压水堆核电厂二回路系统管道热效率的影响因素分析

压水堆核电厂二回路系统管道热效率的影响因素分析

吴良鹏

福建福清核电有限公司 福建 福清 350318

摘要：文章针对核电厂二回路系统管道热效率问题，从二回路热力系统结构、热效率的计算方法入手，分析了主蒸汽管道疏水门泄露、厂用蒸汽、给水管道散热、主蒸汽管道散热和蒸汽发生器排污对热效率的影响。结果表明：以上因素均会影响二回路系统管道的热效率，不同因素的影响机理和程度存在差异。

关键词：核电厂；二回路系统；热效率；影响因素

在压水堆核电厂中，因蒸汽管道散热、疏水门不严密等原因，蒸汽发生器传输的热量不能完全进入动力系统做功。管道热效率，是评价蒸汽动力转换系统利用程度高低的指标^[1]。分析管道热效率的影响因素，采取针对性的解决对策，有助于进一步提高核电厂的运行水平，达到降本增效的目标。

1．压水堆核电厂二回路热力系统

1.1 系统结构

以990MW压水堆核电厂二回路热力系统为例，系统结构见图1。

图1：二回路热力系统组成结构示意图

1.2 热效率概念

压水堆核电机组中，热功率 经过多个环节转换，经发电机输出电功率 ，能量传递的计算方式是：

（式1）

式中， 代表反应堆传递给一回路冷却剂的热量， 代表一回路冷却剂在蒸汽发生器内释放的热量， 代表二回路工质在蒸汽发生器内吸收的热量， 代表工质带入蒸汽动力转换系统的热量， 代表汽轮机的实际内功率， 代表汽轮机的轴端功率，单位均为kW。 代表反应堆热效率， 代表一回路管道热效率， 代表蒸汽发生器热效率， 代表二回路管道热效率， 代表循环热效率， 代表汽轮机机械效率， 代表发电机效率，单位均为%。

那么，核电厂全厂热效率 是：

（式2）

对比式1、式2，可以得到二回路管道热效率 ，即工质带入蒸汽动力转换系统的热量、二回路工质在蒸汽发生器吸收的热量两者比值：

（式3）

分析式3可知：二回路工质在蒸汽发生器吸收的热量一定时，工质带入蒸汽动力转换系统的热量越大，那么管道热效率就越高。

2．二回路系统管道热效率的计算方法

2.1 热量组成

结合二回路热力系统的组成结构，工质在蒸汽发生器吸收的热量包括两部分：一是主蒸汽吸热量 ，二是排污工质吸热量 。蒸汽带入蒸汽动力转换系统的热量，是进入和离开蒸汽动力转换系统的热量的差值。

先来看进入蒸汽动力转换系统的热量 ，包括了主蒸汽带入热量、补水带入热量、再生热交换器带入热量、凝汽器回收主蒸汽管道疏水门泄漏蒸汽所带入的热量，即：

（式4）

式中， 、 、 、 分别代表蒸汽流量，单位是kg/s； 、 、 、 分别代表蒸汽或水的焓，单位是kJ/kg。

再来看离开蒸汽动力转换系统的热量 ，包括了给水带出的热量、去再生热交换器带出的热量，即：

（式5）

式中， 代表蒸汽发生器的给水流量（kg/s）， 代表二回路系统压力最高的回热加热器出口水焓（kJ/kg）， 代表凝结水泵出口凝结水的焓（kJ/kg）。

由此可得，蒸汽动力转换系统所消耗热量 为：

（式6）

2.2 管道损失

二回路热力系统运行时，管道损失 包括主蒸汽管道散热损失、给水管道散热损失、主蒸汽管道疏水门泄漏热损失、厂用蒸汽造成的热损失、蒸汽发生器排污造成的热损失，表示为：

（式7）

其中，主蒸汽管道散热损失 为：

（式8）

给水管道散热损失 为：

（式9）

主蒸汽管道疏水门泄漏热损失 为：

（式10）

厂用蒸汽造成的热损失 为：

（式11）

蒸汽发生器排污造成的热损失 为：

（式12）

2.3 热效率计算公式

根据热量组成和管道损失，结合式3，即可得到二回路系统管道热效率的表达式为：

（式11）

3．二回路系统管道热效率的影响因素

3.1 主蒸汽管道疏水门泄露

主蒸汽管道疏水系统，在机组启停和安全操作上具有重要作用^[2]。该系统设置时，因隔离阀门常开，主蒸汽压力和疏水扩容器逐渐的压力差由疏水阀承受。长期运行中，饱和水对疏水阀造成冲蚀和汽蚀，可造成密封破坏、发生泄露。不论哪个主蒸汽管道的疏水门泄露，均会对疏水扩容器造成热冲击，导致全厂热效率降低。结合运行实践，随着主蒸汽管道泄漏份额增加，循环热效率增加，管道热效率降低；因管道热效率的降低幅度大，而循环热效率的升高幅度小，因此全厂热效率会下降。

3.2 厂用蒸汽

压水堆核电厂中，厂用蒸汽的使用者较多，这些蒸汽来源于主蒸汽系统，经降压、降温处理后分配至管道。因厂用蒸汽的回收率不高，本次研究不考虑蒸汽回收。在此条件下，进入凝汽器的补充水量增大，才能保持凝结水流量不变，但管道热效率降低，循环热效率升高，最终全厂热效率降低。

3.3 给水管道散热

给水管道散热损失，是因为给水管道的保温性能降低，此时进入蒸汽发生器的给水焓，低于回热加热器出口水的焓

^[3]。当出口水的焓值不变时，给水管道散热损失越大，进入蒸汽发生器的给水焓越小，吸收的热量就越多，导致管道的热效率降低。另一方面，转换系统的热耗量、汽轮机的内功率是不变的，因此循环热效率不变。结合实践，二回路侧给水入口焓值降低，循环热效率不变，管道效率降低，全厂热效率和管道热效率的变化保持一致。也就是说，给水管道散热只影响管道热效率，不影响循环热效率，因管道热效率降低引起全厂热效率降低。

3.4 主蒸汽管道散热

主蒸汽管道散热损失，是因为主蒸汽管道保温性能降低后，进入蒸汽动力转换系统的蒸汽焓，低于蒸汽发生器出口蒸汽的焓。该散热损失会降低转换系统的主蒸汽参数，导致湿度变大；而汽轮机的参数不变，循环热效率就会降低，进入转换系统的热量减少，最终管道热效率降低。结合实践，随着高压缸入口处焓值降低，不论是循环热效率、还是管道热效率，两者均会降低，导致全厂热效率显著降低。

3.5 蒸汽发生器排污

蒸汽发生器排污，是为了改善二回路工质的水质，对排污水进行回收处理，减轻蒸汽发生器的腐蚀程度，延长设备使用寿命。采用可再生热交换器的系统，随着排污份额增加，循环热效率降低，管道热效率降低；采用非再生热交换器的系统，随着排污份额增加，循环热效率增高，管道热效率降低。但是，可再生热交换器系统，管道热效率的降低幅度更小一些，这是因为二回路工质吸收热量时，凝结水回收部分排污热量，管道热效率的降低值相比于非再生热交换器的系统更小^[4]。

4．结论

综上所述，管道热效率是评价蒸汽动力转换系统利用程度高低的指标，本次研究证实，主蒸汽管道疏水门泄露、厂用蒸汽、给水管道散热、主蒸汽管道散热和蒸汽发生器排污，均是管道热效率的影响因素。①随着主蒸汽管道泄漏份额增加，循环热效率增加，管道热效率降低；因管道热效率的降低幅度大，而循环热效率的升高幅度小，因此全厂热效率会下降。②不考虑蒸汽回收的条件下，进入凝汽器的补充水量增大，管道热效率降低，循环热效率升高，最终全厂热效率降低。③给水管道散热只影响管道热效率，不影响循环热效率，因管道热效率降低引起全厂热效率降低。④随着高压缸入口处焓值降低，不论是循环热效率、还是管道热效率，两者均会降低，导致全厂热效率显著降低。⑤随着排污份额增加，采用可再生热交换器的系统，循环热效率降低，管道热效率降低；采用非再生热交换器的系统，循环热效率增高，管道热效率降低。

参考文献：

[1] 刘成洋,阎昌琪,王建军.核电厂二回路热力系统的参数优化[J].核科学与工程,2015,35(01):123-130.

[2] 刘琦.核电机组二回路系统热力计算与性能分析[D].华北电力大学(北京),2018.

[3] 刘勇,霍明,兰立君,等.核电厂热泵蒸发系统分离效率试验研究[J].核动力工程,2018,39(04):141-143.

[4] 崔佳林,杨自春,张磊.基于改进型人群搜索算法的船用二回路系统效率优化研究[J].汽轮机技术,2018,60(04):271-275.