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核电汽轮机回热抽汽量与主蒸汽流量之间的关系分析
点击次数:1108 发布时间:2015-03-10

  无论是核电厂汽轮机还是火电厂汽轮机,都几乎无一例外地采用回热抽汽,以便减少汽轮机的冷源损失,提高蒸汽动力系统的循环热效率。因此,准确确定回热抽汽量与蒸汽
发生器出口蒸汽流量即主蒸汽流量之间的关系,受到了设计和运行部门的普遍重视。
目前,对于回热抽汽量与主蒸汽流量之间的关系,虽然已经有大量文献进行了讨论,但各文献给出的结论却有所不同。对于回热抽汽式汽轮机,只要回热系统正常运行,且回热抽汽仅用来加热本机凝结水,则负荷变化时,各段回热抽汽量与主蒸汽流量成正比。大部分回热抽汽量近似比例于主蒸汽流量。汽轮机各段回热抽汽量与主蒸汽流量在实用变工况范围内成正比关系。通常回热式机组各级回热抽汽量在相当范围内与机组的主蒸汽流量近似成正比。但对于再热机组,这一条件难以满足。若回热抽汽仅用来加热本机凝结水,虽然各段回热抽汽量不与主蒸汽流量成正比,但大多数与主蒸汽流量同方向增减。在不同工况下核电汽轮机的回热抽汽量与主蒸汽流量成正比,且再热器的疏水也与主蒸汽流量成正比,这样便可通过主蒸汽流量确定相对应的各回热抽汽量,进而计算出各段回热抽汽的焓值。
针对上述各文献关于回热抽汽量与主蒸汽流量之间关系的讨论,本文以某1 000MW 核电汽轮机为例,对不同工况下回热抽汽量与主蒸汽流量之间的关系进行了分析,并给出在不同误差允许范围内的回热抽汽量与主蒸汽流量计量之间的关系。
1、压水堆核电厂二回路原则性热力系统
某1 000MW 压水堆核电厂二回路原则性热力系统,如图1 所示。

由图1 可见,蒸汽发生器将反应堆产生的热量传递给蒸汽发生器二次侧的给水。蒸汽发生器出口的主蒸汽一部分用于加热蒸汽去往新蒸汽再热器,其余部分进入汽轮机高压缸做功。高压缸的回热抽汽引至高压加热器,高压缸排汽除部分送往除氧器外,大部分送往汽水分离器和再热器进行除湿和再热。核电汽轮机在反应堆外利用新蒸汽和高压抽汽对高压缸排汽进行再热。抽汽再热器( R1) 的热量来自高压缸的抽汽,新蒸汽再热器( R2) 的热量来自蒸汽发生器产生的新蒸汽。R1 再热器与R2 再热器的疏水混合流至H7 高压加热器。再热器的出口蒸汽为过热蒸汽,进入到汽轮机低压缸继续做功。低压缸的回热抽汽引至低压加热器,排汽排放到凝汽器冷凝为凝结水。然后凝结水经凝结水泵、轴封加热器及低压加热器送至除氧器。汽水分离器的疏水、高压加热器的逐级自流疏水流至除氧器,而除氧器出口的给水经给水泵升压及高压加热器的加热后zui终去往蒸汽发生器。
2、不同工况下再热器疏水流量与主蒸汽流量的关系
2.1 再热器总疏水量与再热蒸汽流量之间的关系由图1 可见,对R2 再热器列热平衡方程有
De(he-he,s)η=Drh(hc-hj)
式中,De为去往R2再热器的新蒸汽流量,t/h;
Drh为再热蒸汽流量,t/h;
he为去往R2 再热器的新蒸汽饱和焓值,kJ /kg;
he,s为R2 再热器的饱和疏水焓值,kJ /kg;
hj、hc分别为R2 再热器进、出口蒸汽焓值,kJ /kg; η 为再热器效率。

式中,θ、θ2分别为R1 再热器和R2 再热器的上端差,℃; tsr1、tsr2分别为R1 再热器和R2 再热器加热蒸汽压力对应的饱和疏水温度,℃; tj、tc分别为流过R2 再热器的再热蒸汽进出口温度,℃; Δt 为流过R2 再热器的再热蒸汽温升,℃; r 为R2再热器加热蒸汽压力对应的汽化潜热,kJ /kg; cp为流过R2再热器的再热蒸汽定压比热。
对于不同的工况,即使R1 和R2 再热器的传热端差认为是常数,但由于不同工况下R1 和R2 再热器加热蒸汽压力的不同,故其对应的饱和温度也不同。故R2 再热器的加热蒸
汽流量与再热蒸汽流量不成正比。
同理,对于R1 再热器,加热蒸汽流量与再热蒸汽流量也不成正比。
由于R1 和R2 再热器的疏水均流至H7 高压加热器,令Ddr = De + De0
式中,Ddr为再热器疏水流量,t /h; De0为去往R1 再热器的高压缸抽汽量,t /h。
显然,两个再热器的总疏水量与再热蒸汽流量也不成正比。
某1 000MW 核电机组在不同工况下再热器疏水流量与再热蒸汽流量的对应关系如图2 所示。

由图2 可见,当假定不同工况下再热器总疏水量与再热蒸汽流量成正比时,将引起12. 55%的相对误差。
2.2 再热蒸汽流量与主蒸汽流量之间的关系
某1 000MW 核电机组在不同工况下再热蒸汽流量与主蒸汽流量的对应关系如图3 所示。
同理,由图3 可见,不同工况下再热蒸汽流量与主蒸汽流量不成正比。但当假定再热蒸汽流量与主蒸汽流量成正比时,将引起3. 29%的相对误差。
2.3 再热器疏水流量与主蒸汽流量之间的关系
因此,结合图2 与图3 的分析可知,不同工况下再热器疏水流量与主蒸汽流量也不成正比。

3、不同工况下高压缸回热抽汽量与主蒸汽流量的关系
3.1 H7 高压加热器回热抽汽量与主蒸汽流量之间的关系由图1 可见,对H7 高压加热器有
[D1( he1-h1)+Ddr(hdr-h1)]ηh=Dfw(hw1-hw2)
式中,D1为H7 高压加热器的回热抽汽流量,t /h; Dfw为给水流量,t /h; he1为H7 高压加热器的回热抽汽焓值,kJ /kg; h1为H7 高压加热器的回热抽汽压力对应下的疏水焓值,kJ /kg;hdr为再热器疏水焓值,kJ /kg; hw1和hw2分别为H7 高压加热器的出口水焓和H6 高压加热器的出口水焓,kJ /kg; ηh为高压加热器效率。
蒸汽发生器的排污率为0,有D0 = Dfw
式中,D0为蒸汽发生器出口的主蒸汽流量,t /h。联立式( 9) ~ 式( 10) ,可得

式中,θ1、1分别为H7 高压加热器的上端差和下端差,℃; ts为H7 高压加热器的抽汽压力对应的饱和疏水温度,℃; tsl为经疏水冷却段后H7 高压加热器出口疏水温度,℃; cp1为给水的定压比热。
在不同的工况下,即使H7 高压加热器的传热端差认为是常数,但由于不同工况下高压缸抽汽压力的不同,故其对应的饱和疏水温度及焓值、经疏水冷却段后加热器出口疏水温度及焓值也不同。而给水的定压比热由于水侧压力的变化也不同; 对于式( 11) 右边第二项,同样由于不同工况下高压缸抽汽压力的不同,故其对应的饱和疏水焓值、经疏水冷却段后加热器出口疏水焓值也不同。所以综上所述,不同工况下H7 高压加热器回热抽汽量与主蒸汽流量不成正比。
某1 000MW 核电机组在不同工况下H7 高压加热器回热抽汽量与主蒸汽流量的对应关系如图4 所示。
由图4 可见,当假定在不同工况下H7 高压加热器回热抽汽量与主蒸汽流量成正比时,将引起47. 4%的相对误差。
3.2 H6 高压加热器回热抽汽量与主蒸汽流量之间的关系
由图1 可见,对H6 高压加热器有[D2(he2-h2) + (D1+Ddr)·(h1-h2)]ηh=Dfw(hw2-hw3)
式中,D2为H6 高压加热器的回热抽汽流量,t/h; he2为H6 高压加热器的回热抽汽焓值,kJ/kg; h2为H6 高压加热器的回热抽汽压力对应下的疏水焓值,kJ /kg; hw3为H6 高压加热器的进口水焓值,kJ /kg。联立式( 10) 和式( 13) ,可得

同理,不同工况下H6 高压加热器回热抽汽量与主蒸汽流量也不成正比。
某1 000MW 核电机组在不同工况下H6 高压加热器回热抽汽量与主蒸汽流量的对应关系如图5 所示。

由图5 可见,当假定在不同工况下H6 高压加热器回热抽汽量与主蒸汽流量成正比时,将引起5. 5%的相对误差。
3.3 除氧器回热抽汽量与主蒸汽流量之间的关系
同理,不同工况下除氧器回热抽汽量与主蒸汽流量也不成正比。
由图6 可见,当假定在不同工况下除氧器回热抽汽量与主蒸汽流量成正比时,将引起12. 8%的相对误差。
4、不同工况下低压缸回热抽汽量与主蒸汽流量的关系
由图1 可见,对H2 低压加热器有
De2(he2-hd2)ηl=Dc(hfw2-hfw1)
式中,De2为H2 低压加热器的回热抽汽流量,t/h; Dc为进入到H2 低压加热器的凝结水流量,t/h; he2为H2 低压加热器的回热抽汽焓值,kJ /kg; hd2为H2 低压加热器的回热抽汽压力对应下的疏水焓值,kJ /kg; hfw1和hfw2
分别为H2 低压加热器的进出口水焓,kJ /kg; ηl为低压加热器效率。
对式(15) 变形得

式中,θ2、2分别为H2 低压加热器的上端差和下端差,℃; ts2为H2 低压加热器的抽汽压力对应的饱和疏水温度,℃; tsl2为经疏水冷却段后H2 低压加热器出口疏水温度,℃; cp2为凝结水的定压比热。
在不同的工况下,即使H2 低压加热器的传热端差认为是常数,但由于不同工况下低压缸抽汽压力的不同,故其对应的饱和疏水温度及焓值、经疏水冷却段后加热器出口疏水温度及焓值也不同。而凝结水的定压比热由于水侧压力的变化也不同,故H2 低压加热器回热抽汽量与进入到H2 低压加热器的凝结水流量不成正比。而进入到H2 低压加热器的凝结水流量与主蒸汽流量也不成正比,所以H2 低压加热器回热抽汽量与主蒸汽流量不成正比。
同理,其余的低压加热器回热抽汽量与主蒸汽流量也不成正比。
某1 000MW 核电机组在不同工况下H1、H2、H3 及H4低压加热器回热抽汽量与主蒸汽流量的对应关系分别如图7~ 图10 所示。

由图7 ~ 图10 可见,当假定在不同工况下低压加热器回热抽汽量与主蒸汽流量成正比时,对应H1 ~ H4 低压加热器回热抽汽量,将分别引起22.92%、10.57%、3.71% 和5.67%

图10 H4 低压加热器回热抽汽量随主蒸汽流量变化的相对误差。
(1) 若回热抽汽仅用来加热本机凝结水,各段回热抽汽量不与主蒸汽流量成正比,但与主蒸汽流量同方向增减。
(2) 对于本文所讨论的1 000MW 核电汽轮机,当认为各段回热抽汽量与主蒸汽流量成正比时,相对于实际的各段回热抽汽量,zui大将产生47. 7%的相对误差。
(3) 由于核电汽轮机大部分回热抽汽点均处于湿蒸汽区,无法采用常规的热平衡方法来确定回热抽汽量。利用假定回热抽汽量与主蒸汽流量成正比的方法来确定回热抽汽量,进而计算出各段回热抽汽的焓值,这种算法必然产生较大的误差。

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