核电厂循环水系统节能优化研究

1 概述

位于沿海地带的电厂, 循环水系统大多以海水为冷却介质, 采用直流供水系统进行冷却。而核电厂兼具机组功率大、厂坪较高 (为保证安全) 的特点, 因此决定了核电厂的循环水系统流量大、水泵功率大、能耗高。以百万千瓦机组为例, 在海水水温较高的南方地区, 单台机组的循环水量可达60m3/s以上, 每台机组的水泵总功率在10000Kw以上, 由此产生的运行费用是巨大的。因此研究循环水系统的节能方案, 降低循环水泵的能耗是十分必要的。

循环水泵的电机功率主要取决于循环水泵的流量、扬程和水泵的效率。对于水泵的效率, 可以通过合理布置水泵, 采用高效能水泵、电机及齿轮箱的成熟产品等措施减少循环水泵耗电量, 通常节能优化的空间不大。而对于循环水泵的流量和扬程则优化空间较大:通过汽轮机冷端优化的结果、合理的工况转换可以确定经济合理的冷却水量;通过合理的管道布置、选择适宜的管材、利用虹吸作用等技术手段可以有效减少水泵扬程, 实现降低能耗的目的。

本文以南方某百万千瓦级核电站为研究对象, 从冬夏季工况切换、利用虹吸、循环水管道管材三个方面, 研究循环水系统的节能优化方案。

2 系统概况

某核电厂一期规划两台百万千瓦级压水堆核电机组, 采用直流冷却、一机两泵的布置方案, 单台水泵的额定流量为34.45m3/s, 扬程16m。循环水系统通过循水泵从外海取水, 在凝汽器中发生热交换, 然后排入进入虹吸井并最终排往外海, 系统流程图见图1, 基本流程为:闸门井→取水隧洞→鼓型滤网→循环水泵→循环水进水管道→凝汽器→循环水排水管道→虹吸井→排水隧洞→排出口。循环水进水管道采用内径3900mm的圆管, 两台机组的进水管总长度约1440m;循环水排水管道采用内径4500mm的圆管, 总长度约1670m。

3 节能分析

3.1 工况转换

目前投运和在建的核电厂循环水系统多采用一机两泵配置, 流量不可调节。厂址区域的海水冬夏季温差较大, 不同季节为保证凝汽器中合适的背压所需要的海水流量是不同的。如果冬季仍使用夏季循环水量会造成凝结水温度过低, 影响机组运行的安全性和经济性。所以冬夏季工况切换既能节省电量又能提高汽轮机发电量。按照夏季工况3月-10月100%循环水量, 冬季工况11月到次年2月75%循环水量设计, 单台水泵一年节约电能约1120万k Wh, 两台机组全年节约运行费用1828万元 (电价按照0.408元/度) 。

3.2 虹吸利用

虹吸井布置于凝汽器出口末端, 利用虹吸效应在凝汽器水室内形成并维持一定的真空度 (绝压20~30k Pa) , 降低循环水泵的工作水头, 减小水泵的投资及运行费用。利用虹吸作用, 使凝汽器水室出口端的绝压≥30k Pa, 可降低水泵扬程, 与凝汽器正压进水方案比较, 可节省循环水泵扬程约7m, 单台循环水泵每年可节省电能1948万k Wh, 两台机组全年节约运行费用3179万元 (电价按照0.408元/度) 。

3.3 管材

核电厂的循环水管道, 广泛采用现浇钢筋混凝土材质, 其优点是可以承受较大的外荷载, 成本较低。但钢筋混凝土管的糙率大, 一般为0.014~0.019, 因此流动阻力大, 管道水损较高。而玻璃钢管具有水力性能好的优点, 糙率一般小于0.010, 且由于内壁光滑, 可有效防止海生物附着和滋生。因此, 若将两种管材结合, 采用钢筋混凝土内衬玻璃钢管道则可以利用两者的优点, 在满足承载要求的前提下, 降低管道水损, 节约水泵扬程。通过表1分析采用钢筋混凝土内衬玻璃钢管道的节能效果, 从表1中可以看到, 循环水管道内衬玻璃钢管后, 循环水泵每年节约总费用约350.88万元, 节能效果显著。

注:供/排水管沿程损失为四台水泵对应的管道总损失, 节约水泵扬程为四台泵的平均值。

4 结论

本文以节能为目标, 从工况转换、利用虹吸、优化管材三个角度, 对南方某滨海核电厂的循环水系统提出了优化方案, 并分析了三种方案的节能效果。

通过冬夏季工况转换, 相对于流量不可调节, 可以实现循泵流量减小, 两台机组每年节约运行费用1828万元;利用虹吸作用, 相较于凝汽器正压进水, 可以节约水泵扬程7m左右, 两台机组每年节约运行费用3179万元;相较于钢筋混凝土管, 采用钢筋混凝土内衬玻璃钢管道, 每年可以节约费用350.88万元。

本文是从节能的角度考虑系统优化, 为系统设计提供参考。在具体设计时, 还需综合考虑系统的布置、初期投资费用等因素, 需要进行进一步的分析。

摘要：核电厂循环水系统的水泵功率大、能耗高, 通过合理的节能优化, 可以显著降低运行成本。本文结合具体工程, 从工况转换、利用虹吸、管材选择三个方面, 分析了节能措施的效果。结果表明, 利用循泵冬夏季工况转换可以减少水泵流量, 降低运行费用;利用虹吸作用, 采用钢筋混凝土内衬玻璃钢管材可以有效降低水泵扬程, 节约水泵的运行费用。

关键词：循环水,水泵,管道材质,节能