姚 尧， 王 磊

(华能山东石岛湾核电有限公司， 山东威海 264300)

凝汽器真空度是电站运行最重要的参数之一，真空度直接决定着汽轮机的运行效率，同时也影响汽轮机运行的安全性[1]。而核电站二回路必须考虑的还有介质和能量的回收以保证电厂运行时介质和能量损失的最小化，因此与蒸汽系统相关的疏水绝大部分都通过和凝汽器相连接的管道回收至凝汽器。

由于凝汽器须维持高真空度，必须综合介质的参数和厂房规划合理地设计管径、设备、管道布置等内容，确保在回收介质和能量的同时保证凝汽器的密封性完整，不会导致空气进入凝汽器而影响凝汽器真空。

笔者针对球床模块式高温气冷堆核电站(HTR-PM)采暖加热系统出现影响凝汽器真空的问题进行了原因分析并提出了解决方案。

1 原因分析

1.1 系统简介

HTR-PM采暖加热系统采用汽-水传热方式为HTR-PM常规岛及BOP(Balance of Plant)厂房暖气片或者暖风机提供热水，用于保障厂房冬季的温度在可接受的范围。采暖加热系统使用汽轮机抽汽(表压力为0.645 MPa，温度为203 ℃)或辅助锅炉的蒸汽(表压力为1.25 MPa的饱和蒸汽)作为热源，蒸汽经减温、减压至表压力为 0.4 MPa、温度为155 ℃后，进入采暖加热器并把热量传递给采暖热水。采暖凝结水流入凝结水回收罐后通过2台凝结水回收泵加压回收。辅助锅炉供汽时采暖凝结水回收至辅助锅炉除氧器；汽轮机第二级抽汽供汽时，采暖凝结水回收至凝汽器；如果水质不合格则不回收，直接排至地沟。

采暖加热系统设置1套闭式凝结水回收装置，设备采用模块形式，凝结水回收装置采用间歇式凝结水回收方式，凝结水回收泵根据凝结水回收罐内的液位自动动作，当高液位时水泵启动排水，低液位时水泵停止工作。闭式凝结水回收装置分别通过1个手动隔离阀向凝汽器、辅助锅炉除氧器及排水地沟排水[2]。

1.2 问题描述

采暖加热系统闭式凝结水回收装置初始系统布置见图1 ，凝结水回收罐上部安装公称直径为89 mm(DN89)的溢流管道，用于故障情况下凝结水回收罐水位过高无法排走时溢流排至地沟。

图1 凝结水回收装置及标高示意图

汽轮机停运时，辅助锅炉为采暖加热系统提供加热蒸汽，蒸汽凝结水回收至辅助锅炉除氧器，辅助锅炉除氧器表压力为0.02 MPa；汽轮机正常运行时，第二级抽汽为采暖加热系统提供加热蒸汽，蒸汽凝结水回收至凝汽器。

凝汽器正常运行时绝对压力pv约为4.5 kPa，凝结水回收罐正常运行时内部绝对压力p0约为大气压力(101.3 kPa)。加热蒸汽凝结水回收至凝汽器的流程中，阀7关闭、阀8打开，由于凝结水回收罐和凝汽器之间的静压差，导致凝结水回收罐的水不断被抽入凝汽器，当凝结水回收罐中水排空时，空气会通过溢流管道倒流进入凝结水回收罐然后进入凝汽器，导致凝汽器真空受到影响，严重时可能导致凝汽器低真空停机。

1.3 理论计算

在采暖加热系统中，凝结水回收罐底部水平标高H1=0.73 m，连接凝汽器的阀8位置标高H3=3.45 m。系统管道布置方式为蒸汽凝结水回收至凝汽器的运行方式，即蒸汽凝结水通过阀8排至凝汽器。假设凝结水回收泵停运，凝结水回收罐的水由p0和pv的压力差驱动。正常运行时凝结水回收罐低水位相对于底部高度H2=0.46 m(标高为1.19 m)。

利用静态计算法初步计算凝结水回收罐和凝汽器之间管道上需要的水封高度[3]，假设所需水封高度为H。根据静压平衡计算[4]得到：

p0+ρg(H1+H2)=pv+ρg(H3+H)

(1)

式中：ρ为水的密度，取983.2 kg/m3(60 ℃时)；g为重力加速度，取9.8 m/s2；p0取 101.3 kPa；pv取4.5 kPa。

计算得出H=7.79 m，即在不考虑设计裕量的前提下，需要增加7.79 m的水封才能保证凝结水回收罐中的水位保持在低水位，且凝汽器真空不会受到影响。原设计存在较大的缺陷，未能充分考虑到凝汽器真空和凝结水回收罐之间的静压差的影响，因此采暖加热系统至凝汽器回水管道必须重新设计才能满足系统正常运行要求。

2 解决方案

目前，解决方案有三种：在去凝汽器的管道上增加水封(单级水封或多级水封)、增加电动隔离阀。借鉴其他电厂轴封加热器或者疏水管道连接至凝汽器喉部的管道布置经验，可以利用水封来实现凝汽器和外接管道之间的严密性。水封分为单级水封和多级水封，单级水封和多级水封的结构和原理基本一致，可以根据实际需求进行设置。

2.1 增加单级水封

增加单级水封后的流程图见图2。

图2 增加单级水封

增加的水封位置位于阀8下游和凝汽器接口之间管道上，管径和前后管道的尺寸保持一致，水封高度为10 m，满足静态计算的7.79 m要求且有充分的设计裕量。只要泵的扬程≥静态计算法算出的水封高度，系统可以在保证水封完整性的前提下，将采暖凝结水排入凝汽器。

单级水封的优点为：没有电气和机械传动装置，无磨损和卡涩，结构简单，维护方便；无密封元件，密封性好；初始充注操作简单。但是单级水封的不足也很明显，由于在大气压力下需要约10 m的水封，安装位置需要足够的高度，对于安装空间要求较大，在电厂里管道布置纵横交错，因此决定了单级水封的利用受到很多限制。

2.2 增加多级水封

增加多级水封后的流程图见图3。

图3 增加多级水封

增加的水封位置同样位于阀8下游和凝汽器接口之间管道上，水封共5级，每级2 m，水封总高度为10 m，满足静态计算的7.79 m要求且有充分的设计裕量。只要泵的扬程≥静态计算法算出的水封高度，系统可以在保证水封完整性的前提下，将采暖凝结水排入凝汽器。

多级水封是一个单独模块，由于高度相比单级水封(10 m)小了很多，因此相对单级水封来说，在电厂里安装位置限制小，可以根据理论计算和实际需要增减水封级数，同时调整每级水封的高度。由于和单级水封一样没有电气和机械传动装置，所以多级水封无磨损和卡涩，可靠性高。但是多级水封结构相对于单级水封较为复杂，需要设计专门的充注管道和排空管道，制造成本会相应提高，检修难度也会相应提高，且弯头较多，杂质易沉积，容易造成水封内部腐蚀。多级水封内部可能产生水塞、气塞，造成水封内部液位异常，导致疏水不畅。

2.3 增加电动隔离阀

在凝结水回收罐到凝汽器排水阀8的上游增加电动隔离阀[5]，具体见图4。

图4 增加电动隔离阀

增加电动隔离阀后，电动隔离阀的开关动作和凝结水回收泵A、B的启停指令保持一致。当凝结水回收罐水位较高时，凝结水回收泵A或B启动的同时，电动隔离阀快速开启；当凝结水回收罐水位较低时，凝结水回收泵A或B停运，电动隔离阀同步快速关闭。在保证蒸汽凝结水正常排出的工况下，可以保证凝结水回收罐的水不会排空，同时保证凝汽器真空不受影响。因此，增加电动隔离阀的方案具有合理性、可行性。

增加电动隔离阀的优点为：与增加水封的方案相比，电动隔离阀的安装几乎不受空间的制约，因此安装位置灵活。但增加电动隔离阀也存在较多的缺点：有电气和机械传动装置，需要设计专门的接线和控制逻辑；频繁动作可能引起磨损和卡涩，对设备制造和安装质量要求非常高；结构复杂，设备成本为这三种方案中最高，且对后期维护保养要求也最高；而且电动隔离阀和阀8均存在垫片等密封件，若发生垫片损坏或者泄漏，同样会影响凝汽器真空。

综合考虑功能性、经济性、材料、安装等各种因素，经过详细讨论计算并论证后，选择了第一种方案，即在HTR-PM采暖加热系统和凝汽器之间的管道增加10 m单级水封作为实际施工方案，该方案得到设计院和电厂的一致认可，不过最终的系统运行效果还需要长期运行来检验。

3 结语

在电厂中，影响凝汽器真空的因素各种各样，同时也有各种成熟的技术方案用于工程实践中来进行防范和优化。笔者针对HTR-PM采暖加热系统出现的影响凝汽器真空的问题，提出上述三种方案用于讨论、分析和比较，为电厂中出现的此类问题给予一定参考。上述三种方案各有优缺点，没有绝对的最优化选项。在实际的工程运用中需要考虑诸多的影响因素，根据实际需求选择最合适的优化方案。