核电汽机甩负荷后除氧器的瞬态分析

佟宝玉，张福君，张明宝

0　概述

汽轮机的甩负荷运行，主要可分两种情况。当电网提供的有效功率小于系统需要的有用功率时，汽轮机主动甩掉部分不重要的负荷，以提高电网的供电质量。或者，当电网发生故障时，汽轮机将被动地甩负荷。例如，由发电机主开关跳闸或汽机主汽门脱扣引发的故障，从而使汽轮机甩负荷运行。

由于核电机组的特殊性，当汽轮机甩负荷时，机组突然甩去大量负荷，二回路的蒸汽流量急剧下降，致使一回路冷却剂温度和压力迅速上升。因此，反应堆必须进行降负荷运行，才能确保反应堆的安全。随着反应堆功率的下降，蒸汽发生器的给水量和蒸汽量也随之逐渐下降，最终维持在不停堆的低负荷运行工况下。此时，低压加热器、高压加热器及除氧器的加热汽源全部失去。为了保证蒸发器设备的安全，要求除氧器向蒸发器供水的水温必须达到要求值，以确保整个核电机组的安全运行。

1　甩负荷时对除氧器的运行要求

汽轮机甩负荷时，除氧器的汽源将被切断。此时，除氧器内的水处于饱和状态，由于低压加热器失去了加热汽源，所以无法通过低压加热器提升给水温度，进入除氧器的水温基本上就是凝汽器出口处的给水温度。为了确保反应堆的安全运行，反应堆的功率将按一定速率逐渐下降，从而使蒸发器二回路侧的所需水量不断地下降，蒸发器的给水量也随之下降。此时，蒸发器的入口水温也在缓慢下降，最终稳定在低负荷下的运行状态。为了使系统在低负荷下安全稳定地运行，针对该时除氧器的运行状态，将由蒸发器引来的主蒸汽经过降压后，通入除氧器内进行保压，利用保压蒸汽的热能，使给水温度满足蒸发器的供水要求。

除氧器失去汽源后，保压蒸汽不能即刻进入除氧器。此时，温度较低的冷凝水还在不断地进入除氧器内，导致除氧器内的介质温度和压力持续下降。因此，要求除氧器在保压蒸汽尚未通入前，仍具有一定的给水温度。并且，在保压蒸汽通入后，要求除氧器能在低负荷下维持稳态运行。

2　盘式除氧器的结构

2.1　除氧器的结构

该型除氧器采用了盘式的除氧模块单元及喷嘴。在除氧器内，对应在每只喷嘴的下方，设置了多组除氧盘。加热蒸汽由汽空间进入，与冷凝水在除氧器单元内进行热交换，冷凝水被加热至饱和状态，从而完成给水的除氧过程。除氧器的结构，如图1所示。

图1　盘式除氧器的结构

2.2　除氧器的结构特点

与鼓泡式喷嘴的除氧器相比，盘式除氧器具有很多特点。

(1)采用多个喷嘴的结构形式。喷嘴在整个除氧器壳体上均匀布置，当冷凝水进入时，冷凝水的分布比鼓泡式除氧器更加均匀。

(2)采用汽空间的进汽方式。热交换在汽空间的除氧单元内部完成，而不是在液相空间内完成。当汽轮机甩负荷时，可有效防止内部水的倒吸现象。

(3)均匀地布置了出水口位置。因为已在汽空间内完成了加热，所以内部水的温度较为均匀。在设备的液相空间内，各处的出水温度基本相同。

2.3　甩负荷时除氧器从瞬态达到稳态的过程

在甩负荷瞬间，各设备失去了加热汽源。除氧器运行在甩负荷工况下，冷凝水温度很快下降至冷凝器的出口温度。大量冷凝水通过喷嘴和除氧盘进入除氧器内。由于失去加热汽源，且低温水还在不断注入，除氧器内的压力在持续下降，除氧器下部的饱和水状态转变为过饱和状态。在汽化潜热的作用下，下部的水温降低至相应压力下的饱和温度。蒸汽闪蒸出来补充汽空间，并与上部的冷凝水混合换热，最终达到新压力下的饱和状态，再落入水空间。在整个过程中，由于冷凝水的流量在不断变化，所以整体换热处在一个瞬态变化的状态中。当低温水不断进入除氧器，除氧器内部的水温也不断地下降。

经过一段时间后，控制系统将发出电控信号，让经过减压的主蒸汽进入除氧器，对除氧器进行保压操作。此时，除氧器的压力将较为缓慢地下降，直至低负荷运行的稳定状态，最终在稳态条件下运行。因为汽轮机甩负荷，高压加热器及低压加热器均被停用，所以，要求除氧器的出水温度，必须达到蒸发器入口给水温度的要求。

3　针对甩负荷工况的瞬态计算

3.1　甩负荷时进入除氧器的流体参数

在甩负荷瞬间，设备失去了加热汽源。将此时定为初始工作状态，除氧器内的压力为0.97 MPa，凝结水的温度为178.6℃。当凝结水持续进入后，随着负荷的不断下降，温度约为33.4℃，压力约2.2 MPa。凝结水的流量在30 s内，由4 104 t/h线性变化至1 295 t/h，最终流量稳定在1 295 t/h。由于电控阀门需得到除氧器的压力信号才开始动作，且整个反馈系统中由多个阀门联动完成保压蒸汽的接入操作，完成整个动作的时间约为90～120 s。所以，需要确定在该段时间内除氧器内部的温度和压力变化，是否满足整体控制系统的设计要求。设置除氧器的出水量，需按除氧器水位不降低的原则，根据液位调节后的出口流量，应保证进口和出口流量的一致，才能控制水位不变。保压蒸汽的压力为1.011 MPa、温度为188℃、流量为240 t/h。

3.2　按90 s后接入保压蒸汽的瞬态进行建模和计算3.2.1　建立模型

根据低负荷稳态的热平衡状态，计算初始30 s进入除氧器冷凝水的水量变化，并分析除氧器内压力和温度的变化。

建模时，将整个过程分解成细小的时间段(时间段定义为每秒)，根据流量的线性变化情况，以每秒为时间段，对整个换热段进行核算。利用模型计算热交换后的温度和压力。

在式(1)中:

ΔG－单位时间内冷水流量的减少量，t/(h·s－1);

G0－初始时的流量，t/h;

G80－第30秒时的流量，t/h;

t－时间，0＜τ＜30，s。

在式(2)中:

Gt－第 t秒内的平均流量，t/h。

经过第1 s流体换热后的焓值:

在式(3)中:

H1－第1s后换热后焓值，kJ/kg;

H0－水箱内的饱和水焓值，kJ/kg;

H－进入除氧器的冷凝水焓值，kJ/kg;

m－水箱内的饱和水的质量，按4.21×105kg;

t－按 1 s计算。

试取饱和温度的值，查取饱和温度的焓值，使该值等于或接近计算所得的焓值，从而确定饱和温度，并可得到饱和状态下的工作压力和饱和温度。

P1=0.962 MPa，T1=178.2℃。

第2 s流体换热后焓值为:

式(4)中:

H2－第2秒水箱内的饱和水焓值，kJ/kg。

同样，试取饱和温度值，并试取饱和温度对应的焓值，得到饱和状态下的工作压力和饱和温度。

按式(5)，核算出H3～H30的各个数据。

H30－第30秒水箱内的饱和水焓值，kJ/kg。

重复试取饱和温度值，得到饱和状态下的工作压力和饱和温度。

通过计算30组数据，整理后得到0～30 s内除氧器压力与温度的变化曲线。压力与温度的变化曲线，如图2所示。

图2　0～30 s除氧器内压力与温度的变化曲线

根据统计数据，并对数据进行了线性拟合，得到了温度与压力变化的线性函数。

3.2.2对保压蒸汽接入前运行温度和压力的计算

此时冷凝水流量不再变化，稳定在1 295 t/h，而保压蒸汽还没有进入。水温仍在不断下降。后续第31秒所对应的平均焓值为:

同样，通过试取，以接近计算所得的焓值，从而得到饱和状态下的工作压力和饱和温度。

G终－后续每秒对应的稳定流量:1 295 t/h。

t－时间，取 1 s。

按式(5)，核算出H31－H90的各个数据。

……

得到饱和状态下的工作压力和饱和温度。P90=0.695 MPa，T90=164.65℃。

通过计算60组数据，整理后得到30～90 s内除氧器压力和温度的变化曲线。压力与温度的关系曲线，如图3所示。

图3　30～90 s除氧器内压力与温度的变化曲线

通过数据的线性拟合，得到温度与压力的线性函数。

3.3　后除氧器内的瞬态分析

3.3.1保压蒸汽接入前的运行温度和压力

按式(5)的计算方法，获得H31～H120的各个数据。根据H(t)试取饱和温度，查取试取饱和温度的焓值，使该值等于或接近的计算得到的焓值，得到饱和温度，从而得到H(t)下的工作压力Pt和饱和温度Tt。在120 s时，最终参数为:

通过计算90组数据，得到30～120 s的压力与温度的变化曲线。压力与温度的变化曲线，如图4所示。

根据数据统计和线性拟合，得到了温度与压力的线性函数。

P(t)=0.002 T(t)－2.298(31 s≤t≤120 s)(11)

图4　30～120 s除氧器内压力与温度的变化曲线

3.4　除氧器低负荷稳态运行的传热计算

3.4.1甩负荷后至低负荷稳态热平衡计算

汽轮机甩负荷后，经过系统调整，保压蒸汽被接入除氧器，并维持在低负荷下的稳态运行。在最终状态下，利用保压蒸汽与凝结水换热，将凝结水加热到相应压力下的饱和温度，使除氧器达到稳态运行状态。根据热平衡计算，可获得稳态运行时的参数。

式(12)中:

H－进入除氧器的冷凝水焓值，kJ/kg;

H低负荷稳态－稳态时饱和水焓值，kJ/kg;

H低压蒸汽－保压蒸汽焓值，kJ/kg;

G低压蒸汽－保压蒸汽流量，t/h;

G凝结水－凝结水最终流量，1 295 t/h。

通过试取饱和温度和计算，得到稳态运行状态下的工作压力和饱和温度。

计算除氧器的换热能力:

整个除氧器换热空间的有效换热容积为:

V=56.1 m3

容积热负荷为:

式(14)中:

C=2.29×106kCal/m3·h

除氧器最大允许容积热负荷可以达到5×106kCal/m3·h(经验数据，依据前苏联汽水接触换热试验的结论)。由于 C小于5×106kCal/m3·h，所以，除氧器完全能在该工况下稳态运行。

4　结语

在甩负荷工况下，通过计算，获得了除氧器在保压蒸汽接入前的瞬态压力及温度的变化曲线。根据该曲线，获得了除氧器在保压蒸汽接入前的最低出水温度。

在90 s时，通入保压蒸汽前除氧器的最低出水温度为 164.65℃，瞬态工作压力为 0.695 MPa。

在120 s时，通入保压蒸汽前除氧器的最低出水温度为 161.35℃，瞬态工作压力为 0.635 MPa。

通过传热计算，获得了除氧器在稳态运行时的温度和压力。稳态出水温度为132.53℃，稳态工作压力为 0.291 MPa。

在保压蒸汽接入后，分别对90 s和120 s时间段的除氧器运行状态进行计算，并对数据进行线性拟合，得到压力与温度的变化规律。

当汽轮机甩负荷时，通过系统调整，除氧器能快速进入低负荷下的稳态运行。

盘式除氧器可在瞬态条件下，随负荷变化达到新的动态平衡。在甩负荷工况下，确保除氧器的出水温度高于蒸发器所需的最低供水温度，满足蒸发器安全运行的要求。

通过对某核电机组除氧器瞬态过程的分析计算，确定了该型除氧器可在汽轮机甩负荷工况下稳定运行，整体设备的设计是安全可靠的。