基于冷端优化的二次循环冷却核电汽轮机选型研究

初广宇，冉志超

（1.中核辽宁核电有限公司，辽宁 葫芦岛 125000；2.中核霞浦核电有限公司，福建 宁德 352000）

0 引言

随着核电技术水平的不断提高，核电实现更清洁、安全、高效发展，在能源转型中发挥着至关重要的作用。目前，全国运行核电装机容量已经超过54 000 MW，预计2025年运行与建设的核电站装机容量将超过100 GW。在核电站中，二次循环冷却系统较为复杂，汽轮机组运行情况对整个核电站机组运行安全性、稳定性、经济性影响较大。因此，做好二次循环冷却核电汽轮机选型工作，具有非常重要的现实意义。

文献[1-3]表示设备选型是提高系统运行效率，促进系统节能化发展的关键路径，汽轮机作为电力系统重要设备，其合理选型对提高机组运行经济性、可靠性、稳定性存在积极影响。文献[4-6]指出“安全+经济”已成为新时期汽轮机选型基础原则，在此原则指导下，冷端优化成为汽轮机选型优化主要方向，而在冷端优化中，最小年费用法得到普遍认可。但由于核电二次循环冷却方式与火电循环冷却方式、核电直流循环冷却方式处在一定差异，在汽轮机组选型过程中需要综合考虑的因素较大，应立足实际情况进行确定。

本文以某二次循环冷却核电机组工程为例，在冷端优化理论指导下就汽轮机选型问题进行了探究，通过技术经济评价选出最佳二次循环冷却核电汽轮机选型方案，希望能够为二次循环冷却核电机组工程研究与实践提供参考，促进核电机组建设质量提高，实现汽轮机经济效益最大化提升。

1 工程项目简介

某核电站工程项目规划新增两台容量为1 000 MW 核电机组，根据相关规定与要求，设计运用ACNP1000 技术进行建设，以保障核电机组稳定、安全运行。该工程项目所在地温度范围-1～39 ℃，年均温度约为24 ℃，大气压力范围97～103 kPa，相对湿度范围75%～87%，平均相对湿度约为80%。核电机组采用二次循环冷却方式。

2 二次循环冷却核电汽轮机选型情况分析

2.1 选型特征与优化方向

多数研究与实践证明二次循环冷却核电汽轮机冷端条件对二次循环冷却核电机组投建效益具有直接影响[7]。在二次循环冷却核电机组工程建设过程中，应加强核电站汽轮机选型研究，以有效提高核电机组建设效益。而在二次循环冷却核电汽轮机选型研究过程中，需要对其特征与优化方向具有一定的了解。

随着核电技术水平的不断提高，核电汽轮机选型原则已经由高度重视汽轮机运行安全发展为安全与经济并重。在此原则指导下，核电汽轮机选型优化成为新时期核电站工程建设考虑的重点与热点问题。纵观已有电力系统汽轮机组优化经验，发现可从流通结构、气缸结构优、凝汽器配置等多个方面进行冷端优化，以达到所需效果。国内核电机组目前多采用模块化设计法进行设计，且基于核电机组运行安全性与稳定性考虑，核反应堆设计较为单一，在一定程度上使核电汽轮机通流级数得以确定，所以在应用冷端优化理论进行二次循环冷却核电汽轮机选型时，需要着重考虑汽轮机组背压、排汽面积等因素。通常情况下，汽轮机组背压一定，排汽面积与排汽余速损失负相关[8]。核电汽轮机组选型过程中，可通过降低汽轮机组背压，增加排汽面积，减少排汽余速损失，增加核电汽轮机组出力，提高核电汽轮机组发电功率。但值得注意的是，二次循环冷却核电站工程中，二次循环冷却系统受自然条件影响较大，为避免自然条件影响，无法做到真正进行极限背压设计[9]。与此同时，汽轮机背压越低，预示着在汽轮机选型时需要增加气缸数量，或凝汽器面积，或其他装置，这在一定程度上增加了汽轮机冷端优化投资成本，不利于冷端优化目的达成。因此，二次循环冷却核电汽轮机选型时，需要立足核电站工程实际情况，系统分析不同汽轮机配置方案。与此同时，二次循环冷却核电机组设计过程中，需要考虑调峰能力问题，加之核电机组流量大，常变负荷运行，导致其具备带基本负荷运行特征。在二次循环冷却核电汽轮机选型时需要综合考虑与比较工程投资费用、汽轮机运行费用、核电机组发电效益等。

2.2 冷端优化的目的与方法

冷端优化的目的在于寻找最佳汽轮机配套组合方案，在保证汽轮机安全、可靠运行的同时，最大程度提高汽轮机投资与运行经济效益，满足新时期核电站汽轮机“安全+经济”的设计需求。冷端优化要求相关工作人员能够综合考虑核电工程现场条件、汽轮机冷端设备费用、汽轮机组运行费用、核电机组发电收益等，并能够通过技术经济评价，从众多选型方案中寻找出最佳汽轮机选型方案，实现循环水泵、凝汽器、冷却塔等相关装置的合理设计与科学配置[10]。

在二次循环冷却核电机组中，汽轮机冷端优化可采用最佳真空理论对核心设备主要参数进行科学组合，如汽轮机背压、冷却塔面积、凝结器面积等。理论上提高凝汽器真空可在一定程度上增加汽轮机组发电功率，获得较好发电效益。但是在实践中并非凝汽器真空越大，电功率增加幅度越大，在电力系统中凝汽器真空的增加可引起循环水泵耗功率的增加，因此只有协调好电功率与耗功率增加值差距，才能获取最佳效益。对此，本文将电功率与耗功率等增加值差距最大时对应的凝汽器真空视为最佳真空。影响凝汽器最佳真空的因素众多，如循环水费、排汽阻力、凝汽器水管壁清洁系数、循环水流量、凝汽器材质等。在汽轮机型式一定时，通常根据饱和蒸汽温度（tc）确定凝汽器真空，计算公式[11]为：

式中：tw1为二次循环冷却系统冷却水进口温度；ht为核电汽轮机排汽比焓；hc为凝汽器凝结水比焓；m、qmw分别为二次循环冷却系统循环水冷却倍率与质量流量；At与K分别为凝汽器面积与总热传系数。

汽轮机冷端优化的关键在于经济效益最大化。因此，在汽轮机选型过程中，多采用最小年费用法进行计算。主要是指将汽轮机投资与运行成本折算到核电机组年总费用（CNF）中，年总费用越小说明汽轮机选型方案经济效益越高。计算公式[12]为：

式中：P为核电汽轮机冷端优化总投资费用；CAFCR为核电汽轮机冷端优化每年固定分摊率，由资金回收系数CR、大修费率加税率CMR构成；Ap与At分别为水泵电耗费用、汽轮机微增功率收益；i为核电汽轮机冷端优化工程投资回收率；n为核电汽轮机冷端优化工程经济年限。

以往采用最小年费用法对汽轮机选型方案进行技术经济评价时，凝汽器真空参数多为确定值，侧重于Ap、At等计算。但是在二次循环冷却核电站汽轮机选型过程中，尚不确定凝汽器真空，加之二次循环冷却系统结构较为复杂，冷端优化受影响因素较多，这就需要在计算过程中需要考虑更多因素。基于经验归结，关于二次循环冷却核电站汽轮机选型的冷端优化，需要考虑因素主要有汽轮机组型式、循环水冷却倍率、循环水泵配置情况、凝汽器配置情况、冷却塔配置情况等。因此，关于二次循环冷却核电汽轮机冷端优化计算的公式[13]：

式中：ΔP与ΔA′t分别为汽轮机型式差异引起的投资差与假定条件下汽轮机组型式差异引起的轴功率差异费用。

2.3 选型初步方案

根据核电站工程项目设计要求、以往工作经验、汽轮机制造能力、工程项目现场条件、相关设计要求等，初步设计“三缸四排汽单背压”、“三缸四排汽双背压”“四缸六排汽多背压”选型方案，分别用“方案一”、“方案二”、“方案三”、“方案四”表示。4 种方案设计工况排气质量流量范围3 573～3 596 t/h，机组功率范围1 224～1 253 MW，设计背压范围5.06～6.60 MW，焓降范围2.170 kJ/kg～2 180 kJ/kg。以冷端优化理论为指导，系统分析不同类型机组情况，考虑冷却倍率与机组排汽存在的关系以及自然条件对机组运行的影响，设计冷却倍率44～68 范围内。汽轮机选型过程中，关于循环水泵，设计1台机组配备4台循环水泵，循环水泵房、循环水泵系统以及相关配套设施投资则按照工程概算计算，循环水泵运行过程中耗电电价按照上网标杆电价计算；关于循环水冷却管，设计选用DN3600 混凝土预应力管与DN3800 混凝土预应力管，凝汽器冷却管壁厚在0.5 mm左右；关于凝汽器，设计根据核电汽轮机型式、汽轮机设计背压等合理选择凝汽器类型，初步确定凝汽器计算总换热面积在64 000～142 000 m2范围内，考虑5%堵管率确定凝汽器面积在643 200～149 100 m2范围内；关于冷却塔，设计运用高位集水冷却台，与机组的配置比例为1:1，综合考虑各方面影响因素，初步确定冷却塔面积在10 900～23 500 m2范围内[14]。利用年总费用最小法从4 种类型汽轮机配置方案中选出最佳方案，可得表2 所示汽轮机选型方案。

2.4 选型方案技术经济评价情况分析

2.4.1 评价指标

技术经济评价过程中涉及到的相关指标如表1所示。

表1 技术经济评价主要指标

2.4.2 计算结果

由表2 数据可知，以方案一为基准方案，经年费用最小法计算，结果显示方案2年总费用最低，其次是方案四、方案三。方案二与方案四相对于其他两种方案而言，经济效益较高，但从实际角度来看，受机组建设技术水平、前期准备工作、初投资情况等多种因素影响，方案二实现的可行性较低，具体表现为三缸四排汽双背压所采用的叶片供应商有限，国内技术成熟度较其他三种方案低；本工程项目属于重启项目，部分构件已经投入生产制造，选择方案二已经生产的构件无法再利用，选择方案二将在一定程度上增加投资成本。因此，从二次循环冷却核电汽轮机整体投建角度来看，方案二投资与运行费用要高出方案四。因此，在本工程项目中，方案四最适宜。

表2 不同汽轮机选型方案计算结果

3 结束语

基于冷端优化理论进行二次循环冷却核电汽轮机合理选型可有效提高汽轮机组经济效益。本工程项目中，立足二次循环冷却系统特征，系统分析影响核电机组运行因素，如冷却塔因素、凝汽器因素等，通过最佳真空理论、最小年费用法等运用，得出不同汽轮机选型方案，经技术经济评价，确定四缸六排汽多背压方案经济效益最高，且能够满足工程项目实际运行需求。从本次探究结果分析可知，在同类型工程建设过程中，相关工作人员进行汽轮机选型时，应注重冷端优化理论的引入与使用，能够通过冷端优化，促进汽轮机组运行效益提高，满足新时期对核电站高质量发展的需求。