核電技術論文(2)
核電技術論文篇二
核電站常規島節能技術分析
摘要:福清核電一期工程常規島設計中,采用了1500半轉數汽輪機及汽輪機廠房整體布置降低7.5米標高兩項重要節能措施:半轉數汽輪機由于提高了通流部分效率及增大了排汽面積,減小了排汽損失,從而提高了機組熱效率;汽機房整體布置標高降低可大大減少循環水的被提升高度,可降低循環水泵的出水揚程,從而減少循泵電機的電力消耗,減少電站的運行費用,達到節能的目的。
關鍵詞:半轉數廠房降標高循環水泵揚程土建節能
中圖分類號: TL4 文獻標識碼:A文章編號:1007-3973(2010) 08-102-03
1概述
福清核一期工程項目采用M310二代加改進堆型技術路線,以嶺澳Ⅰ(Ⅱ)期核電工程為參考并加以適當改進,第一臺機組已于2008年11月21日澆灌第一罐混凝土,計劃2013年投產。根據項目廠址條件,為了提高核電站運行經濟性,提高節能效果,常規島設計選擇了半轉速汽輪機和汽機房降標高布置方案:汽輪機轉速采用1500r/min;汽機房7.50米。本文將簡要介紹半轉速汽輪機及降標高布置方案
2半轉速汽輪機節能分析
核電汽輪發電機組轉速有全轉速和半轉速兩種。從全世界范圍看,以半轉速機居多。我國電網頻率為50Hz,全轉轉速為3000r/min,半轉轉速為1500r/min。
2.1半轉速汽輪機與全轉速汽輪機的應用比較
全轉速核電汽輪機組和汽輪發電機組:屬于成熟技術,為我國現有核電站普遍采用,已積累了一定的建設和運行經驗。但1000MWe及以上容量的大型核電機組,在世界范圍內只有少數供貨商生產全轉速機。
半轉速核電汽輪機組和汽輪發電機組:半轉速核電汽輪機組和汽輪發電機組已在國內核電站有運行經驗(秦山三期),在建的嶺澳二期也是采用半轉速機組。國外大多數核電機組,特別是大型核電機組多采用半轉速機組,世界范圍內設備制造商也比較多,有很成熟的制造和運行經驗,有利于采用國際競標方式尋求合作伙伴
2.2半轉速汽輪機與全轉速汽輪機的效率比較分析:
在機組入口參數確定的情況下,汽輪機組的效率主要取決于通流部分效率和排汽損失等方面。
在現代汽輪機設計中由于采用現代流體力學計算技術和采用三維優化設計,使汽輪機通流部分效率有明顯的提高。無論是全轉速汽輪機還是半轉速汽輪機,對通流部分效率已逐漸達到實際的極限值。相比來看,半轉速汽輪機由于葉片較長、級數較少等結構特點,通流部分效率比全轉速汽輪機略高一些。
排汽損失主要指余速損失,在蒸汽流量一定的情況下,排汽面積越大,余速越低,余速損失越小。所以要減少排汽損失,就需要較長的汽輪機末級葉片,以增大排汽面積。半轉速汽輪機由于末級葉片可以設計得較長從而可以提供較大的排汽面積,減少了排汽損失,提高了汽輪機的熱效率。
總的來說,半轉速汽輪機效率比全轉速汽輪機高。一般來說,1500r/min汽輪機熱效率比3000r/min汽輪機約高1~2%,相當于出力增加3~6%。
2.3半轉速汽輪機小結
半轉速和全轉速汽輪發電機的效率基本相當,根據現有資料以相同的反應堆熱功率所能發出的電功率,半轉速機要比全轉速機可多發1.042～1.058。1000MW級核電站選用半轉速汽輪發電機,在制造材料和工時費方面要比全轉速汽輪發電機增加投資,但采用半轉速機組使核電站發出的電功率提高,則核電站的單位功率造價仍下降,考慮到半轉速機組熱效率比全轉速機組高,運行費用半轉速機組也將比全轉速機組低。
3汽機房底層降低標高
汽機房零米層合理標高是綜合考慮凝汽器第一排管頂標高、海水潮位、電廠的經濟運行等多方面因素,經技術論證后確定;而核電廠廠址地坪標高是根據濱海核電廠防洪要求確定的,因此廠址地坪標高往往高于汽機房零米層合理標高。參考電站的汽機房零米層與廠址地坪幾乎在同一標高上,海水循環冷卻水的提升高度較大,循環水泵運行費用增加,降低電廠的運行經濟性。
目前,多數國內外新建核電廠充分利用虹吸高度,降低汽機房零米層標高,減小虹吸損失,使循環水泵的幾何揚程盡可能地小,從而提高電廠運行的經濟性。福清核電ⅠⅡ期項目循環水系統采用直流循環冷卻方式,設計虹吸利用高度為7.5m,降標高后減少了循環水的提升高度(見附圖一),可大大降低循泵運行費用。
3.1國內常規島廠房降標高應用
國內不少核電站在常規島廠房設計中都采用了降標高方案,降低了循環水泵提升揚程,進而減少了此設備運行費用,給電站帶來了良好的經濟效益。
國內已建核電廠汽機房零米層標高比較表
秦山一、二、三期汽機房降低標高經濟效益比較表
注:該表引自秦山第三核有限公司錢劍秋總工的論文《秦山重水堆核電廠的主要設計改進》
3.2汽機房降標高方案的技術分析
3.2.1 汽機房底層標高方案的選擇
汽機房負挖的根本目的是為了充分利用虹吸高度,使循環水泵的幾何揚程達到最小。一般國內國外工程中虹吸利用高度為7～8m,福清核電項目汽機房底層標高按采用降低7.5米的布置方式,主要綜合考慮了以下因素:
(1)循環水泵運行的經濟性要求,同時考慮機組運行的安全性要求。
(2)汽機房各主要層布置優化要求。
(3)給水泵起吊空間的要求
(4)凝汽器頸部低加抽芯的要求。
(5)循環水管道GD溝、重要廠用水管道GA溝、綜合管廊GB溝與汽機房之間的布置合理性要求等。
以零米層布置為基準,從最大程度減小循環水泵幾何揚程的角度出發并根據汽機房分三層布置的特點(零米層、夾層、運轉層)選用了降標高11.73m和7.5m這兩種方案,并進行了對比分析。由于三十三年一遇低潮位出現的機率很低,按其來選擇循泵參數不科學,按目前國內大多數工程的做法,選擇循環水泵揚程時考慮實際運行工況,按年平均低潮位-2.28m做為設計輸入,作為設計低潮位。汽機房凝汽器室底層至凝汽器水室頂部高度,汽輪機廠家東方電氣提供的數據為6.1m;虹吸井至排水口的水頭損失應計入循環水泵的幾何揚程,根據核二院的資料約為0.3m。
汽機房地面布置與降標高(兩種方案)循泵參數對照
3.2.2汽機房降標高布置的經濟分析
汽機房降標高,在工程建造階段需要增加工程量和投資費用,但電站長期的運行階段將降低廠用電率節約運行成本。以下將從運行費用和工程投資費用兩方面比較汽機房地上布置和半地下布置在經濟性方面的區別。
(1)運行費用比較
循環水泵的揚程=幾何揚程+總水頭損失
汽機房降標高布置對循環水系統的總水頭損失影響很小,所以幾何揚程變化是循環水泵揚程變化的主要因素。
循環水泵的幾何揚程是虹吸井堰上水位與設計低水位的差值,而堰上水位是凝汽器第一排管子頂標高扣除虹吸利用高度確定的。循泵的幾何揚程HA為:
式中:
HB��凝汽器第一排管子頂標高,汽機房地上式布置為17.25m,汽機房半地下式布置為9.75m;
HC��虹吸利用高度,一般取7-8m,本工程取7.5m;
HL��設計低水位,本工程取平均低潮位-2.28m。
根據上式,汽機房地上布置時,循泵幾何揚程為12.03m,汽機房半地下式布置時循泵幾何揚程為4.53m。
循環水泵的電機功率主要取決于循環水泵的流量、揚程和水泵的效率。本工程循環水系統按一機兩泵、雙泵運行設置。單臺循泵的電機功率差值N(kW)為:
式中:
K��為動力機的安全系數,取1.15;
r��海水的容重,取1.03×1000;
Q��循環水泵的流量,取27.75;
H��為循環水泵的揚程差值,為7.50m;
η��渦殼循環水泵的效率取0.87。
單臺循環水泵的電機功率差值N為2778kW。本工程2×1000MW機組(共4臺循泵),按負荷因子80%估算,年運行小時7008小時、上網電價386,當降標高布置后,循泵總的年運行費用可節省約3006萬元。
(2)其它費用情況
1)給水泵揚程增加運行費用比較
汽機房整體下降7.50m后,除氧器標高也要同步下降,因此,給水泵揚程也需增加,大約需要增加8.5m,給水泵電機容量增加約181kW,按年運行7008小時計算,給水泵電機年耗電量增加1.27×106kWh。本期工程兩臺機組給水泵電機年耗電量需增加2.54×106kWh,上網電價386元/MWh計算,即需增加年運行費用約98萬元。
2)主廠房通風運行費用比較
汽機房整體下降7.50m后,采用機械送風方式,汽機房增加機械送風量,相應增加送風機組用電量180KW/小時/臺,年運行時間按7008小時,按13臺送風機組計算,增加耗電量10091520KWh,上網電價按386元/MWh計算,則2臺機組每年需增加運行費用約390萬元。
(3)工程量增加問題
采用汽機房整體降低標高方案后,主要影響的工程量增加有以下幾項:
主要管道工程量
汽機房負挖工程量、
汽機房結構工程量、
循環水取排水管道(溝)工程量、
消防排水設施工程量、
采暖通風設施工程量
3.3汽機房降標高方案小結
(1)從運行經濟性比較,汽機房整體降標高布置,使工程總投資費用增加約4798萬元,但循環水泵運行費用每年可節約3006萬元,扣除主給水泵/采暖通風等運行費用的增加,整體運行費用每年可節約2676萬元,預計2年內就可以收回總投資增加的成本;40年的壽期內,長期運行的節能效益是非常可觀的。
(2)汽機房零米層標高降低方案雖然在技術上有一定的難度,而且接口處理和計算分析的工作量也比較大,特別是常規島和核島設計院之間的接口配合和常規島本身帶來的設計變化和分析計算工作量相當大,經過項目總體設計階段分析和研究及專家評審,認為:標高降低方案技術上可行,經濟上有利,在實際的工程設計、施工和安裝中的各階段需做認真而細致的工作。
(3)汽機房標高降低方案的工作將貫穿于項目的各階段,目前,項目施工圖剛剛開始,標高降低方案所帶來的新的問題和新任務才處理了很少的一部分,接下來還有大量的問題需要盡快處理,由于這些問題的處理需要各單位通力協助、密切配合,不僅需要常規島和核島設計院之間的配合,而且需要設計院與制造廠之間、設計院與施工安裝單位之間的大力協助。
(4)由于汽機房標高降低7.50m后,設計和施工工作量增加,需要對工程進度各項工作作更加全面、合理的分析和安排,通過強化管理,將設計、設備采購和施工等各環節中的進度潛力進一步發揮,將進度中關鍵節點上的難點工作進一步分解和消化,以滿足項目主節點的各項要求。
參考文獻:
[1]曹斌,張超,張杰,劉敏義,劉愛勤,韓燕,等.汽機房標高設置專題分析.
[2]錢劍秋.秦山重水堆核電廠的主要設計改進.
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