陈永记，刘德有，王丰，夏林，汪正明

(河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098)



新型湿冷系统的应用探讨与热力特性研究

陈永记，刘德有，王丰，夏林，汪正明

(河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098)

摘要：针对模块式小型压水堆的特点，提出了新型湿冷系统，并介绍其相应的结构组成、不同型式及运行方式。针对新型湿冷系统的运行特点，建立了新型湿冷系统直流部分与二次循环部分热负荷比例分配的数学模型。结合某电厂ACP100核电机组，对新型湿冷系统进行热力特性分析可知，直流冷却负荷百分比的变化对二次循环流量、凝汽器进口水温、凝汽器压力、以及净微增功率的影响显著。应用新型湿冷系统的优化计算方法，对循泵耗功进行计算可知，循泵耗功不仅受到循泵运行方式的影响，还与新型湿冷系统的运行方式，以及直流冷却负荷百分比有关。

关键词：模块式小型压水堆；新型湿冷系统；应用探讨；热力特性

0引言

冷端系统是核电厂发电系统中的一个重要组成部分，其工作性能的优劣直接影响整个核电厂的热经济性和运行可靠性。与同容量的火电机组相比，核电厂排汽量较大，因此冷端系统对机组的运行经济性影响更大。通过冷端优化可将核电机组出力提高0.3%左右[1]。

目前针对大型核电厂冷端系统的设计，均参考火电厂冷却系统的优化设计方法[2]。此外，国内外核电厂冷端系统优化的研究，多侧重于汽轮机低压缸通流设计优化、末级叶片设计优化、凝汽器设计优化和循环水泵(循泵)优化选型[3]。近年来，核反应堆向模块化、多用途方向发展，而开式直流系统只能应用于水源充足的场合的特点，限制了模块式小型压水堆建设厂址选择的灵活性。并且，随着海河生态环境保护问题的备受关注[4]，开式直流系统的温排水给环境带来的问题也已成为诟病。

针对模块式小型压水堆的特点，结合开式直流系统和闭式循环系统的优点，提出了一种新型湿冷系统，探讨在水源不太充足的地区应用新型湿冷系统的可行性，并结合相关实例对新型湿冷系统进行热力特性分析。

1新型湿冷系统介绍

1.1系统结构分析

与传统的大型核电厂相比，模块式小型压水堆具有多用途、厂址选择更具灵活性等特点，因此，模块式小型压水堆新型湿冷系统，在传统核电厂开式直流系统的基础上，增加了二次循环冷却部分，使其具有对水源要求低、厂址适应性强以及对环境影响小等优点。

模块式小型压水堆新型湿冷系统以凝汽器为核心，其主要由汽轮机低压缸、循环水泵、冷却塔等组成[5]。根据冷却水的来源，新型湿冷系统可分为直流和二次循环两个部分。其中，二次循环部分中的冷却塔，可采用自然通风冷却塔或机械通风冷却塔，如图1所示。

图1　模块式小型压水堆新型湿冷系统示意图

1.2系统运行分析

当供水水源仅在个别季节不能满足开式直流系统供水水量，且取水又较经济方便时，模块式小型压水堆的设计可以考虑使用新型湿冷系统。新型湿冷系统的运行方式有3种：1) 直流部分单独运行；2) 二次循环部分单独运行；3) 直流部分和二次循环部分同时运行。新型湿冷系统兼有开式直流和闭式循环系统特点，在水源水量丰富时，采用第1种运行方式；在水源水量较为不足时，采用第3种运行方式；在水源最枯时，采用第2种运行方式。

2新型湿冷系统优化设计的数学模型

针对新型湿冷系统的特点，建立了新型湿冷系统优化的数学模型。模型包括两部分，影响新型湿冷系统运行特性的边界条件数学模型和新型湿冷系统热力特性计算的数学模型。

2.1影响新型湿冷系统运行特性的边界条件(图2)

1) 机组负荷

当机组负荷变化时，凝汽器内冷却水的吸热量可表示为机组负荷的函数，即：

图2　新型湿冷系统受边界条件影响示意图

(1)

式中：Wc—凝汽器内冷却水的吸热量，kJ/s；U—机组负荷，MW。

2) 气象及水文条件

在新型湿冷系统中，外海河水将与经冷却塔换热后的冷却水在水泵吸水前池中混合，经循泵进入凝汽器，则凝汽器进口水温将随水源水温变化而变化，由冷却塔热力计算的数学模型[6]可知：

tc1=f2(Pa,Ta,RH,Qm,ΔT,T1,U,M)

(2)

式中：tc1—凝汽器进口冷却水温，℃；Pa—大气压力，Pa；RH—外界空气相对湿度；Ta—外界空气干球温度，℃；Qm—外海河的质量流量，kg/s；ΔT—直流部分冷却水引起水源处水的整体温升，℃；T1—与直流冷却水混合前外海河的水温，℃；M为循泵运行方式。

3) 循泵运行方式

冷却水流量可表示为循泵运行方式与系统静扬程的关系式：

(3)

式中：qm为凝汽器入口冷却水的质量流量，kg/s；Hs为系统静扬程m。

4) 直流冷却水的温排要求

在新型湿冷系统中，水源流量或流域面积越大，直流部分的温排水对水源的温升影响越小，因此，水文条件将影响直流部分冷却水的排放，如式(4)所示。

Wc1max=f4(Qm,ΔTmax)

(4)

式中：Wc1max—新型湿冷系统向外海河中排放的最大热量，kJ/s；ΔTmax—外海河水中生态环境所能承受的最大温升，℃。

2.2新型湿冷系统热力特性计算的数学模型

1) 冷端系统的冷却负荷

当忽略进入凝汽器的其他热量时，凝汽器中蒸汽的放热量等于冷却水的吸热量，如式(5)。

(5)

式中：Wc—冷端系统的总冷却负荷，kJ/s；Qs—进入凝汽器的排汽量，kg/s；hs—排汽焓，kJ/kg；hc—凝结水焓，kJ/kg；cw—冷却水比热容，kJ(kg·℃)；tc2—凝汽器出口冷却水水温，℃。

2) 直流部分的冷却负荷

当忽略冷却系统直流部分取水口至排水口之间外海河流段水温的变化如图3所示，新型湿冷系统直流部分冷却水与外海河水混合前后，外海河水的总吸热量为：

Wc1=QmcwΔT=Qmcw(T2-T1)

(6)

式中：Wc1—直流部分冷却水向外海河排放的热量，kJ/s；T2—混合后外海河水的温度，℃。

图3　新型湿冷系统直流部分取水与排水简图

新型湿冷系统在运行方式的选择上，遵循的原则是：在不超出外海河流域对冷却水排放要求的前提下，尽可能提高直流部分的冷却负荷在总冷却负荷中的比例。因此，新型湿冷系统直流部分冷却水向外海河排放的热量，等于外海河所限制排放的负荷，即Wc1=Wc1max。

3) 二次循环部分的冷却负荷

与传统的冷端系统类型相比，新型湿冷系统存在冷却负荷分配的问题。当外海河流域对温排水的排放要求明确时，新型湿冷系统二次循环部分承担的冷却负荷为：

Wc2=Wc-Wc1=qmcwΔtc-QmcwΔT

(7)

式中：Wc2—二次循环部分承担的冷却负荷，kJ/s；Δtc—凝汽器的冷却温差，且Δtc=tc2-tc1，℃。

4) 直流部分冷却水的流量

当忽略冷却系统直流部分冷却水的流量损失，以及直流部分取水口与水泵吸水前池之间冷却水温度的变化时，新型湿冷系统直流部分冷却水的流量为：

(8)

式中：t1—直流部分取水口处冷却水温度，℃；t2—直流部分排水口处冷却水温度，℃。

5) 二次循环部分冷却水的流量

进入水泵吸水前池的冷却水的水量，等于循泵的流量，如式(9)：

qm=qm1+qm2

(9)

式中：qm2—二次循环部分中冷却塔出口冷却水的质量流量，kg/s。

在冷却塔的热力计算中，冷却塔的出塔水温取决于冷却塔的热力工作点[7]，即冷却塔冷却能力数曲线与冷却塔冷却负荷曲线的交点，则冷却塔的出塔水温可用式(10)表达：

tw2=f5(f',f'',f''',qm2,Δtw)

(10)

式中：f’—冷却塔的结构参数；f’’—冷却塔的填料特性参数；f’’’—气象参数；Δtw—冷却塔的冷却温差，且Δtw=tw2-tw1，℃；tw2—冷却塔出口冷却水水温，℃；tw1—冷却塔入塔水温，℃。

如不考虑泵功的影响，以及泵吸水前池至凝汽器进口的热量损失，有如式(11)：

qm2tw2=qmtc1-qm1t1=qmtc1-qm1T1

(11)

如不考虑凝汽器出口与直流部分排水口之间冷却水的散热损失，以及凝汽器出口与冷却塔入水口之间冷却水的散热损失，则有tw1=tc2=t2；若不考虑冷却水比热容的变化，由式(7)~式(11)联立可知，冷却塔出口冷却水的质量流量可表示为：

qm2=f6(f',f'',f''',Qm,ΔT,T1,Wc,Δtc,qm)

(12)

式中：f’和f’’与冷却塔的结构和填料特性有关；f’’’与当地气象条件有关；Qm、T1和ΔT与当地外海河水文条件以及当地温排要求有关；Wc与汽轮机的排汽参数有关；Δtc与机组负荷和循泵运行方式有关；qm与循泵的运行方式有关。

6) 冷端系统的净微增功率

机组微增功率可由已知的不同负荷下机组微增功率曲线求解。假设其排汽压损为零，排汽压力等于凝汽器压力，则微增功率可表示为：

ΔPt=f7(U,pk)

(13)

式中：ΔPt—汽轮机的微增功率，kW；Pk—凝汽器压力，kPa。

凝汽器的热力计算采用纪利公式和凝汽器传热端差计算公式[8]，凝汽器压力可表示为：

湟中县法院对犯罪人员进行审理后依法出具法律文书，然后法院将需要进行社区矫正的服刑人员的相关法律文书送至湟中县司法局。司法局的社区矫正科接到法律文书后，联系社区服刑人员到司法局报到。县司法局的工作人员经核对身份信息、拍照登记存底后，将社区服刑人员的完整信息录入西宁市社区矫正人员信息平台，并将法律文书及其他文件材料制作成为该服刑人员的社区矫正工作档案。县司法局联系社区服刑人员居住地所在的康川司法所，送交社区矫正工作档案，交接对于社区服刑人员的矫正工作。康川司法所接到相关文件材料后，联系社区服刑人员来所报到，结合相关材料对服刑人员进行风险评估，并告知其相关社区矫正的工作要求。

pk=f8(K,Ac,qm,Δtc,tc1)

(14)

式中：K—凝汽器总体传热系数，W/(m2·℃)；Ac—凝汽器总有效冷却面积，m2。

循泵的耗电功率：

(15)

式中：ρ—冷却水密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2；H—循泵扬程，m；ηp—循泵效率；ηe—循泵电机效率。

新型湿冷系统的净微增功率：

ΔP=ΔPt-∑Pp

(16)

式中：ΔP—新型湿冷系统的净微增功率，kW。

3新型湿冷系统热力特性分析

3.1基本资料

以某电厂2台ACP100核电机组为例，冷端系统均采用新型湿冷系统，每台机组配备1台N-11000型表面式、双背压-单流程凝汽器。每台机组配备2台循泵，采用扩大单元制供水。逆流式自然通风冷却塔塔高75m，面积2500m2。在机组负荷为100%、大气压力为101500Pa、干球温度为18℃、相对湿度为80%、外海河水温16℃条件下，当直流部分冷却负荷在直流温排要求极端范围内变化时，可得到新型湿冷系统热力特性图。图4中M1、M2、M3分别代表循泵的三种运行方式，即M1为一机一泵，M2为二机三泵，M3为一机二泵。

图4　直流冷却负荷百分比(Wc1/Wc)与二次循环流量百分比(qm2/qm)的关系曲线

3.2计算结果及分析

由图4可知，在三种循泵运行方式下，直流冷却负荷的变化对二次循环流量都有显著影响。当直流冷却负荷百分比(qm2/qm)逐渐增加时，二次循环流量百分比(Wc1/Wc)在不断减小，且其变化幅度先增大后减小。当直流冷却负荷百分比(qm2/qm)达到100%时，此时新型湿冷系统的运行方式相当于开式直流系统，二次循环流量百分比(Wc1/Wc)的值会突变为0。因此，可以通过调节二次循环部分的流量来控制直流部分的冷却负荷。

2) 直流冷却负荷对凝汽器进口水温的影响(图5)

图5　直流冷却负荷百分比(Wc1/Wc)与凝汽器进口水温(tc1)的关系曲线

由图5可知，在三种循泵运行方式下，直流冷却负荷的变化对凝汽器进口水温都有很大影响。直流冷却负荷百分比在10%~60%之间变化时，直流冷却负荷百分比变化10%，凝汽器进口水温(tc1)变化约1℃。随着直流冷却负荷百分比(qm2/qm)逐渐增加，凝汽器进口水温(tc1)不断减小，且其变化幅度也在逐渐减小。因此，凝汽器的热力特性会受到直流冷却负荷百分比的影响。

3) 直流冷却负荷对凝汽器压力的影响(图6)

图6　直流冷却负荷百分比(Wc1/Wc)与凝汽器压力(Pk)的关系曲线

由图6可知，在3种循泵运行方式下，直流冷却负荷的变化对凝汽器压力都有较大影响。凝汽器压力(Pk)均随着直流冷却负荷百分比(qm2/qm)的增加而减小，同时其变化幅度也逐渐减小。直流冷却负荷百分比在10%~80%之间变化时，直流冷却负荷百分比变化10%，凝汽器压力(Pk)变化约0.3kPa。因此，直流冷却负荷百分比的大小对机组负荷产生重大影响。

4) 直流冷却负荷对净微增功率的影响(图7)

图7　直流冷却负荷百分比(Wc1/Wc)对净微增功率(ΔP)的影响

由图7可知，在3 种循泵运行方式下，直流冷却负荷的变化对净微增功率均有很大影响。随着直流冷却负荷百分比(qm2/qm)的增加，净微增功率(ΔP)先减小后增加，当直流冷却负荷百分比(qm2/qm)达到100%时，净微增功率(ΔP)的值将发生突变。因此，当新型湿冷系统处于第二种运行方式时，直流部分冷却负荷应取外海河所限制排放的负荷。

5) 直流冷却负荷对循泵耗功的影响

在新型湿冷系统中，冷却水会发生分流，即分为直流部分和二次循环部分，若流量比例分配不同，则系统管阻也会发生变化，这将对循泵耗功产生影响。表1为不同直流部分冷却负荷条件下冷却塔温差(Δtw)和循泵耗电功率(Pp)的计算结果。

表1　不同直流部分冷却负荷条件下冷却塔温差和循泵耗电功率

由表1可知，在机组负荷、水文及气象条件和循泵运行方式一定的情况下，随着直流冷却负荷百分比(Wc1/Wc)的增加，二次循环部分中冷却塔的冷却温差先减小后增大，循泵的耗功则会先增大后减小，再增大最后减小。这是因为在直流冷却负荷百分比(Wc1/Wc)增大的过程中，由于二次循环部分冷却负荷减小的速度大于二次循环部分冷却水流量减小的速度，所以冷却塔的温差会先减小，当直流冷却负荷百分比(Wc1/Wc)接近100%时，二次循环部分冷却负荷减小的速度小于二次循环部分冷却水流量减小的速度，则冷却塔的温差最后会慢慢增大，直至二次循环部分的冷却负荷为0。

对于循泵的耗功，当新型湿冷系统的运行方式由只运行二次循环部分调节到直流部分和二次循环部分同时运行时，冷却水总流量不变但冷却水发生分流，则系统管阻增加，循泵的耗功也相应增加；之后二次循环部分冷却水流量减小，直流部分冷却水流量增加，则二次循环部分的管阻会相应的减小，直流部分的管阻会相应的增加，当二次循环部分冷却水流量较大时，二次循环部分的管阻减小的速度大于直流部分的管阻增加的速度，则循泵的耗功会相应减小，但当直流部分冷却水流量较大时，二次循环部分的管阻减小的速度小于直流部分的管阻增加的速度，则循泵的耗功会相应增加，直至新型湿冷系统的运行方式到只运行直流部分时，循泵的耗功会发生突变。

4结语

1) 针对模块式小型压水堆的应用特点，首次提出了新型湿冷系统，并介绍其相应的结构组成、不同型式和运行方式，对不同水源条件下应用新型湿冷系统进行可行性分析可知，新型湿冷系统将大大增加模块式小型压水堆厂址选择的灵活性，在环保要求越来越高的大环境下将有广阔的应用前景。

2) 针对新型湿冷系统的运行特点，建立了新型湿冷系统直流部分与二次循环部分热负荷比例分配的数学模型。结合某电厂ACP100核电机组，对新型湿冷系统进行热力特性分析可知，直流冷却负荷百分比的变化对二次循环流量、凝汽器进口水温、凝汽器压力、以及净微增功率的影响显著。

3) 应用新型湿冷系统优化计算方法，对循泵耗功进行计算可知，循泵耗功不仅受到循泵运行方式的影响，还与新型湿冷系统的运行方式，以及直流冷却负荷百分比有关。

参考文献:

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Research on Application and Thermal Property of New wet Cooling System

CHEN Yong-ji, LIU De-you, WANG Feng, XIA Lin, WANG Zheng-ming

(College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract:According to the characteristics of small modular reactors, the new wet cooling system is proposed for the first time, and the corresponding structure, different types and operation mode are introduced. For the operating characteristics of the new wet cooling system, the mathematical model of heat load proportional distribution for the concurrent part and the cycle part is established. Combined with ACP100 small modular reactors of a power plant, by analyzing thermodynamic property of new wet cooling system, the cooling load percentage changes of the concurrent part have a significant effect on the flow of the cycle part, the inlet water temperature of condenser, and the pressure of condenser, the net incremental power. The result of the study shows that power consumption of the circulating water pump (CWP) is not only affected by the CWP operation mode, but also related to the operation mode of the new wet cooling system, and the cooling load percentage of the concurrent part, so that the optimization method of the new wet cooling system is applied to calculating the CWP power consumption.

Keywords:small modular reactors; new wet cooling system; application; thermodynamic property

收稿日期：2015-01-26

中图分类号：TK73

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)03-0193-05

作者简介：陈永记(1987-)，男，河南信阳人，硕士研究生，主要从事火电机组冷端系统节能优化研究。