核电项目出于安全考虑, 其厂坪标高多在8.00 m以上(需考虑10 % 超越概率天文潮高潮位, 最大可能风暴潮增水, 平均海平面上升及安全裕度)。核电站循环冷却水量较大, 百万千瓦机组北方地区可达47.5 m³/s以上, 南方地区可达60.0 m³/s以上^[1]。因此, 需要高扬程、大流量的循环水泵来为核电站服务。每台机组的水泵总功率在10 MW以上, 由此产生的运行成本巨大。降低循环水泵功率显得尤为重要。

在核电站循环水系统节能优化的研究中, 循环水泵的运行方式对凝汽器真空和厂用电率等指标影响较大。研究在一定环境温度及汽轮机负荷条件下循环水泵的最优运行方式及要求, 是提高电厂运行经济性的关键^[2]。王春财等人^[3]通过数值分析法分析循环水系统运行状况, 确定最优运行真空及冷热季循环水泵的最佳运行配置, 提升了机组经济性。杜虹晔^[4]对变频调速循环水泵在核电站循环水系统的应用方案进行了集中阐释, 可解决由于循环水量增多而出现的凝汽器背压较低的问题, 有效降低了电耗。赵诗乐等人^[5]研究指出, 采用玻璃钢管外包混凝土可有效降低循环水泵扬程。

上述节能优化研究均采用数值分析法, 未建立循环水系统的水力仿真模型。本文采用Flowmaster软件建立循环水系统模型, 以方家山核电站为研究对象, 系统性地进行水力特性研究。循环水的流量与上游蒸汽参数相关, 可通过汽轮机冷端优化结果, 进行冬、夏季工况转换确定合理的冷却水量; 另外, 可通过充分利用虹吸作用来降低循环水泵扬程; 最后, 可选择合适的循环水管道管材, 降低沿程阻力损失来减小循环水泵扬程。

方家山核电站采用直流冷却、一机两泵的布置方案。每台汽轮机有2台凝汽器, 每台凝汽器水室又分成2个独立的部分, 每台水泵与2台凝汽器的一半连接形成独立的回路, 2台水泵采用2条压力管沟, 整个循环水系统形成无阀门回路^[6]。鉴于管沟之间无任何管道连接, 各循环水泵管路互不干扰, 可以基于单泵循环水路进行水力分析。

核电站循环水系统通过循环水泵从外海取水, 在凝汽器中进行热交换, 然后进入虹吸井并最终排往外海。循环水系统的主要部件包括格栅除污机、鼓形滤网、循环水泵、二次滤网、凝汽器、虹吸井以及管道等^[7]。其计算节点流程如图 1所示。图 1中, ①~④为本文选取的计算节点。

循环水泵为混凝土蜗壳泵, 由电机通过行星齿轮箱驱动, 供电频率50 Hz, 水泵转速191 r/min, 额定流量26.63 m³/s, 额定扬程16.74 m, 电机功率5 600 kW。其流量-扬程(Q-H)曲线如图 2所示。

凝汽器水室由A和B模块组成, 每一水室额定流量为13.32 m³/s, 额定水阻为43 kPa。其水阻Δp与循环水量比例w的关系曲线如图 3所示。

格栅除污机、鼓形滤网及二次滤网的最大水阻分别为1.2 kPa, 2.0 kPa, 6.3 kPa。若水阻超标, 便会启动冲洗装置。

循环水系统各个管段管径及材质如表 1所示。

图 1中所选取计算节点设计标高如表 2所示。

选取节点①和节点④建立伯努利方程, 即

$ {h_1} + {p_1} + H = {h_4} + {p_4} + \Delta H $

(1)

$ \Delta H = k{Q^2} $

(2)

式中: h₁, h₄——节点①和节点④处标高, m;

p₁, p₄——节点①和节点④处压强, 为大气压, MPa;

ΔH——系统阻力损失, m;

k——系统阻力损失系数, s/m²。

阀门开度为100 %, 循环水泵为额定工作状态, 循环水系统管路流量及所需压力能均为上述给定的循环水泵额定流量及扬程。其管路特性曲线方程Q-H_p(流量-所需压力能)为

$ {H_{\rm{p}}} = 5.18 + 0.0163{Q^2} $

(3)

式中: H_p——循环水系统管路所需压力能, m。

本文采用Flowmaster软件对循环水系统进行建模, 以流体管路系统为研究对象, 将流体网络看作由一系列流体管道元件组成, 各个管道元件之间以节点相连^[8]。其基于伯努利方程的公式为

$ {h_1} + \frac{{{p_1}}}{{\rho g}} + \frac{{v_1^2}}{{2g}} = {h_2} + \frac{{{p_2}}}{{\rho g}} + \frac{{v_2^2}}{{2g}} + \Delta H $

(4)

$ \Delta H = \Delta {H_i} + \Delta {H_j} = \lambda \frac{l}{d}\frac{{{v^2}}}{{2g}} + \zeta \frac{{{v^2}}}{{2g}} $

(5)

式中: ρ——流体密度, kg/m³;

g——重力加速度, m/s²;

v₁, v₂——节点①和节点②处速度, m/s;

h₂——节点②处高度, m;

p₂——节点②处压强, MPa;

ΔH_i——沿程阻力损失, m;

ΔH_j——局部阻力损失, m;

λ——沿程损失系数;

l——管段长度, m;

d——水力直径, m;

v——管段流速, m/s;

ζ——局部损失系数。

湍流状态下(Re＞4 000)的沿程损失系数λ采用Colebrook-White公式计算, 即

$ \lambda = \frac{{0.25}}{{{{\left[ {\lg \left( {\frac{k}{{3.7d}} + \frac{{5.74}}{{R{e^{0.9}}}}} \right)} \right]}^2}}} $

(6)

式中: k——绝对粗糙度, 其取值参见表 1。

Flowmaster软件各元件模型设置如下^[9]。

(1) 取水口和虹吸井Flowmaster提供多种蓄水箱元件, 稳态时取水口和虹吸井可以采用定高度水箱元件。其给定高度如表 2所示。

(2) 循环水泵Flowmaster提供泵元件库, 泵参数表中可输入功率、额定扬程、额定流量和额定转速等参数如上文所述。泵特性曲线如图 2所示。

(3) 阀门Flowmaster提供控制阀、止回阀、安全阀及方向控制阀等4大类阀门。阀门的开度参数可在参数表中直接输入。

(4) 格栅除污机、鼓形滤网、二次滤网、凝汽器水力特性分析对上述元件仅关注水头损失, 均采用阻力模型替代。其阻力参数如上文所述。

(5) 管道及管件Flowmaster提供刚性、柔性和弹性3种管道模型。管道模型包含多种形状供选择。管道阻力模型选择式(6)所述Colebrook-White模型。其取值参数见表 1。Flowmaster亦提供多种管件元件类型。在实际建模过程中, 为避免过多管件增加系统计算时间, 管件合并采用阻力元件表示。根据管件参数输入阻力元件水头损失系数^[10]。

Flowmaster软件可利用定义好的元件迅速建立系统模型, 如图 4所示。

图 4的仿真模型由一系列流体管道元件组成, 在对流体网络进行分析时, 其节点必须满足以下假定: 节点须占有一定容积, 且节点内的流体处于均匀状态; 流体质量存于节点内部; 支路包含全部的流动阻力。对稳态时整个流体管路系统的总体线性方程组进行求解, 得到各元件的水头、压力和流量等参数^[11]。

方家山核电站循环水系统采用一机两泵配置, 流量不可调节。方家山区域的海水冬、夏季温差较大, 温度跨度可达35 K以上。为保证凝汽器具备合适的背压, 不同季节所需的海水流量不同。若冬季仍使用夏季循环水量会造成凝结水温度过低, 影响机组运行的安全性和经济性^[12]。目前已商运的方家山核电站采用循环水泵变频调速和改变阀门开度进行流量调节, 以适应海水温度的变化, 最大限度保障机组经济性。

根据泵的相似定律, 有如下关系

$ \frac{{{Q_1}}}{{{Q_2}}} = \frac{{{n_1}}}{{{n_2}}} $

(7)

$ \frac{{{H_1}}}{{{H_2}}} = {\left( {\frac{{{n_1}}}{{{n_2}}}} \right)^2} $

(8)

$ \frac{{{N_1}}}{{{N_2}}} = {\left( {\frac{{{n_1}}}{{{n_2}}}} \right)^3} $

(9)

式中: Q₁, Q₂——调速前后的泵流量;

n₁, n₂——调速前后的泵转速;

H₁, H₂——调速前后的泵扬程;

N₁, N₂——调速前后的泵功率。

对于三相异步电动机, 其转速n与供电频率f成正比例关系, 即

$ n = \frac{{60(1 - s)f}}{p} $

(10)

式中: s——转差率;

p——极对数。

由式(7)~式(10)可知, 对于确定的水泵, 流量、转速和电动机的供电频率呈线性关系。通过调节电动机供电频率, 改变转速, 可以相应的调节循环水泵流量, 并在低温时大幅度降低水泵的功率, 从而降低水泵的用电消耗, 达到节能的目的。从设备来看, 不改变电机, 可通过增加一套变频器, 使冷却海水流量达到最低^[13]。

根据田湾核电站经验, 供电频率在30 Hz时, 循环水泵已接近喘振区域, 夏季循环水流量为额定流量60 % 可满足需要。假定虹吸井溢流堰堰上水位不变, 图 5给出了供电频率大于30 Hz的水泵特性曲线及管路特性曲线。由图 5可以看出, 不同频率对应不同的Q-H曲线, 变频调速只改变了水泵特性, 没有改变管道特性。

将图 5中不同频率的水泵特性曲线植入仿真模型, 得到不同频率下水泵的额定参数及凝汽器出口压力如表 3所示。方家山区域的冬、夏季温差远小于田湾核电站, 30 Hz时水泵流量可满足最低流量要求。低频率下水泵的功率明显降低, 节能效果显著, 凝汽器出口压力未发生明显变化。

基于现有流程设备, 可改变循环水管道入口蝶阀CRF502/504VC开度来调节循环水流量, 相当于改变管路特性, 水泵性能没有改变。调节仿真模型中CRF502/504VC, 得到不同阀门开度α下的管道特性曲线和水泵特性曲线如图 6所示。相应水泵额定参数及凝汽器出口压力如表 4所示。

由表 4可知, 阀门开度减小后, 虽增加了局部阻力, 但水泵流量变化不显著, 扬程增加, 功率略有减少, 因此凝汽器出口压力持续升高, 会造成扬程浪费。

虹吸利用高度是指凝汽器最高点绝对压力与水泵吸水液面的大气压力之差^[1]。循环水泵的扬程主要考虑了97 % 及99 % 低潮位, 相应的凝汽器出口压力如表 5所示。

循环水系统计算的最终目的除了保证流量以外, 还要保证凝汽器最高点不汽化。若扬程过低, 最高点压力过小, 则发生汽化; 若压力过高, 则虹吸利用不充分, 造成扬程浪费。根据《火力发电厂水工设计规范》(DL/T 5339—2018), 凝汽器出口最高点的绝对压力不宜低于20 kPa, 可采用20~30 kPa^[14]。根据表 5计算, 循环水泵扬程可降低5.07 m, 以充分利用虹吸效应。

循环水系统的输水隧道、凝汽器进水管道及排水管道均采用钢筋混凝土管。其可承受较大的外载荷, 成本较低, 但粗糙率大, 造成沿程阻力损失较高。玻璃钢管内壁光滑, 可有效防止海生物附着滋生。将两种管材结合, 采用钢筋混凝土内衬玻璃钢管道, 可降低管道水阻, 节约水泵扬程。在Flowmaster软件中, 玻璃钢管绝对粗糙度与金属管道相近, 可取0.05 mm, 计算得到相应管段的阻力损失如表 6所示。循环水管道内衬玻璃钢管后, 循环水泵扬程可降低0.67 m, 达到一定的节能效果。

本文根据方家山核电站循环水系统流程, 主要设备及管路参数, 采用Flowmaster软件搭建水力仿真模型, 得出结论如下。

(1) 采用变频调速方案改变循环水泵流量。这时其功率明显降低, 节能效果显著且凝汽器出口压力未发生明显变化。改变阀门开度控制流量。水泵流量变化不显著, 功率略有减少, 但扬程增加, 凝汽器出口压力持续升高, 造成扬程浪费。

(2) 凝汽器最高点压力选取建议不高于规范上限30 kPa。这样可充分利用虹吸效应, 循环水泵扬程可降低5.07 m。将输水隧道、凝汽器进水管道及排水管道内衬玻璃钢管道。这样循环水泵的扬程可降低0.67 m, 达到一定的节能效果。