。但是核电凝汽器会设置水幕喷淋管组，它的管束也比火电凝汽器的数量多，核电凝汽器管束的布置有古钱币式、带状式等排列方式，相对于火电凝汽器的均匀分布的布置方式要复杂些。设计的要求迥异导致了两者总体传热效率的不同。

关键词：核电凝汽器火电凝汽器共性差异

中图分类号：TM623.7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）09（b）-0052-05

Abstract： This paper describes the structure， operational differences and similarities between the two systems through the comparison of thermal power plant condenser condenser ， in terms of structure， material selection and operation parameters.Both run the same process，that is，Steam Turbine's exhaust steam→Contact with the steam side of condenser copper tube→Condensation Condensate along the wall→Hot Well→Heater.However， the condenser water curtain spraying pipe is set in nuclear power group，It's much more than the number of power plant condenser tube bundle，Nuclear Power Plant condenser tube bundle arrangement of the layout of ancient coins or ribbon type etc is more complicated than the uniform distribution of thermal power plant.Different design requirements lead to the overall different heat transfer efficiency.

Key Words： Nuclear condenser； Power plant condenser； Commence； Differences

凝汽器是凝气式汽轮机的主要辅助设备，其热力性能对汽轮机装置运行的经济性[1]和安全可靠性[2]都具有重大的影响。随着汽轮机单机容量的不断提高，凝汽器的尺寸和质量越来越大，而且伴随着锅炉和核动力装置在电力工业中的应用和发展，对与之配套的电站凝汽器的性能[3]也提出了更高的要求。通过比较核电凝汽器和火电凝汽器二者之间的共同点和差异性，可以为凝汽器设计[4]及运行中相互借鉴。

1 工作原理

1.1 功能

1.1.1 凝结作用

凝汽器通过冷却水与乏汽进行热交换，带走其汽化潜热而使它凝结成水，再经过回热作为锅炉给水，循环使用。

1.1.2 维持作用

这是降低凝气式发电机组的终参数、对提高电厂循环效率是必要的。

1.1.3 除氧作用

现代凝汽器都要求有除氧作用，从而达到防止机组腐蚀的要求。

1.1.4 回收作用

凝汽器能够接受机组启停和正常运行中的疏水，接收机组启停和甩负荷过程中系统的旁路排气，以回收热量和减少循环工质损失；凝汽器还可以作为一级热网加热器。

1.2 结构

凝汽器可分为表面式凝汽器和混合式凝汽器两种，而国内绝大多数电站凝汽器都以江水或海水作冷却水，所以一般运用的凝汽器为表面式凝汽器。

某火电厂表面式凝汽器的结构[5]，如图1所示。某核电表面式凝汽器的结构[6]，如图2所示。

从图1可以看出，某火电站表面势凝汽器主要组成有冷却水出入口、前后水室、蒸汽入口、冷却管以及凝结水集水箱等。

从图2可以看出，某核电表面式凝汽器的主要组成有壳体、水室、喷淋管、疏水盘、热井等。

1.3 运行

無论是核电凝汽器还是火电凝汽器，在凝汽器启动之前，应先将凝汽器投入运行并投入主抽气设备，使凝汽器内形成一定真空，启动前应关闭凝汽器上所有放水阀门，打开循环水出口、入门口。

2 特点比较

2.1 共性

目前，世界各国不管是火电机组还是核电机组凝汽器均有采用不锈钢、钛板或钛复合板作为管板材料，而母材则采用普通碳钢。

火电机组和核电机组中的凝汽器功能和运行步骤基本一致。即：排气在凝汽器中持续地凝结成水，形成高度真空；排出凝结时放出的热量并送走生成的凝结水。

凝汽器管材的腐蚀防护两者都可以采用涂料涂覆和阴极保护。

2.2 结构差异性

2.2.1 布置

在凝汽器汽侧，具有一定流速的汽机排汽会对凝汽器内部件造成冲蚀。为了达到防冲蚀的效果，一般在迎汽区顶部布置却管，但是与火电相比，核电汽轮机的排汽湿度更大，排汽夹带的水滴经蒸汽加速后，对凝汽器内部件的冲蚀更严重[7]。比较图1、图2我们可以看出，凝汽器均由壳体、水室、冷却水管、热井及附属设备组成。不同的是，核电凝汽器设置了水幕喷淋管组，它可以防止低旁蒸汽进入凝汽器后引起升温，另外它的输水管、排水管、支撑管也比火电凝汽器的数量多，布置也更复杂一些。

2.2.2 管束

对于凝汽器而言，由于管束振动产生的后果往往很严重。所以管束振动是一个被关注的重要问题。相同等级的核电与火电相比，核电凝汽器蒸汽凝结量约为火电的2倍，并且还要满足可能存在的最危险工况安全运行。管束的布置遵循着相同的原则：管束第一排应稀疏一些；留有一定的蒸汽通道；蒸汽、空气混合物到抽气口途径短；设挡汽板；留有到热井的蒸汽通道；有空气冷却区；设凝结水挡板[7]。

秦山600MW核电凝汽器的管束布置[8]，如图3所示。

西门子所属火电凝汽器的管束布置[9]，如图4所示。

从图3可以看到，秦山核电凝汽器管束布置是先进的古钱币式排列形式，传热效率高，结构布置合理，汽流均匀进人管束，汽阻小，蒸汽空气混合物向抽汽口运动路程短，在管束四周有足够蒸汽通道，部分蒸汽直接下流对凝结水进行回热除氧，使凝结水出口含氧量小、过冷度低，该管束排列形式的总传热系数比按照HEI标准计算的总传热系数可提高5%（这个余量并不包括在传热面积计算余量之内），从而提高了机组效率。

从图4可以看出，西门子凝汽器的管束由4～8组小管束组成，对称均匀分布，管板中管孔所占的比例相对较少，管束排列较为疏松，使传热更为有利，相同条件下可减少凝汽器的面积。该型管束的总传热系数，比按H E I 标准计算的计算值，可以提高10%～15%，机组效率由此亦可得到提高。

2.2.3 疏水

核电机组系统与火电机组有所不同，核电系统中多了很多其他疏水。如MSR壳侧疏水、MSR高压再热器疏水和MSR低压再热器疏水等。这些疏水的增加，加大了疏水布置的难度。

2.3 参数差异

将某热力发电厂[10]、大亚湾核电站[11]、岭澳核电站凝汽器[11]热力性能的参数比较，如表1 所示。

从表1可以看到，影响凝汽器热力性能的因素是多方面的，除循环海水入口温度外，主要有凝汽器冷却管清洁系数、循环海水流量及冷却管束布置方式。大亚湾采用的椭圆形布置方式有以下特点：汽流流经的管子太密集，通道窄，汽流流速高，流阻大，传热效率大大降低；与之相比，岭澳核电站的带状布置方式，蒸汽通道面积大，流速低，不凝结气体通道又大大缩小，致使压力损失较小，并且将空气冷却区布置在了管束最佳位置上，有利于不凝结气体的冷却和排出，从而大大提高了冷却管传热性能。而某热力发电厂与核电站相较而言，冷却水流速低，流量小，管束布置密集，传热效率很不理想。

2.4 腐蚀的差异

现代高参数、大容量机组中由于凝汽器密封性差而引起汽水品质不良从而导致腐蚀的问题日渐严重，因其泄漏而导致的水冷壁爆管事故时有发生。

核电最初所用的凝汽器碳钢壳体多采用环氧树脂涂层进行内防腐，但由于涂层损坏导致壳体腐蚀穿孔时有发生，故改为衬胶保护。火电所用的凝汽器部分为铜合金管板的腐蚀问题却在增加衬胶保护后存在一定的加剧趋势，所以一般采用外加电流阴极保护的措施。

只应用于核电站和海水冷却的钛管因表面具有一层钝化膜在任何水质的冲刷下都不会发生变化，且有比不锈钢高得多的耐蚀性，另外也不会造成核电站二回路的铜污染。火电行业内由于铜管材不良的使用弊端开始推广不锈钢管材，不锈钢管不像铜管材需要人造保护膜措施，不会出现汽侧的氨腐蚀和水侧的侵蚀腐蚀。

3 改进措施

3.1 性能改进的共同性措施

从评价凝汽器的性能指标[12]来讲，两者通用的改进措施如下。

（1）真空。凝汽器真空的好坏，对循环效率所产生的影响是和机组初参数的影响同等重要。如300MW的机组[13]，若凝汽器真空下降1kPa，则机组的热耗约上升52.68kJ/（kW·h），而机组初压下降490kPa，机组热耗才上升20.93kJ/（kW·h）。核电机组的凝汽器對真空的要求更为严格。

（2）凝结水过冷度。一般凝结水过冷度增加1%，火电机组的煤耗量将增加约0.13%，而对于核电机组来讲，性能优良的凝汽器，在不采用专门除氧装置的条件下，自身就可以使过冷度接近零。

（3）凝结水含氧量。测试表明，凝结水含氧量随负荷的降低而增大，且沿管长不均匀分布。

3.2 性能改进的差异性措施

（1）核电凝汽器壳体不变的情况下，凝汽器管束可采用带状布置方式，蒸汽通道面积大，流速低，不凝结气体通道又大大缩小，大大提高了冷却管传热性能。

（2）核电对凝汽器冷却管进行清洗，应采用在线清洗方式。

（3）火电凝汽器的管束可以布置在主蒸汽通道上，以减少蒸汽阻力，增加换热面积，强化传热。

3.3 腐蚀的共同性改进措施

针对凝汽器的腐蚀，两者通用的改进措施[14]如下。

（1）对于低压缸高速排汽汽流限定的情况下可以加装导流板以使上部管束汽流变得均匀分布从而降低凝汽器的冲刷腐蚀。

（2）在凝汽器安装前后对冷却管减少或消除残余拉伸应力是消除凝汽器应力腐蚀行之有效的方法。

（3）在凝汽器的结构设计时应注意结构设计，改善抽气状况，并把添加剂注到主给水使氨及氨的化合物浓度减少到最低限度以降低凝结水腐蚀。

（4）在工艺处理过程中，避免铁在铜镍合金中的沉淀以及在冷却水中加入亚离铁子来对铜合金表面进行预处理，从而降低凝汽器的点蚀、隙蚀和硫化物腐蚀。

3.4 腐蚀的差异性改进措施

（1）核电使用的不锈钢凝汽器中，冷却水的浓缩倍率越高，冷却水对不锈钢的侵蚀性越强，钙垢等析出造成冷却水中含氧酸根离子浓度下降，冷却水在浓缩过程中对不锈钢侵蚀性的增大。在火电厂铜管凝汽器的腐蚀中，氯离子的腐蚀占主导作用，硫酸根浓度越高，对铜管的侵蚀性越强。

（2）核电凝汽器中，由于用阻垢剂起到阻垢和对不锈钢[15]的缓蚀效果，随着阻垢剂浓度的增大，耐蚀性能提高。当阻垢剂浓度达到一定数值，不锈钢极化曲线出现过钝化。加酸可以显著提高冷却水体系的阻垢缓蚀效果。在火电凝汽器中，主要表现在其容易使铜产生孔蚀，较高浓度的S2-对钝化膜的作用使得其保护性能下降，在含S2-的水中，氧与S2-共同作用，使铜管的锌选择溶解加剧。

4 结论

经过比较，国内无论火电厂还是核电站的凝汽器基本采用的用冷却水作为冷却介质的表面式凝汽器。

（1）结构方面，均由壳体、水室、冷却水管、热井及附属设备组成。不同的是，核电凝汽器管道数量更多，布置也更复杂一些。

（2）核电凝汽器与火电凝汽器的功能及运行过程的原理基本一致，排气在凝汽器中不断地凝结成水，建立高度真空，将凝结时放出的热量排出、最后将生成的凝结水汇集送走。

（3）材料方面，火电厂凝汽器的管材大多采用铜管材和待大规模推广的不锈钢材料，核电站凝汽器绝大多数采用不锈钢、钛板或钛复合板作为管板材料，而母材则采用普通碳钢。

（4）火电厂的凝汽器改进方案可以参考核电站传热性能高的凝汽器，凝汽器热力性能的因素是多方面的，通过改变管束的布置方式提高总体传热系数，并考虑适当地增加循环水量，以提高凝汽器的传热性能。

（5）无论是火电还是核电凝汽器都应尽量减少腐蚀危险，各种管材各具有不同的优缺点，火电厂和核电站都须注意各种材质的独特性能并应结合冷却水质及运行工况使腐蚀降低至最小程度或避免。

参考文献

[1] D Moalem，S Sideman.Theoretical Analysis of a Horizontal Condenser-Evaporator Elliptical Tube[J]. Jaournal of Heat Transfer，1975，97（3）：352-359.

[2] 于立琦，罗剑斌.危及汽轮机安全运行的热力系统常见问题[J].河南电力，2001，22（1）：8-11，30.

[3] 周涛，张明，张蕾，等.中国核电汽轮机的参数及其发展趋势的研究[J].中国电业：技术版，2012（2）：40-53.

[4] 张晨.大型机组凝汽器的模块化分析设计[J].电站辅机，2010（1）：14-18.