严 瀚 丁剑阳 顾洪波
（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）
【摘 要】本文主要通过对中核运行2厂1/2号650MW核电机组的GCT-C旁排阀及减温减压装置热力过程的介绍，分析在失去一列CRF水时，即凝汽器在失去一列冷却水，在单侧冷却的情况下汽机旁排投运，此时相关热工参数是否仍能满足凝汽器设计要求。
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关键词 GCT-C；汽机旁排；单侧冷却；热力分析
Turbine Bypass Valve Operation Analysis under the Condition of Unilateral Cooling for 650MW Nuclear Power Condenser
YAN han DＩＮＧ Jian-yang GＵ Hong-bo
(CNNC Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.， Haiyan Zhejiang 314300，China)
【Abstract】Based mainly on the introduction to the structure of GCT-C bypass valve and pressure & temperature reducing device as well as the thermal process at Qishan 2-1/2, this paper analyzes whether the related thermal parameters can still meet the condenser design requirements in case of loss of a train of Circulating Water (CRF), that is a train of condenser cooling water is lost and the turbine bypass is put into operation under the condition of unilateral cooling.
【Key words】GCT-C；Turbine bypass；Unilateral cooling；Thermal analysis
作者简介：严瀚（1981—），男，上海人，本科，工程师，核电厂运行工作。
丁剑阳（1978—），男，浙江人，本科，高级工程师，核电厂运行工作
顾洪波（1978—）女，江西人，本科，工程师，经验反馈/人因工程师。
1 蒸汽旁排减温减压过程热力分析
本文只考虑650MW核电机组单根汽机蒸汽凝汽器旁排（GCT-C）排放管线全流量排放的情况。根据调试报告单根GCT-C最大排放流量约为351 t/h，《汽轮机旁路系统手册》说明每台旁路阀额定工况下容量为276.5 t/h。在蒸发器二回路侧蒸汽达到最高压力8.6MPa(a)时，单只旁路阀的最大排放蒸汽量不超过388.8 t/h。为保守起见，本节假设GCT-C排放流量为400t/h。
1.1 减温水投入时GCT-C排放热力过程
GCT-C蒸汽排放至凝汽器首先经GCT调节阀下游消音器及减温减压装置进行减温减压，然后进入凝汽器扩容，最终进入凝汽器钛管被冷凝成水。其过程可分为以下两个热力过程，实现以下两个目的：
（１）减温扩容：GCT-C蒸汽经排放管线在与凝汽器上侧空间接口处进行喷水减温扩容后变成低压低温蒸汽；
（２）释放潜热：低压低温蒸汽进入凝汽器，经钛管冷却成冷凝水；
具体过程如下焓熵图。
a点为经GCT-C排放管线的新蒸汽参数点（7.6MPa、290.5℃、2765KJ/KG），b1、b2、b3点为蒸汽进入凝汽器上部空间扩容降压后的可能参数点，c点为蒸汽经凝汽器钛管冷凝后的参数点（6kPa、36.2℃、167KJ/KG）。
由于喷水减温投入，故ab过程为焓降膨胀过程，在该过程中在膨胀初期蒸汽先进入湿蒸汽区，后由于压力不断下降最终可能进入过热区b1，也可能一直处于饱和蒸汽区b2、b3，b点落在哪里取决于其冷却水量。
假设喷淋冷却水温为36.2℃（对应6kPa饱和汽压）、GCT-C排放蒸汽流量400t/h，经喷淋冷却后蒸汽温度与对应冷却流量关系如下表1：
可见，喷淋冷却水对蒸汽的降温效果非常明显，少量的喷淋冷却水即可达到很显著的降温幅度，但对蒸汽焓降影响并不大。
汽机旁排时经过了扩容膨胀、喷水减温、钛管冷却三个过程。下表２为蒸汽流量351 t/h、冷却水25t/h时各过程中蒸汽温度及焓值的变化。
上表直观的说明了：GCT-C排放蒸汽温度的下降绝大部分是在扩容及喷水减温过程中降低的，钛管冷却仅降低了蒸汽温度12.9℃，只占总温度下降值的4.9%。因此在GCT-C排放时只要喷淋冷却水投入，汽机低压缸及凝汽器将不会受到高温蒸汽的冲击，从温度角度来讲是安全的。
1.2 最低旁排喷淋冷却流量
650MW核电机组《凝汽器技术规格书》指出凝汽器蒸汽温度允许最高温度为80℃。当凝汽器冷却管泄漏或单台循泵运行时，凝汽器需要单侧运行，此时汽轮机允许最大负荷为额定功率70%，此时应保证凝汽器压力不大于15kPa，排汽温度不超过54℃。
以下按照《汽轮机旁路系统手册》蒸汽在最高压力8.6MPa(a)下，按照排放温度不大于80℃及54℃的要求，计算出在实际最大工况及设计最大工况下计算出最低旁排减温水流量如下表３：
因此理论上要求凝汽器双列冷却时旁排减温水流量应大于15.50 t/h，凝汽器单列冷却时旁排减温水流量应大于23.62 t/h，即可满足凝汽器要求，旁排减温水总流量应大于23.62*12=283.4 t/h。
那么我厂旁排减温水是否满足上述理论要求呢？下表为1/2号机减温减压器设计参数：
可以看到，1/2号机减温减压蒸汽流量设计偏小，只占额定负荷的75%Pn，未达到旁排设计85%Pn负荷要求。
按照上表1/2号机设计蒸汽及喷水流量，可计算出1/2号机减温减压器出口蒸汽温度为59℃。这一温度已经超过凝汽器单侧冷却时最高温度不能超过54℃要求，但仍满足凝汽器双列运行不高于80℃要求。可见1/2号机喷水量设计值明显偏小。
2 凝汽器单侧冷却时蒸汽旁排对凝汽器的影响
旁排蒸汽对凝汽器的影响，主要分两个方面，一是温度的影响、二是压力的影响。
对于温度的影响在上节中我们已经分析了，旁排蒸汽温度满足凝汽器双侧运行设计要求（尽管1/2号机温度裕度已为0）。1/2号机旁排蒸汽温度超过凝汽器单侧冷却设计温度，但这并不完全表明1/2号机旁排在凝汽器单侧时不可运行，具体分析见本节第三小节。
2.1 旁排蒸汽对凝汽器的冲击
现场布置上，旁排管线布置在低压缸排汽口下部，接管位置标高约2m。而凝汽器钛管布置在-7m层，目测旁排排汽口最下侧距钛管最顶端垂直距离至少3m。查看相关图纸低压缸排汽口至凝汽器钛管上部这一巨大腔室内除布置有1/2号低加外，并未设置用于左右间隔的隔板，即内部处处是相通的。旁排的排汽应该能够象低压缸排汽那样很顺畅地流向左右任一循泵对应的钛管冷却区。因此个人觉得旁排管线与CRF循环水泵没有特别严格的对应关系。
旁排进入凝汽器的汽流方向与钛管呈水平关系，且水平间距至少3m，这样旁排蒸汽与钛管之间并不存在直接的作用力。
这里还要考虑旁排蒸汽流速的问题，旁排蒸汽是以临界喷射状态进入凝汽器的，其速度很高，达到音速。通常热工蒸汽设计流速小于60 m/s，因此该流速相当惊人。但实际上音速的流速仅出现在减温减压器出口孔板处，一旦进入凝汽器腔室该速度将急剧下降。理由如下：
（1）凝汽器在旁排方向的截面积是减温减压器截面积的数十倍，根据质量流量守恒原理，蒸汽进入凝汽器后速度将很快下降。
（2）旁排蒸汽高速进入凝汽器后，在运动方向上受凝汽器内原有蒸汽沿运动方向反作用力，根据力学原理，此时蒸汽速度下降与蒸汽的质量有很大关系，质量越大，速度衰减的越慢。由于旁排蒸汽比容很大，单位质量很小，因此蒸汽流速也将很快下降。
如上述分析旁排蒸汽进入凝汽器后流速并不高且蒸汽密度很低，其动能也很低，对凝汽器的压力冲击应该可以接受。
还有一个问题，即新蒸汽降压冷却后处于过热状态，其比容应该比低压缸排汽湿饱和蒸汽要大，从而可能影响凝汽器压力，经查6KPa、120℃的过热蒸汽对应比容为30.22m3/Kg，而正常低压缸排汽比容为23.73m3/Kg，两都相差不算太大，在15%负荷附近，对凝汽器真空影响应该较小，可以不考虑。
2.2. 凝汽器单侧冷却原理
650MW核电机组凝汽器为单背压、三壳体、单流程、对分表面式凝汽器。蒸汽流道采用上宽下窄布置，使得蒸汽能以合适的流速与钛管发生热交换。随着蒸汽自上而下的流动，在流动过程中蒸汽不断的被冷凝，因此越往凝汽器下侧蒸汽量越小，为保证合适的蒸汽流速，蒸汽流道逐渐变窄。钛管区两侧及底部设计了许多小的蒸汽分支流道，该设计是为了保证空间各处蒸汽所被冷却的钛管数量大致相等，避免出现局部蒸汽过度冷却变成过冷水的情况。
管束中部设置有挡汽板隔出的空气冷却区，以使汽气混合物及其非凝结气体通过该区再次冷却，冷却后的不凝汽体通过空冷区的顶部由CVI真空泵抽走。设计上管束中部空气冷却区，比凝汽器入口压力下的饱和温度要低约4℃。
钛管中间区是在整个凝汽器压力最低区域，实际上蒸汽并非仅从钛管上侧进入钛管区进行冷凝，而是由钛管外侧各个方向均匀地向钛管中间区运动，其动力来自蒸汽自身冷凝形成的压差。
两列钛管区是并列布置在凝汽器中的，之间未设置任何隔板，如果一列钛管失去冷却水，此时该列钛管外侧与中间区将无法形成冷凝压差，蒸汽在该列形成汽塞无法流动，这样两列钛管区将形成一个持续的压差，所有蒸汽将向正常列钛管中间区流动并冷凝，从而维持凝汽器处于真空状态。同时由于单列钛管冷却有限，因此只能维持70%汽机功率。
2.3 旁排在凝汽器单侧时可运行性分析
由于旁排设计喷水流量偏小，在设计最大负荷运行时减温减压器出口蒸汽温度为79.9℃。已经超过凝汽器单侧冷却时最高温度不能超过54℃要求。但这并不表明凝汽器单侧时旁排完全不可运行。
《凝汽器技术规格书》中指出凝汽器单侧冷却时排汽温度不超过54℃的要求并非出于对钛管的要求，而是为了保证各列凝汽器低压缸之间的温差不至过大，否则将导致形变过大，危急设备主要设备的安全。设计上采用了汽侧平衡管，保证了各排汽口之间的温差<17℃。为达到这一要求，汽侧平衡管截面设计得非常大2750mm*1750mm。
汽机旁排蒸汽进入凝汽器后还存在三种可能的辅助冷却措施：
（1）低压缸排汽冷却旁排蒸汽；
（2）CAR低压缸末级叶片喷淋水冷却旁排蒸汽；
（3）凝汽器水幕保护水冷却旁排蒸汽。
我厂汽机转速只要超过600rpm后，第1、2种方式至少存在一种，或者都存在。温度超过这样可以保证排汽口温度低于54℃，在此工况下凝汽器单侧冷却时旁排运行是可行的。
问题是当汽机转速低于600rpm时，上述两种可能的辅助冷却措施均不可用。这种情况将会发生在机组启动期间，反应堆已功率运行，处于GCT-C运行，而汽机尚末冲转的情况下。此时凝汽器几乎只存在旁排这一唯一的进汽，即以79.9℃温度向凝汽器排汽，这势必导致凝汽器低压缸排汽口温度超过54℃。
此时的辅助冷却措施只有第3种方式，即凝汽器水幕保护。但凝汽器水幕保护投运是靠凝汽器温度高ST触发投运的，其定值为80℃，也即正常凝汽器双侧投运时的允许运行温度，其ST定值设计并末考虑单侧运行的情况。
因此对于1/2号机来讲汽机冲转并网期间是一个相对风险较高的状态，此时若跳一台CRF泵，将很可能导致凝汽器温度超限。为了避免这种风险，建议只要GCT-C开启即在DCS中强制开启水幕保护阀，保证旁排温度满足要求。还应密切关注凝汽器真空、汽机参数，尤其需要确认低压缸排汽口温度< 54℃、半侧解列凝汽器与其相连接的低压缸<17℃。
如无参数超限，可保持运行。当然保守起见，也可跳机后，手动降核功率至P10以下，并切至GCT-A控制。
3 总结
基于本文分析，有以下几个结论：
（1）1/2号机旁排减温水设计流量明显偏低。该流量设计只考虑了最高负荷时的凝汽器温度要求，但未考虑到凝汽器单侧冷却时的温度要求，导致单侧冷却时排汽严重超温；
（2）凝汽器水幕保护定值设计太高，不满足凝汽器单侧冷却要求，建议由80℃修改为54℃；
（3）建议对1/2号实际的旁排喷淋流量进行测量，以便确认实际的旁排蒸汽温度，并基于此提出针对性的措施；
（4）建议1/2号机一旦GCT-C带负荷，即强制水幕保护阀门开启。或者修改逻辑为GCT-C联动水幕保护投运。以防止CRF泵跳闸后，凝汽器、低压缸列间温差过大，导致重要设备损坏。
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参考文献
［１］汽机旁排阀技术规格书[Z].Technical Specification for Turbine Bypass Valve.
［２］汽机旁排系统GCT手册[Z].Turbine Bypass System (GCT) Manual.
［３］凝汽器技术规格书[Z].Technical Specification for 650MW Nuclear Power Condenser.
［４］SPEC上海动力设备有限公司设计图,1998年版,图号97702-0-0[Z].
Design Drawing No. 97702-0-0, 1998, Shanghai Power Equipment Co, Ltd (SPEC)[Z].
［责任编辑：邓丽丽］