核电站1 000 MW汽轮机快速冷却方案探究

何伟男，王兆彪，吴晓东，丁皓姝，邹 迪

(1. 中广核工程有限公司，深圳 518000； 2. 东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 132000)

核电站为降低汽轮机停机后的整体温度，多采用滑参数停机的方式来达到汽轮机冷却的目的，在机组冷却过程中，选择机组在空载平台运行或厂用电平台运行，缸体温降效果也不相同[1]。核电机组在完成了滑参数冷却过程，执行汽轮机解列及打闸操作后的自然冷却阶段时间过长，参考国内600 MW汽轮机自然降温到423 K以下大约需要7天，对核电站而言，这样的耗时限制了汽轮机的检修效率，给核电生产经济性带来巨大影响。

本文结合火电机组快速冷却经验，通过创建缸体温降的模型，分析影响温降的因素，提出一套适用于核电站汽轮机机组快速降温的控制方案。本方案以保障机组设备为前提，缩减核电站缸体温降耗时，保证机组检修计划如期执行。本方案的提出可为国内其他核电机组的缸体温降控制提供参考和借鉴。

1 汽轮机冷却技术存在的问题

目前国内汽轮机快速冷却技术虽已成熟，但不同电厂的汽轮机冷却效果不尽相同，具体分析见下文。

1.1 滑参数过程调节方式不同

各电厂大多采用滑参数停机来降低停机时汽缸的温度水平，但滑参数停机时，主蒸汽温度控制较为困难，蒸汽温度的大幅波动甚至会引发汽轮机部件损伤的事故。通过降温建模分析可知，初始温度相同的情况下，通过在允许范围内提高降负荷速率，可以增加壁面换热降温效果。同时，在降温过程中选择合适的功率平台，持续对汽缸进行低负荷蒸汽吹扫冷却，也可以在保证低能耗的情况下提高降温速率。综上，滑参数速率调节及持续吹扫的平台选择不同，将导致不同的降温效果。

1.2 停机后自然冷却时间过长

容量大、参数高、尺寸大的汽轮机高压缸普遍采用硅酸钙、硅酸铝等优质保温材料来进行保温，其会在停机后造成自然冷却速度减慢。以国产200 MW机组为例，汽轮机停机后要使缸温自然冷却到揭缸温度，即423 K以下，约需4～6天的时间。

由于汽轮机机组运行功率越高，其自然冷却所需要的时间越长，而功率均在1 000 MW以上的核电站汽轮发电机组，自然冷却耗时会更长。此外，汽轮机机组检维修均使机组经历多次的自然冷却，降温消耗的时间严重影响了机组可用率和机组检修及整组启动的进度。

2 汽轮机快速冷却问题的分析

2.1 滑参数降温过程分析

对常规火电机组滑参数冷却过程问题梳理后发现，决定核电厂汽轮发电机组滑参数冷却效率的因素主要有三方面，即不同汽轮机功率下的蒸汽温度、不同汽轮机负荷下降速率及保持持续吹扫的不同功率平台。

2.1.1 不同汽轮机功率下的蒸汽温度

根据CPR1000机组反应堆温度及功率控制原理，结合理论设计趋势线可知，调节阀开度的增加降低了蒸汽通过阀门时的局部损失，进而提高了蒸汽的压力和流量，提高了进汽温度，最终提高了汽轮机机组的功率。换言之，汽轮机功率越高，对应做功的蒸汽压力和温度就越高。

物体被冷却时的对流换热基本计算公式如下：

q=h(tf-tw)

(1)

式中：q为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量，W/m2；h为表面对流传热系数,W/(m2·K)；tf为流体温度，K；tw为壁面温度, K。

由式(1)可知，当高中压缸缸体温度不变，要获得更好的冷却效果，就要选择温度尽量低的流体进行换热。由汽轮机负荷和进汽温度的对应关系可知，汽轮机负荷越低，则进汽温度越低，冷却效果越好。

2.1.2 汽轮机降负荷速率及持续吹扫平台选择

在初始条件确定的情况下，功率下降速率直接影响降温速率，若想达到更快的降温效果，就要在合理的范围内尽可能选择大的降功率速率。

汽轮机空载工况下蒸汽参数低，可以达到较好的降温效果。空载工况下蒸汽湿度较大，对汽轮机的运行和叶片安全会产生较大危害，此时汽轮机旁路系统第1组阀门处于压力调节模式，如果使阀门开度持续变化以平衡一、二回路压力，就会对阀门盘根及执行机构造成频繁的磨损，影响阀门寿命，所以汽轮机不适宜长时间在空载状态下运转。

通过对比某核电站一期工程2台机组的汽轮机快速冷却试验结果，结合二期3号机快速冷却方案，决定以3 MW/min的速率执行机组降负荷,这样可以满足核电站运行技术规范中降负荷速率不大于5 MW/min的要求，同时可以保持机组在空载阶段运行，直到高中压缸温度降至满足汽轮机打闸的要求。

2.2 打闸停机后缸温冷却过程分析

通过分析及对比火电机组的汽缸冷却经验[2]，认为停机自然冷却阶段采用内冷却方式对于高中压缸的冷却效果最为明显，常见的冷却方法有3种：

1)自然冷却。在盘车转速下停运汽轮机轴封系统及真空抽取系统，使汽轮机进行自然冷却。此方法属于内部调节，投运主盘车对缸温进行冷却，投资为零，且容易实现，但由于汽轮机轴端处进入的环境空气温度和高中压缸内部温度相差较大，容易产生较大的热应力，影响汽轮机轴系参数。

2)蒸汽冷却。保持汽轮机冲转中的某个转速平台，将转速限定在300～1 000 r/min区间，保持蒸汽通流对汽轮机进行冷却。此方法也属内部调节，投入不大，但由于蒸汽参数低，过热度不够，无法避免局部凝结现象。该方案会对汽轮机安全造成很大影响。

3)压缩空气冷却。将净化和加热后的压缩空气通入汽轮机，进行强制对流换热冷却，缸体内壁与压缩空气的温差由热应力水平而定，冷却速度通过空气通流量调节。由于空气比热容小，对流传热系数小且无相变换热，冷却过程可控且安全。

对于以上3种冷却方式，国内广泛采用蒸汽冷却的方式，在自然冷却阶段，使用快速冷却装置可以大大提升降温速度。

3 汽轮机快速冷却建模分析

3.1 功率平台与冷却效果的建模分析

国内某1 000 MW核电机组在停机过程中，选择在15%满功率(Full Power，FP)平台保持稳定运行，待温度降至蒸汽参数的下降不会导致相变产生的工况后，继续降低功率，直至空载状态。下面将针对选择功率平台保持稳定运行这一方案进行建模分析。

3.1.1 无对应功率平台的方案建模分析

无对应功率平台建模，即以不同的降功率速率使汽轮机降至空载状态，将每个降负荷速率标准下温度云图的分布情况作为评价标准。为进行更为全面的验证，分别采集了0.2 K/min、0.5 K/min、0.7 K/min、1.0 K/min降温速率下的温度云图，如图1至图4所示。

图1 无功率平台蒸汽温降速率0.2 K/min温度云图

图2 无功率平台蒸汽温降速率0.5 K/min温度云图

图3 无功率平台蒸汽温降速率0.7 K/min温度云图

图4 无功率平台蒸汽温降速率1.0 K/min温度云图

通过对比无功率平台的温度云图可以看出，在蒸汽温降速率不同的情况，侧视图的换热缸体整体的内部速度分布存在较大差异。如图1至图4所示，在降温速率较低时，缸体近壁面处蒸汽流速较小，小流速的蒸汽对壁面的吹扫较弱，从而导致壁面换热效果较差，而提升蒸汽温降速率之后，近壁面小流速的蒸汽明显减少，加强了壁面换热。所以，降负荷速率的增加对壁面换热降温是有利的。

同时，温度云图显示，在低降温速率的工况下，壁面表面的温度分布不均，存在温差较大的区域，这证明在低降温速率工况下，壁面会存在散热不均的情况，这也会影响整体缸体温降。

3.1.2 有功率平台的方案建模分析

假定机组存在某个特定的功率平台，该平台对应的稳定工况蒸汽流动可以使缸体换热效果达到最优。机组降至这个特定的功率平台维持运行，加以不同的蒸汽温降速率，可以得到不同的温度分布云图，如图5至图8所示。

图5 有功率平台蒸汽温降速率0.2 K/min温度云图

图6 有功率平台蒸汽温降速率0.5 K/min温度云图

图7 有功率平台蒸汽温降速率0.7 K/min温度云图

图8 有功率平台蒸汽温降速率1.0 K/min温度云图

对比有功率平台不同蒸汽温降速率的温度云图可见，不同温降速率对应的温度云图比无功率平台分布更为均匀，没有出现无功率平台下蒸汽回流不畅的现象，可知在同等温降速率的条件下，有功率平台的换热效果要略优于无功率平台的换热效果。同时，有功率平台的温度分布更为均匀，这证明缸体表面的换热情况比无功率平台情况更好，更利于缸体冷却。

3.2 降功率速率与冷却效果的建模分析

不同功率平台下蒸汽温度不同，当机组功率较低时，其蒸汽温度也较低，因此在冷却过程中，应该尽可能让功率下降，从而使用更低参数的蒸汽对汽轮机高中压缸进行冷却，不同的降负荷速率对冷却也有着不同的影响。

在有功率平台运行和无功率平台运行的建模模拟过程中，在蒸汽温降速率0.2～1.2 K/min的范围内以不同的蒸汽温降速率冷却缸体温度，获得如图9及图10所示的结果。通过对图9的分析可知，当蒸汽温降速率较低时，靠近冷却壁面较近处蒸汽流速小，蒸汽对壁面的吹扫作用较弱，而温降速率提升时，近壁面处低速区范围减小，利于缸体降温。与图9分布相比，图10沿流动方向蒸汽流速分布均匀，横截面蒸汽速度变化较小，且低速区范围小，更利于缸体降温。

图9 无功率平台蒸汽速度云图

图10 有功率平台蒸汽速度云图

无功率平台和有功率平台温度-时间总图如图11、图12所示。图11和图12内各曲线的斜率代表蒸汽温降速率的快慢。由图11中蒸汽温降速率为0.2 K/min和0.5 K/min对比可见，缸体温度逐渐下降，且在蒸汽温降速率为0.5 K/min时下降比0.2 K/min更快。而在蒸汽温降速率为0.7～1.2 K/min温度下降曲线出现拐点，拐点前斜率大于拐点后斜率，这说明在某一时间点后，蒸汽温降速率的提升并不会使缸体温度下降更多。同时，当蒸汽温降速率从0.2 K/min升至0.7 K/min时，三条曲线在温降试验进行至4 200 s时从500 K分别降至473 K、463 K、453 K。从时间点4 200 s开始，温降曲线出现交点。以0.7 K/min与1.0 K/min交于4 200 s左右为例，时间点4 200 s之前，蒸汽温降速率1.0 K/min下的缸体温降比0.7 K/min更多，4 200 s后在蒸汽温降速率0.7 K/min下的缸体温降比1.0 K/min多。

图11 无功率平台温度-时间总图

图12 有功率平台温度-时间总图

综上所述，以蒸汽温降速率表征机组降负荷速率，某核电站在进行汽轮机冷却过程中，选择以3 MW/min对汽轮机执行降功率，不大于5 MW/min，是满足要求的，且得到建模论证的。

4 汽轮机快冷装置的应用总结

前文已经证明，汽轮机打闸停机后自然冷却阶段使用净化及加热的压缩空气冷却，是最佳冷却方案。国内某核电站初步实践应用了汽轮机快速冷却装置[3]，并取得了良好的试验效果。

4.1 汽轮机快冷装置设计方案

结合某核电站汽轮机结构特点，通入压缩空气，以顺流的形式快速冷却高压缸。冷却气流动如图13及图14所示，冷却空气经调门进入主蒸汽管道，由主蒸汽管道通过高压缸中部上下进口流入高压缸，冷却空气进入高压缸后，在高压缸内部以顺流的方式流动。

图13 冷却空气进气流动示意图

图14 高压缸冷却空气排气流动示意图

通过4个主汽门调门上的快冷装置接口注入冷却空气,冷却时需同时打开4个快冷接口，快冷装置接口位置如图15和图16所示。然后冷却空气通过高压缸排汽口排至汽水分离再热器壳侧，经汽水分离疏水箱流入凝汽器，最后由凝汽器汽侧人孔排入大气。

图15 主调节阀快冷接口法兰位置示意图

图16 调阀本体上的快冷接口图纸

4.2 汽轮机快冷装置投运方案

某核电站快冷装置投运方案如下：

1)汽轮机打闸后，凝汽器真空被破坏，主机保持盘车运行状态，打开高压缸进汽主调阀门，打开1号凝汽器汽侧人孔门；

2)快冷装置运行1 h，高压缸进气量为40 m3/min，设定快冷装置出口温度为323 K，压力为0.4～0.6 MPa，保持快冷装置运行1 h；

3)快冷装置运行47 h，高压缸进气量为80 m3/min，设定快冷装置出口温度为323 K，压力为0.4～0.6 MPa，保持快冷装置运行47 h。

4.3 汽轮机快冷装置投运对比总结

2015年3月31日，此核电站一期工程2号机组8:22发电机电功率由1 099 MW降至1 030 MW；4月1日23:00汽轮机转子在低速盘车状态(2 r/min)和高压缸转子温度396.8 K状态点开始投入汽轮机快冷装置；4月3日7:00按照快冷设计要求(当高压转子温度低于363 K且无明显回升，则可结束强迫通风冷却)，现场控制汽轮机高压缸转子温度,使其降至358.6 K。汽轮机经过快冷降温后达到盘车停运条件，汽轮机快冷实际总计用时32 h，实现了汽轮机快冷设计预期结果，满足了汽轮机从机组打闸至盘车投运时间控制在48 h之内的要求。

5 结 论

本文通过介绍国内某1 000 MW核电站汽轮机高中压缸快速冷却过程建模试验，分析了不同蒸汽温降速率、不同汽轮机保持运行的功率平台对缸体温降速度的影响，探究出一套适用于该核电站汽轮机加快缸体温降速率的冷却方案。

该汽轮机冷却方案以1 000 MW核电站实际冷却过程数据为参考，通过专业软件建立冷却模型模拟缸体温降。结合核电站功率控制要求，提出降负荷速率及维持运行的功率平台等建议，并通过在运机组验证方案，确认该方案相比于以往的冷却方案有很大改进。该方案具备了建模分析研究的科学性，能够为国内1 000 MW核电机组缸体温度冷却提供借鉴。