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摘要:福清核电一期工程常规岛设计中,采用了1500半转数汽轮机及汽轮机厂房整体布置降低7.5米标高两项重要节能措施:半转数汽轮机由于提高了通流部分效率及增大了排汽面积,减小了排汽损失,从而提高了机组热效率;汽机房整体布置标高降低可大大减少循环水的被提升高度,可降低循环水泵的出水扬程,从而减少循泵电机的电力消耗,减少电站的运行费用,达到节能的目的。
关键词:半转数厂房降标高循环水泵扬程土建节能
中图分类号: TL4 文献标识码:A文章编号:1007-3973(2010) 08-102-03
1概述
福清核一期工程项目采用M310二代加改进堆型技术路线,以岭澳Ⅰ(Ⅱ)期核电工程为参考并加以适当改进,第一台机组已于2008年11月21日浇灌第一罐混凝土,计划2013年投产。根据项目厂址条件,为了提高核电站运行经济性,提高节能效果,常规岛设计选择了半转速汽轮机和汽机房降标高布置方案:汽轮机转速采用1500r/min;汽机房7.50米。本文将简要介绍半转速汽轮机及降标高布置方案
2半转速汽轮机节能分析
核电汽轮发电机组转速有全转速和半转速两种。从全世界范围看,以半转速机居多。我国电网频率为50Hz,全转转速为3000r/min,半转转速为1500r/min。
2.1半转速汽轮机与全转速汽轮机的应用比较
全转速核电汽轮机组和汽轮发电机组:属于成熟技术,为我国现有核电站普遍采用,已积累了一定的建设和运行经验。但1000MWe及以上容量的大型核电机组,在世界范围内只有少数供货商生产全转速机。
半转速核电汽轮机组和汽轮发电机组:半转速核电汽轮机组和汽轮发电机组已在国内核电站有运行经验(秦山三期),在建的岭澳二期也是采用半转速机组。国外大多数核电机组,特别是大型核电机组多采用半转速机组,世界范围内设备制造商也比较多,有很成熟的制造和运行经验,有利于采用国际竞标方式寻求合作伙伴
2.2半转速汽轮机与全转速汽轮机的效率比较分析:
在机组入口参数确定的情况下,汽轮机组的效率主要取决于通流部分效率和排汽损失等方面。
在现代汽轮机设计中由于采用现代流体力学计算技术和采用三维优化设计,使汽轮机通流部分效率有明显的提高。无论是全转速汽轮机还是半转速汽轮机,对通流部分效率已逐渐达到实际的极限值。相比来看,半转速汽轮机由于叶片较长、级数较少等结构特点,通流部分效率比全转速汽轮机略高一些。
排汽损失主要指余速损失,在蒸汽流量一定的情况下,排汽面积越大,余速越低,余速损失越小。所以要减少排汽损失,就需要较长的汽轮机末级叶片,以增大排汽面积。半转速汽轮机由于末级叶片可以设计得较长从而可以提供较大的排汽面积,减少了排汽损失,提高了汽轮机的热效率。
总的来说,半转速汽轮机效率比全转速汽轮机高。一般来说,1500r/min汽轮机热效率比3000r/min汽轮机约高1~2%,相当于出力增加3~6%。
2.3半转速汽轮机小结
半转速和全转速汽轮发电机的效率基本相当,根据现有资料以相同的反应堆热功率所能发出的电功率,半转速机要比全转速机可多发1.042～1.058。1000MW级核电站选用半转速汽轮发电机,在制造材料和工时费方面要比全转速汽轮发电机增加投资,但采用半转速机组使核电站发出的电功率提高,则核电站的单位功率造价仍下降,考虑到半转速机组热效率比全转速机组高,运行费用半转速机组也将比全转速机组低。
3汽机房底层降低标高
汽机房零米层合理标高是综合考虑凝汽器第一排管顶标高、海水潮位、电厂的经济运行等多方面因素,经技术论证后确定;而核电厂厂址地坪标高是根据滨海核电厂防洪要求确定的,因此厂址地坪标高往往高于汽机房零米层合理标高。参考电站的汽机房零米层与厂址地坪几乎在同一标高上,海水循环冷却水的提升高度较大,循环水泵运行费用增加,降低电厂的运行经济性。
目前,多数国内外新建核电厂充分利用虹吸高度,降低汽机房零米层标高,减小虹吸损失,使循环水泵的几何扬程尽可能地小,从而提高电厂运行的经济性。福清核电ⅠⅡ期项目循环水系统采用直流循环冷却方式,设计虹吸利用高度为7.5m,降标高后减少了循环水的提升高度(见附图一),可大大降低循泵运行费用。
3.1国内常规岛厂房降标高应用
国内不少核电站在常规岛厂房设计中都采用了降标高方案,降低了循环水泵提升扬程,进而减少了此设备运行费用,给电站带来了良好的经济效益。
国内已建核电厂汽机房零米层标高比较表
秦山一、二、三期汽机房降低标高经济效益比较表
注:该表引自秦山第三核有限公司钱剑秋总工的论文《秦山重水堆核电厂的主要设计改进》
3.2汽机房降标高方案的技术分析
3.2.1 汽机房底层标高方案的选择
汽机房负挖的根本目的是为了充分利用虹吸高度,使循环水泵的几何扬程达到最小。一般国内国外工程中虹吸利用高度为7～8m,福清核电项目汽机房底层标高按采用降低7.5米的布置方式,主要综合考虑了以下因素:
(1)循环水泵运行的经济性要求,同时考虑机组运行的安全性要求。
(2)汽机房各主要层布置优化要求。
(3)给水泵起吊空间的要求
(4)凝汽器颈部低加抽芯的要求。
(5)循环水管道GD沟、重要厂用水管道GA沟、综合管廊GB沟与汽机房之间的布置合理性要求等。
以零米层布置为基准,从最大程度减小循环水泵几何扬程的角度出发并根据汽机房分三层布置的特点(零米层、夹层、运转层)选用了降标高11.73m和7.5m这两种方案,并进行了对比分析。由于三十三年一遇低潮位出现的机率很低,按其来选择循泵参数不科学,按目前国内大多数工程的做法,选择循环水泵扬程时考虑实际运行工况,按年平均低潮位-2.28m做为设计输入,作为设计低潮位。汽机房凝汽器室底层至凝汽器水室顶部高度,汽轮机厂家东方电气提供的数据为6.1m;虹吸井至排水口的水头损失应计入循环水泵的几何扬程,根据核二院的资料约为0.3m。
汽机房地面布置与降标高(两种方案)循泵参数对照
3.2.2汽机房降标高布置的经济分析
汽机房降标高,在工程建造阶段需要增加工程量和投资费用,但电站长期的运行阶段将降低厂用电率节约运行成本。以下将从运行费用和工程投资费用两方面比较汽机房地上布置和半地下布置在经济性方面的区别。
(1)运行费用比较
循环水泵的扬程=几何扬程+总水头损失
汽机房降标高布置对循环水系统的总水头损失影响很小,所以几何扬程变化是循环水泵扬程变化的主要因素。
循环水泵的几何扬程是虹吸井堰上水位与设计低水位的差值,而堰上水位是凝汽器第一排管子顶标高扣除虹吸利用高度确定的。循泵的几何扬程HA为:
式中:
HB――凝汽器第一排管子顶标高,汽机房地上式布置为17.25m,汽机房半地下式布置为9.75m;
HC――虹吸利用高度,一般取7-8m,本工程取7.5m;
HL――设计低水位,本工程取平均低潮位-2.28m。
根据上式,汽机房地上布置时,循泵几何扬程为12.03m,汽机房半地下式布置时循泵几何扬程为4.53m。
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。本工程循环水系统按一机两泵、双泵运行设置。单台循泵的电机功率差值N(kW)为:
式中:
K――为动力机的安全系数,取1.15;
r――海水的容重,取1.03×1000;
Q――循环水泵的流量,取27.75;
H――为循环水泵的扬程差值,为7.50m;
η――涡壳循环水泵的效率取0.87。
单台循环水泵的电机功率差值N为2778kW。本工程2×1000MW机组(共4台循泵),按负荷因子80%估算,年运行小时7008小时、上网电价386,当降标高布置后,循泵总的年运行费用可节省约3006万元。
(2)其它费用情况
1)给水泵扬程增加运行费用比较
汽机房整体下降7.50m后,除氧器标高也要同步下降,因此,给水泵扬程也需增加,大约需要增加8.5m,给水泵电机容量增加约181kW,按年运行7008小时计算,给水泵电机年耗电量增加1.27×106kWh。本期工程两台机组给水泵电机年耗电量需增加2.54×106kWh,上网电价386元/MWh计算,即需增加年运行费用约98万元。
2)主厂房通风运行费用比较
汽机房整体下降7.50m后,采用机械送风方式,汽机房增加机械送风量,相应增加送风机组用电量180KW/小时/台,年运行时间按7008小时,按13台送风机组计算,增加耗电量10091520KWh,上网电价按386元/MWh计算,则2台机组每年需增加运行费用约390万元。
(3)工程量增加问题
采用汽机房整体降低标高方案后,主要影响的工程量增加有以下几项:
主要管道工程量
汽机房负挖工程量、
汽机房结构工程量、
循环水取排水管道(沟)工程量、
消防排水设施工程量、
采暖通风设施工程量
3.3汽机房降标高方案小结
(1)从运行经济性比较,汽机房整体降标高布置,使工程总投资费用增加约4798万元,但循环水泵运行费用每年可节约3006万元,扣除主给水泵/采暖通风等运行费用的增加,整体运行费用每年可节约2676万元,预计2年内就可以收回总投资增加的成本;40年的寿期内,长期运行的节能效益是非常可观的。
(2)汽机房零米层标高降低方案虽然在技术上有一定的难度,而且接口处理和计算分析的工作量也比较大,特别是常规岛和核岛设计院之间的接口配合和常规岛本身带来的设计变化和分析计算工作量相当大,经过项目总体设计阶段分析和研究及专家评审,认为:标高降低方案技术上可行,经济上有利,在实际的工程设计、施工和安装中的各阶段需做认真而细致的工作。
(3)汽机房标高降低方案的工作将贯穿于项目的各阶段,目前,项目施工图刚刚开始,标高降低方案所带来的新的问题和新任务才处理了很少的一部分,接下来还有大量的问题需要尽快处理,由于这些问题的处理需要各单位通力协助、密切配合,不仅需要常规岛和核岛设计院之间的配合,而且需要设计院与制造厂之间、设计院与施工安装单位之间的大力协助。
(4)由于汽机房标高降低7.50m后,设计和施工工作量增加,需要对工程进度各项工作作更加全面、合理的分析和安排,通过强化管理,将设计、设备采购和施工等各环节中的进度潜力进一步发挥,将进度中关键节点上的难点工作进一步分解和消化,以满足项目主节点的各项要求。
图一
参考文献:
[1]曹斌,张超,张杰,刘敏义,刘爱勤,韩燕,等.汽机房标高设置专题分析.
[2]钱剑秋.秦山重水堆核电厂的主要设计改进.
关键词:半转数厂房降标高循环水泵扬程土建节能
中图分类号: TL4 文献标识码:A文章编号:1007-3973(2010) 08-102-03
1概述
福清核一期工程项目采用M310二代加改进堆型技术路线,以岭澳Ⅰ(Ⅱ)期核电工程为参考并加以适当改进,第一台机组已于2008年11月21日浇灌第一罐混凝土,计划2013年投产。根据项目厂址条件,为了提高核电站运行经济性,提高节能效果,常规岛设计选择了半转速汽轮机和汽机房降标高布置方案:汽轮机转速采用1500r/min;汽机房7.50米。本文将简要介绍半转速汽轮机及降标高布置方案
2半转速汽轮机节能分析
核电汽轮发电机组转速有全转速和半转速两种。从全世界范围看,以半转速机居多。我国电网频率为50Hz,全转转速为3000r/min,半转转速为1500r/min。
2.1半转速汽轮机与全转速汽轮机的应用比较
全转速核电汽轮机组和汽轮发电机组:属于成熟技术,为我国现有核电站普遍采用,已积累了一定的建设和运行经验。但1000MWe及以上容量的大型核电机组,在世界范围内只有少数供货商生产全转速机。
半转速核电汽轮机组和汽轮发电机组:半转速核电汽轮机组和汽轮发电机组已在国内核电站有运行经验(秦山三期),在建的岭澳二期也是采用半转速机组。国外大多数核电机组,特别是大型核电机组多采用半转速机组,世界范围内设备制造商也比较多,有很成熟的制造和运行经验,有利于采用国际竞标方式寻求合作伙伴
2.2半转速汽轮机与全转速汽轮机的效率比较分析:
在机组入口参数确定的情况下,汽轮机组的效率主要取决于通流部分效率和排汽损失等方面。
在现代汽轮机设计中由于采用现代流体力学计算技术和采用三维优化设计,使汽轮机通流部分效率有明显的提高。无论是全转速汽轮机还是半转速汽轮机,对通流部分效率已逐渐达到实际的极限值。相比来看,半转速汽轮机由于叶片较长、级数较少等结构特点,通流部分效率比全转速汽轮机略高一些。
排汽损失主要指余速损失,在蒸汽流量一定的情况下,排汽面积越大,余速越低,余速损失越小。所以要减少排汽损失,就需要较长的汽轮机末级叶片,以增大排汽面积。半转速汽轮机由于末级叶片可以设计得较长从而可以提供较大的排汽面积,减少了排汽损失,提高了汽轮机的热效率。
总的来说,半转速汽轮机效率比全转速汽轮机高。一般来说,1500r/min汽轮机热效率比3000r/min汽轮机约高1~2%,相当于出力增加3~6%。
2.3半转速汽轮机小结
半转速和全转速汽轮发电机的效率基本相当,根据现有资料以相同的反应堆热功率所能发出的电功率,半转速机要比全转速机可多发1.042～1.058。1000MW级核电站选用半转速汽轮发电机,在制造材料和工时费方面要比全转速汽轮发电机增加投资,但采用半转速机组使核电站发出的电功率提高,则核电站的单位功率造价仍下降,考虑到半转速机组热效率比全转速机组高,运行费用半转速机组也将比全转速机组低。
3汽机房底层降低标高
汽机房零米层合理标高是综合考虑凝汽器第一排管顶标高、海水潮位、电厂的经济运行等多方面因素,经技术论证后确定;而核电厂厂址地坪标高是根据滨海核电厂防洪要求确定的,因此厂址地坪标高往往高于汽机房零米层合理标高。参考电站的汽机房零米层与厂址地坪几乎在同一标高上,海水循环冷却水的提升高度较大,循环水泵运行费用增加,降低电厂的运行经济性。
目前,多数国内外新建核电厂充分利用虹吸高度,降低汽机房零米层标高,减小虹吸损失,使循环水泵的几何扬程尽可能地小,从而提高电厂运行的经济性。福清核电ⅠⅡ期项目循环水系统采用直流循环冷却方式,设计虹吸利用高度为7.5m,降标高后减少了循环水的提升高度(见附图一),可大大降低循泵运行费用。
3.1国内常规岛厂房降标高应用
国内不少核电站在常规岛厂房设计中都采用了降标高方案,降低了循环水泵提升扬程,进而减少了此设备运行费用,给电站带来了良好的经济效益。
国内已建核电厂汽机房零米层标高比较表
秦山一、二、三期汽机房降低标高经济效益比较表
注:该表引自秦山第三核有限公司钱剑秋总工的论文《秦山重水堆核电厂的主要设计改进》
3.2汽机房降标高方案的技术分析
3.2.1 汽机房底层标高方案的选择
汽机房负挖的根本目的是为了充分利用虹吸高度,使循环水泵的几何扬程达到最小。一般国内国外工程中虹吸利用高度为7～8m,福清核电项目汽机房底层标高按采用降低7.5米的布置方式,主要综合考虑了以下因素:
(1)循环水泵运行的经济性要求,同时考虑机组运行的安全性要求。
(2)汽机房各主要层布置优化要求。
(3)给水泵起吊空间的要求
(4)凝汽器颈部低加抽芯的要求。
(5)循环水管道GD沟、重要厂用水管道GA沟、综合管廊GB沟与汽机房之间的布置合理性要求等。
以零米层布置为基准,从最大程度减小循环水泵几何扬程的角度出发并根据汽机房分三层布置的特点(零米层、夹层、运转层)选用了降标高11.73m和7.5m这两种方案,并进行了对比分析。由于三十三年一遇低潮位出现的机率很低,按其来选择循泵参数不科学,按目前国内大多数工程的做法,选择循环水泵扬程时考虑实际运行工况,按年平均低潮位-2.28m做为设计输入,作为设计低潮位。汽机房凝汽器室底层至凝汽器水室顶部高度,汽轮机厂家东方电气提供的数据为6.1m;虹吸井至排水口的水头损失应计入循环水泵的几何扬程,根据核二院的资料约为0.3m。
汽机房地面布置与降标高(两种方案)循泵参数对照
3.2.2汽机房降标高布置的经济分析
汽机房降标高,在工程建造阶段需要增加工程量和投资费用,但电站长期的运行阶段将降低厂用电率节约运行成本。以下将从运行费用和工程投资费用两方面比较汽机房地上布置和半地下布置在经济性方面的区别。
(1)运行费用比较
循环水泵的扬程=几何扬程+总水头损失
汽机房降标高布置对循环水系统的总水头损失影响很小,所以几何扬程变化是循环水泵扬程变化的主要因素。
循环水泵的几何扬程是虹吸井堰上水位与设计低水位的差值,而堰上水位是凝汽器第一排管子顶标高扣除虹吸利用高度确定的。循泵的几何扬程HA为:
式中:
HB――凝汽器第一排管子顶标高,汽机房地上式布置为17.25m,汽机房半地下式布置为9.75m;
HC――虹吸利用高度,一般取7-8m,本工程取7.5m;
HL――设计低水位,本工程取平均低潮位-2.28m。
根据上式,汽机房地上布置时,循泵几何扬程为12.03m,汽机房半地下式布置时循泵几何扬程为4.53m。
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。本工程循环水系统按一机两泵、双泵运行设置。单台循泵的电机功率差值N(kW)为:
式中:
K――为动力机的安全系数,取1.15;
r――海水的容重,取1.03×1000;
Q――循环水泵的流量,取27.75;
H――为循环水泵的扬程差值,为7.50m;
η――涡壳循环水泵的效率取0.87。
单台循环水泵的电机功率差值N为2778kW。本工程2×1000MW机组(共4台循泵),按负荷因子80%估算,年运行小时7008小时、上网电价386,当降标高布置后,循泵总的年运行费用可节省约3006万元。
(2)其它费用情况
1)给水泵扬程增加运行费用比较
汽机房整体下降7.50m后,除氧器标高也要同步下降,因此,给水泵扬程也需增加,大约需要增加8.5m,给水泵电机容量增加约181kW,按年运行7008小时计算,给水泵电机年耗电量增加1.27×106kWh。本期工程两台机组给水泵电机年耗电量需增加2.54×106kWh,上网电价386元/MWh计算,即需增加年运行费用约98万元。
2)主厂房通风运行费用比较
汽机房整体下降7.50m后,采用机械送风方式,汽机房增加机械送风量,相应增加送风机组用电量180KW/小时/台,年运行时间按7008小时,按13台送风机组计算,增加耗电量10091520KWh,上网电价按386元/MWh计算,则2台机组每年需增加运行费用约390万元。
(3)工程量增加问题
采用汽机房整体降低标高方案后,主要影响的工程量增加有以下几项:
主要管道工程量
汽机房负挖工程量、
汽机房结构工程量、
循环水取排水管道(沟)工程量、
消防排水设施工程量、
采暖通风设施工程量
3.3汽机房降标高方案小结
(1)从运行经济性比较,汽机房整体降标高布置,使工程总投资费用增加约4798万元,但循环水泵运行费用每年可节约3006万元,扣除主给水泵/采暖通风等运行费用的增加,整体运行费用每年可节约2676万元,预计2年内就可以收回总投资增加的成本;40年的寿期内,长期运行的节能效益是非常可观的。
(2)汽机房零米层标高降低方案虽然在技术上有一定的难度,而且接口处理和计算分析的工作量也比较大,特别是常规岛和核岛设计院之间的接口配合和常规岛本身带来的设计变化和分析计算工作量相当大,经过项目总体设计阶段分析和研究及专家评审,认为:标高降低方案技术上可行,经济上有利,在实际的工程设计、施工和安装中的各阶段需做认真而细致的工作。
(3)汽机房标高降低方案的工作将贯穿于项目的各阶段,目前,项目施工图刚刚开始,标高降低方案所带来的新的问题和新任务才处理了很少的一部分,接下来还有大量的问题需要尽快处理,由于这些问题的处理需要各单位通力协助、密切配合,不仅需要常规岛和核岛设计院之间的配合,而且需要设计院与制造厂之间、设计院与施工安装单位之间的大力协助。
(4)由于汽机房标高降低7.50m后,设计和施工工作量增加,需要对工程进度各项工作作更加全面、合理的分析和安排,通过强化管理,将设计、设备采购和施工等各环节中的进度潜力进一步发挥,将进度中关键节点上的难点工作进一步分解和消化,以满足项目主节点的各项要求。
图一
参考文献:
[1]曹斌,张超,张杰,刘敏义,刘爱勤,韩燕,等.汽机房标高设置专题分析.
[2]钱剑秋.秦山重水堆核电厂的主要设计改进.