CPR1000核电机组低功率平台汽轮机高中压缸冷却方案探索

蒋磊 魏彤路 志林 尹龙江 孙安

摘 要

根据CPR1000核电机组大修期间高中压缸冷却方式和温度曲线，对降功率期间各阶段高压缸降温数据进行了统计分析，并分析了中压缸温度对高压缸的影响，提出了通过降低降功率速率以增加低功率平台停留时间，期间同时隔离GSS二级加热器，从而加快高中压缸冷却速度。

关键词

核电;低功率平台;汽轮机;高中压缸冷却

中图分类号： TM621                     文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 08

Abstract

According to the cooling mode and temperature cure of high-mid pressure cylinder during overhaul of CPR1000 nuclear power unit， the data of cooling temperature of high pressure cylinder during the period of power reduction is statistically analyzed， and the influence of medium pressure cylinder is analyzed. It is proposed to increase the residence time of the low power platform by reducing the power reduction rate， and isolate the GSS secondary heater at the same time， so as to accelerate the cooling rate of high-mid pressure cylinder.

Key words

Nuclear power unit; Low power platform; Steam turbine; High-mid cylinder cooling

0 概述

红沿河核电厂一期工程采用中国自主知识产权的CPR1000核电技术，建设4台百万千瓦级机组。红沿河汽轮机采用饱和蒸汽、单轴、四缸、六排汽、中间再热、冲动凝气式半转速汽轮机，有一个高中压合缸（HIP）和三个双流道、双排汽低压缸（LP）组成。HIP缸为低合金钢铸造汽缸，整个汽缸由高压、中压两段且水平中分的4部分组成，高压段和中压段的垂直结合面用螺栓联接并在外层用密封焊，汽缸水平结合面法兰采用螺栓联接。高压缸通过四根导汽管与高压汽室连接，上下各两根，高压缸端部上下各两根排汽管将蒸汽送入汽水分离再热器中，再热蒸汽经过加热除湿分别从上下各两根导汽管进入中压缸汽室。高压缸共9级，第4、6级设置有抽汽，中压缸工4级，第2级设置有抽汽。

1 现行冷却方式分析

目前红沿河核电厂采用正常停机解列后，汽轮机保持1500rpm的转速进行空载3.5H或缸温到达165℃后打闸，在汽轮机空载冷却期间，监控高压缸和中压缸的进汽参数，隔离GSS二级再热器，以调节和降低高压缸和中压缸进汽参数，打闸后自然冷却至120℃。

红沿河核电近三轮大修，分别为常规岛开高中压缸抽发电机转子、开低缸抽发电机转子、不开缸大修，常规岛已成为整个大修的关键路径，这三轮大修常规岛的主关键路径为主机发电机和油系统检修，均受到高中压缸冷却至120℃时间限制，从解列至120℃分别所需时间为68.4H、60.4H、54.4H，全部占用常规岛关键路径时间。通过实时信息监控系统调取相关参数绘制某大修正常停机高中压缸冷却曲线，如下图1。解列后增加空载时间，此时进入缸内的蒸汽参数降低，蒸汽流通加快缸温冷却速度1，在打闸之后，无蒸汽流通，缸温降速明显降低。大修按解列开始计算大修工期，因此空载冷却时间同时占用常规岛、核岛关键路径工期。

2 冷却原理简析

由图1可以看出，随着机组降功率，GRE调阀逐渐关小，VVP蒸汽经过GRE调阀的节流作用，进入高压缸的蒸汽温度压力随负荷逐渐下降，高中压缸的缸体温度在降温蒸汽的对流传热作用下，快速冷却。而在打闸之后，没有蒸汽进入缸内，缸的冷却仅只能空气自然对流冷却。

根据传热公式：Q=αAΔT（Q：传热速率，α：传热系数，A：传热面积，ΔT：温差）

在打闸前，为水蒸气对流冷却，打闸后，空气自然对流冷却。对流传热时传热系数为水蒸气α为5000-15000，ΔT约为20;热传导时传热系数为空气自热对流α为5-25，ΔT约为150;因此，打闸前空载和降功率期间降温较快。

3 冷卻数据分析

3.1 温度探头数据偏差分析

红沿河电厂大修时高压缸冷却缸温参考温度为GME021/022/023/024MT四个探头所显示温度最高值，其中GME021/022MT为高压缸入口截面的左右两个探头，其数值送至P320系统参与缸温判断，通讯有±2℃死区，不是连续变化，温度显示有延迟。GME023/024MT为高压缸下、上两个探头，数值显示值为连续值，上部GME024MT探头温度高于下部GME022MT温度，如下图2。主要由于高压缸下部存在抽汽管道，热容小，散热面积大，同时饱和蒸汽冷凝水下流至下部，致使下缸温度低于上缸2。

3.2 单次大修缸温冷却数据分析

经分析多轮次大修探头温度曲线，各温度探头曲线与图2基本保持一致，在高压缸冷却阶段的两个重要节点150℃和120℃的参考温度主要来源于GME024MT。因此，采集某次大修GME024MT数据进行分析，绘制温度曲线和降温速率曲线，如下图3。

图3水平轴为时间轴，可以看出，降温速率在降功率过程中逐渐加快，期间有一定幅度的波动，但均保持较高水平的降温速率。从降功率开始至50%功率平台降温速率逐渐提升至23.7℃/H，在50%功率平台停留期间降温速率快速将至12℃/H，在继续降功率后，降温速率逐渐提升至28.4℃/H，在27%功率平台停留期间降温速率迅速降低至4℃/H，在27%功率平台至解列期间，降温速率提升至39℃/H，此时功率约为16%，此后降温速率开始下滑至解列时的13℃/H，空载冷却期间逐渐下滑至打闸时的2℃/H，此后缸温进行自然冷却，降温速率在1至0.5℃/H区间。在降功率期间的降温速率及效果明显好于空载冷却。

3.3 降功率各阶段缸温冷却数据统计分析

根据降功率曲线，将开始降功率至打闸分为降功率至50%Pn、50%Pn平台、50%pn至27%Pn、27%Pn平台、27%Pn至解列、空载冷却等6个阶段，对该6个阶段降温效果、停留时间进行统计，并计算各平台平均降温速率。根据前文分析，GME021/022MT显示有死区和延迟，因此温度探头数据采集GME023/024MT，取其平均值。如上表1。

根据上表可以统计分析，在50%pn至27%Pn、27%Pn至解列两个阶段降温速率最高，降温效果最好，空载冷却的降温速率低于降功率期间的降温速率，因此，通过降低降功率速率，增加在50%pn至27%Pn、27%Pn至解列两个阶段的停留时间，已达到快速降低缸温的目的。

CPR1000型核电机组，采用饱和蒸汽做功发电，因此在进入高中压缸内的蒸汽按饱和蒸汽计算，对轮次大修进缸蒸汽压力、缸体温度进行统计，获得各阶段结束时的统计平均值，根据蒸汽压力可以查得各阶段蒸汽温度，与缸的平均温度对比，温差作为缸体降温的动力，其值的变化与降温速率基本一致。由于空载期间GRE调阀开度很小，虽温差大，进入缸内的蒸汽大幅减少，造成冷却速率不及降功率期间的速率。

3.4 GSS对缸温冷却影响分析

在降功率期间，高压缸排气经过GSS汽水分离再热器两级加热后进入中压缸，其一次加热器的热源来自高压缸第四级抽汽，二级加热器的热源来自VVP管道的新蒸汽，由于高中压缸采用合缸，因此，中压缸的温度对高压缸温度也有一定影响，调取中压缸温度探头GME033/034MT（上、下）参数绘制降功率曲线，如下图4。

由下图4可以看出，在降功率期间，高压缸降温的主要动力为进入高压缸的低参数蒸汽。

根据CPR1000型核电机组的运行要求：GSS汽水分离再热器不允许单独隔离一列再热器;同一再热器所属的新蒸汽再热器或抽汽再热器应同时隔离;新蒸汽再热器被隔离时累计运行时间不超过一年;在机组稳定时进行再热器隔离操作。

因此，为减小中压缸温度对高压缸降温起负效应，可在机组稳定在50%Pn平台或27%Pn平台隔离GSS二级加热器（新蒸汽加热器）。

4 冷却方案探索

以目前某次大修为例，降功率图如5，降功率至解列期间降功率速率不超过3MW/min，在50%Pn平台停留约15min，27%Pn停留约45min，在50%及以下平台停留计划时间4H，根据表1统计，实际在50%Pn平台及以下平均停留時间3.24H。

根据前文分析，降温速率在降功率过程中逐渐加快，期间有一定幅度的波动，在50%Pn平台、27%Pn平台停留期间高压缸降温速率逐渐降低，在16%Pn左右降温速率达到最大，此后开始下滑。根据各阶段降温数据分析在50%Pn至27%Pn、27%Pn至解列两个阶段降温速率最高，降温效果最好。而中压缸温度对高压缸降温起负效应，因此可以选择隔离二级加热器。

因此，总结以上分析结果，可制定如下冷却方案：

（1）开始降功率至50%Pn期间，按计划速率不超过3MW/min进行降功率。

（2）在50%平台停留30min，在停留期间，隔离GSS二级加热器。

（3）50%Pn以下降功率速率降低至1.5-2MW/min，最高不超过2MW/min。

（4）在27%Pn平台计划停留45min，如该平台工作结束立即继续降功率。

（5）在27%Pn功率至解列期间速率可适时降至1.5MW/min。

（6）以此可增加在50%Pn以下降功率时间约2H，累计计划停留时间6H。

根据前文分析，低功率降温速率明显高于空载冷却期间的速率，以空载冷却平均降温速率8.09℃/H计算，低功率平台增加2H后，高压缸温度至少增加16℃，可减少打闸后高压缸冷却时间16H，同时可增加2H的低功率期间的发电量。

参考文献

[1]彭展业，等.核电站汽轮机高中压缸的缸温加速冷却方法[J].

[2]李志翔.浅析汽轮机高中压缸温差大原因[J].2007.