百万核电汽轮机汽水分离再热器系统设计

2011 NO.17SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯百万核电汽轮机汽水分离再热器系统设计

张志恒

(中国核电工程有限公司 北京 100840)

摘 要:结合百万核电汽轮发电机组工程技术设计,对百万核电汽轮机汽水分离再热器系统(GSS)作用、二级再热系统设计、疏水系统设计以及运行工况设计情况进行分析介绍。

关键词:汽水分离再热器MSR 分离再热器系统GSS 行波纹板式分离器 乏汽 新蒸汽中图分类号:TL4文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)06(b)-0107-02

根据二代半核电站百万千瓦核电汽轮机技术设计情况,对于汽轮机汽水分离再热系统(GSS)系统功能、二级再热系统设计、疏水系统设计以及运行工况设计情况进行分析介绍如下。

1 系统功能简述

汽轮机汽水分离再热系统是核电汽轮机必不可少的一个重要环节。其目的是为了把末级叶片湿度控制在10％左右,从而中压/低压缸进汽必须带有一定的过热度。在常规火电机组中,为此一般是将高压缸的排汽送入锅炉中的再热器进行再热。而在核电机组中,情况就不一样。由于核电机组蒸汽发生器产生的蒸汽,一般为5MPa～7MPa压力的饱和蒸汽(湿度在0.25%以下),当蒸汽在核电汽轮机高压缸内膨胀到1.0MPa～1.5MPa时,其湿度已增加到10%～13%。如果蒸汽直接送到中压/低压缸继续膨胀做功,当其达到凝汽器压力时,排汽湿度将会增加到20%～25%,远超出12%～15％的允许值,其结果,除了导致汽轮机内效率大大下降外,还会造成汽轮机内部构件的严重水蚀,以至机组无法正常工作。因此,将高压缸的排汽进行汽水分离,去除其中的水份后,再用抽汽或新蒸汽进行再热,使蒸汽进入低压缸前有一定的过热度,这样,最终的排汽湿度就可控制在10%左右(与一般火电相当)。因此,在高、中压/低压缸之间设置了2台并列的汽水分离再热器,其功能如下。

(1)除去高压缸排汽中的水分。

(2)提高进入低压缸蒸汽的温度,使其具有一定的过热度。

这样,就大大改善了汽轮机低压缸的工作条件,提高了汽轮机的相对内效率,防止和减少湿蒸汽对汽轮机零部件的腐蚀作用。

2 主要设备

汽水分离再热器(MSR)有汽水分离器和再热器两部分组成,其结构特点如下。

(1)汽水分离器:为人字行波纹板式分离器,是美、法、德、日等国广泛采用的型式。湿蒸汽流沿两块波纹形成的通道行进,不断改变流向。由于惯性作用,水滴冲撞在板上而被收集起来,这种分离器有较高的分离效率。

(2)再热器:翅片管再热器,分为一级再热器和二级再热器。翅片管加强了传热效

果,提高了热效率,大大提高了蒸汽的热在正常管道中检测到流量低,它在运行中值。一级再热器的热源来自于乏汽,即高压打开。

缸抽汽,二级再热器热源来自于新蒸汽。

为了得到最大的热回收,通常将抽气引向一个合适的给水加热器。

3 系统设计简析

汽水分离再热器系统由蒸汽供汽系4 疏水(排水)系统

统、抽气系统、疏水(排水)系统等子系统组4.1作用

成。

疏水系统是为了将凝结水从MSR排出3.1蒸汽供汽系统

以保证装置的有效和安全运行,每台MSR(1)作用。

均有一个的疏水系统。系统把来自高压缸的乏汽、新蒸汽供4.2系统组成

应给2个再热器,以便使高压缸排放的蒸汽(1)分离器疏水系统。

在进入中压缸前被加热,使之成为有过热(2)乏汽再热器疏水系统。度的过热蒸汽。确保在低压缸排汽湿度不(3)新蒸汽再热器疏水系统。

超过允许的值。

注:在启动和低负荷运行期间,MSR所(2)乏汽供汽站(第一级再热)。

有疏水都应排向凝汽器,使它们能得到过从高压缸第一个抽汽点抽汽供给第一滤,以防止给水系统的污染。

级(乏汽)再热器,加热蒸汽取至第一个抽汽(1)分离器疏水系统。

点管道上抽汽止回阀下游和隔离阀上游。

从每台MSR分离出来的水靠重力排入(3)新蒸汽供汽站(第二级再热)。

分离器混合疏水收集箱,再由泵泵入除氧进入第二级(新蒸汽)再热器的新蒸汽器会4号第一加热器后给水管线上。

来自主蒸汽母管。新蒸汽流量由一个主运提供给每个混合疏水收集箱一个疏水行调节阀和一个启动调节阀控制。启动调回收泵。在该泵不能使用或疏水不能排入节阀在启动和低负荷运行期间对进入第二除氧器时,疏水通过安装在疏水箱上的高级再热器的新蒸汽流量进行控制。在核岛液位控制器打开事故疏水阀,使疏水排入运行期间向新蒸汽供汽站提供蒸汽并用蒸凝汽器。

汽对管道系统进行预热,以防止冷态启动(2)乏汽再热器和新蒸汽再热器疏水系是的热冲击。

统。

主运行调节阀用于高负荷运行时向第新蒸汽和乏汽再热器管巢集管中的凝二级再热器提供新蒸汽。结水通过重力被排入各自的再热器疏水收3.2抽气系统

集箱。

(1)作用。

乏汽再热器疏水收集箱正常时疏水排抽气系统排出再热器中的非凝结气入6号高加,事故时排入凝汽器。

体。它对于防止再热器换热管的间歇性淹新蒸汽再热器疏水收集箱正常时疏水没是必需的,而间歇性淹没可导致疲劳故排入7号高加,事故时排入凝汽器。

障。

在冷态启动时对第一级和第二级再热5 运行工况设计

器换热管进行预热。

5.1启动

在汽轮机启动期间抽空再热器管道中启动前MSR管束的暖管和通风。

的非凝结气体。

为了防止湿蒸汽进入汽机的中/低压(2)再热器抽气系统简介。

通流,二级再热器在汽机冷态启动前需要为了在启动汽轮机前达到120℃的温进行暖管。

度,采用连续抽气,其通过再热器换热管的经过暖管使再热级达到平衡压力。一蒸汽流量为正常蒸汽流量的3%。

级再热压力和二级再热约100kPa。当再热新蒸汽疏水收集箱的抽气管道与隔离器管板温度达到140℃,暖管自动停止。汽阀下游的第一级(乏汽)再热器管巢相连。

机可以启动。不过当再热器管板平均温度乏汽疏水收集箱抽气管与高压管道相达到120℃后,就可进行手动启动。

连。运行期间该基本抽气处于打开状态。一MSR二级再热的通风回路将二级凝结个低负荷备用抽气管与凝汽器相连,超过水箱与一级再热供汽管连通。这种结构可

5%负荷时,该备用装置处于关闭状态。如果

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钢丝绳组成的传动机构带动探尺杆上下移动,利用绝对值编码器来测量探尺杆的位置,通过编码器PROFIBUS-DP接口,连接到石灰窑的PLC控制系统和HMI操作界面。经过PLC运算处理后发出相应的控制指令,控制石灰窑装出料。

该机械料位计具有以下特点:(1)功能强,具有手动、自动测量方式,多种报警功能,自动复位功能等;(2)通过S7-400PLC控制器采集旋转碥码器的值进行料位计算,可靠性高;(3)响应速度在微秒级;(4)测量精度可以控制在5cm以内,测量准确;(5)调试方便;(6)可远程控制;(7)料位信号可传送1km几乎无衰减,探测的温度可达500℃,一般的工业环境噪声、粉尘、温度、电磁等恶劣环境下都能使用。

2.2控制系统结构

控制系统的料位检测控制环节和装出料逻辑控制环节采用PLC来完成。料位的给定、探测命令、料位监控、装出料控制等采用上位计算机来实现。过程监控用WINCC软件实现。控制系统的组成框图如图2所示。

系统采用西门子公司的S7-400PLCCPU414-2DP作为控制主站,IM153-1型ET200M远程I/O和带DP口的编码器作为从站。多个ET200M从站分别用于实现装出料控制、单斗提升机控制、电液推杆控制等。编码器选用德国倍加福公司的PVM58-AGROBN-1213型号,这种多圈绝对值编码器带DP通讯口,具有单圈采样、多圈机械传送的功能。编码器从站9用于探尺位移检测,编码器从站10用于提升机料斗行程检测。

2011 NO.17SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯n为编码器的脉冲值,单位P;

r为料位计的分辨率,单位mm/P。为了保证计算精度,以上数据均采用实型数据类型。因此,PID672的值应转化为实型数据的脉冲后,送变量n暂存。

编码器的旋转是有方向性的。编码器清零后,当编码器的正方向旋转(探尺下行),编码器的码值由0逐渐变大;当反向时(探尺上行),编码器的值逐渐变小。实际应用中须设置好编码器的方向。

程序设计的两处报警处理。一是超行程报警,电液推杆向前动作超行程保护。另一是上过卷报警,在探尺上行时,编程器的码值减小,当n值变负,表明系统故障或上过卷。

如图3所示。

2 控制系统设计

2.1料位探尺工作原理

初始时,探尺杆位于在窑顶(原点),编码器脉冲数据为0,电液推杆位于后端,后行程开关闭合。PLC接到探测命令时,控制探尺杆按以下三个阶段运行。

(1)探尺下行阶段:探尺下行接触器闭合,电液推杆向前动作,卷筒小端开始释放钢丝绳。探尺在自身重力作用下下行,并拖动卷筒大端使卷筒正转。编码器随卷筒同轴转动,码值增加。碰到前行程开关,电液推杆停止动作。

(2)探尺停止阶段:下行过程中,与探尺杆相连的钢丝绳始终处于张紧状态。当探尺触到料面时,钢丝绳失去探尺的重力作用而松驰,卷筒停止转动,此时编码器的码值对应相应的料位。电液推杆仍前行,释放钢丝绳,直到碰到前行程开关后停止。

(3)探尺回原点阶段:电液推杆停止5s后,探尺上行接触器闭合,电液推杆向后回程,探尺上升,直到探尺回到窑顶(原点),此时电液推杆恰好碰到后行程开关,停止动作,探料结束。卷筒反转,编码器的码值减少,直到回0。

4 结语

基于编码器和PLC的料位计在广东省韶关钢铁集团有限公司烧结厂的气烧窑中应用,料位计的分辨率为9.7588e-002mm/P,测量精度在5cm以内。料位计运行可靠,探测准确,完全满足工艺要求,提高了气烧窑装出料的自动化程度。

3 软件设计

系统的软件设计基于PCS7编程软件,采用模块化结构,这样便于程序的调试、修改和扩充。料位计控制功能的程序设计流程如图3所示。

系统起动后,如果探尺和电液推杆不在原点,需在上位机的WinCC操作界面上点击复位按钮,对料位计系统进行复位操作。复位操作包含两部分:一是电液推杆后移,直到后行程开关闭合,此时探尺位于窑顶0刻度处;二是编码器清零,点击复位按钮,控制字DW#16#80000000写入PQD512,对编码器进行清零,否则控制字DW#16#0写入PQD512,编码器保持原值。

为了保证读取数据的稳定性,探尺下行停止后,延时5s才读取编码器的码值。由编码器的数据存储区PID672读取的是32整型脉冲数,需要转化为料位高度。计算公式为

参考文献

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.com.cn. All Rights Reserved.hH0.1nr

式中:h为料位高度,单位cm;H为窑顶到窑底的高度,单位cm;

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完成一级再热的抽气。一级再热的通风将一级凝结水箱中的蒸汽抽至高排。MSR的抽气系统在机组启动期间抽空再热器及管道中的非冷凝气体。

汽机升速和升负荷。

中压蒸汽必须是过热蒸汽。这要求一个(或两个)再热级必须投运。如果两个再热级都被切除将导致湿蒸汽进入中压,这是机组不允许的。

管板(MSR二级再热)的预热由二级供汽流量完成,通过二级供汽备用压力调节阀调节。

启动状态取决于二级再热管板的热状态。

(1)如果管板温度高于140℃,热态启动。

(2)如果温度低于120℃,冷态启动。冷态启动前需要进行暖管。

二级供汽压力调节阀逐渐打开,根据机组负荷函数以及遵循时间常数来控制二级再热管板的温度上升。二级供汽压力调节阀在60％负荷全开。

一级供汽由7段抽汽提供。隔离阀在汽机升速期间打开。5.2正常停机

MSR供汽阀在开启状态,直到达到60％汽机额定负荷。

MSR一级再热供汽的抽汽隔离阀开启,直到汽机停机。

MSR二级再热的供汽压力调节阀逐渐关闭,直到达到二级再热管束要求的最小压力值。这是为了避免在低流量工况下蒸汽过

热,以便每个MSR进出口间的温差。

总的来说,GSS系统的合理设计对于汽轮机正常、安全运行意义重大,GSS系统如果不能正常疏水,将影响汽水分离器本体的安全,同时,如果高湿度的蒸汽进入汽轮机低压缸做功,将严重威胁低压缸运行安全,进而影响整个核电站的运行安全。另外,GSS系统是否正常疏水直接影响汽轮机发电机组的功率输出,影响核电站的经济效益,因此合理的GSS系统设计对于核电站的安全运行和经济效益息息相关。

参考文献

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