第63卷第2期2021年4月
汽轮机技术
TURBINE TECHNOLOGY
Vol.63No.2
及可靠性管理研究
于新娜，江鸿
(福建福清核电有限公司，福清350318)
摘要：钛管泄漏(凝结水水质)直接影响机组二回路水质和运行安全可靠性。通过对某核电厂参考电站凝汽器钛管泄漏的原因分析，对“华龙一号”凝汽器从管板间距、钛管与支撑板配合间隙、迎流面厚壁管布置、喉部布置、旁扩布置及减压布置、管束布置等结构改进与参考电站进行了对比说明和核算，结果表明，该结构能够有效避免因振动问题导致的大面积钛管泄漏，并根据AP-913的理念及相关机组凝汽器可靠性管理现状提岀了“华龙一号”凝汽器预防性管理思路和建议。 关键词：凝汽器；钛管；泄漏；预防性管理
分类号:TK264.1+1文献标识码：A文章编号：1001-5884(2021)02-0147-04
HPR1000Condenser Structure Optimal Analysis and Reliability Management Research
YU Xin-na,JIANG Hong
(Fujian Fuqing Nuclear Power Company Limited,Fuqing350318,China)
Abstract:Leakage from titanium pipe(condensate water quality)directly affects the water quality of the secondary loop and operation safety.This thesis analysis the reason of the reference station condenser titanium pipe leakage.Based on the structure improvement of space between pipe and plate,fitting space between titanium pipe and supporting plate, arrangement of thick wall pipe on the inflow face,throat arrangement,expansion and decompression arrangement,tube bundle arrangement,this thesis compare HPR1000condenser with the reference station condenser,the result indicate that structure of HPR1000condenser can effectively avoid large area titanium pipe leakage which caused by vibration peoblem.
This thesis also learned from AP-913idea and the status of preventive management in the station co
ndenser,it raises the preventive management idea and advice to the HPR1000.
Key words:condenser；titaniumpipe；leakage；preventive management
0前言
凝汽器是凝汽式汽轮机组的重要组成部分，起着冷源的
作用，主要是将汽轮机排汽凝结成水并在汽轮机排汽口建立
和维持一定的真空度，同时接收旁路蒸汽排汽，并对进入凝 汽器的各种疏水和补充水进行减温减压或加热除氧。
“华龙一号”机组凝汽器为双壳体、单流程、单背压、表面
式钛管凝汽器。本体由喉部、壳体、水室、冷却水管、热井、旁
路扩散器、疏水扩容器及其它附属设备组成，结构如图1所
示。
1凝汽器泄漏影响及现状调查
由于钛管管壁薄、密度低，相同冷却面积的凝汽器其重量约为铜制的25%［1］，因此，自20世纪80年代之后钛管凝汽器普遍应用于火电站与核电站中［2-5］o但由于在复杂运行工况以及介质等多种因素的复合作用易导致钛管发生氢脆、腐蚀和磨损等现象［6-8］，进而导致泄漏，凝汽器钛管一旦收稿日期:2020-10-10
作者简介：于新娜（1984-），女，高级工程师，硕士研究生。
图1“华龙一号”凝汽器外形图
泄漏，二回路水质即恶化，轻则汽水系统积盐结垢，金属管材受到腐蚀，直接影响机组安全运行；重则会在短时间内对其它金属材料造成严重腐蚀，危及机组安全［9］。目前国内外均有研究在运电厂钛管失效的案例［10］，某核电厂在运的4台机组截至目前已堵管631根，其中预堵管592根，具体情况见表1
。
148汽轮机技术第63卷
表1某核电厂在运4台机组凝汽器堵管情况
项目
机组号
1234
总换热管数量，根58572585725857258572
总堵管数量，根32730040
预堵管数量，根29629600
运行后堵管数量，根31440
当前堵管余量,％ 4.44 4.4955 2参考电站凝汽器泄漏原因分析
2.1参考电站经验反馈
参考电站两台机组的凝汽器在机组投运初期做试验(含甩100%负荷和甩50%负荷等旁路投运工况)期间先后共有5根钛管发生了断裂、泄漏事故，缺陷情况如图2所示，并且在停机后抽管检查时均发现管束的某些迎流区部分钛管之间存在碰磨现象，碰磨部位如图3所示。
图2参考电站冷却管缺陷情况
该汽道迎风顶排拎却管发 该汽道迎风
面发现碰磨现断裂、碰磨面发现碰磨
图3参考电站模块一、四磨损情况示意图
2.2钛管泄漏及碰磨原因分析
凝汽器钛管泄漏的原因主要有4个方面，分别是设计缺陷、质量缺陷、安装缺陷和运维不当。
(1)运维方面：参考电站经排查未发现有违规或超参数操作情况。
(2)安装方面：参考电站凝汽器供货方式为整体模块，非现场穿管，故不存在穿管导致管束拉毛、磨损等问题，且经排查未发现有异物砸伤钛管。
(3)质量方面：将泄漏的钛管进行试验分析验证，结果显示钛管材质满足规范要求，裂纹性质为疲劳裂纹，起源为钛管内表面焊缝处，产生原因可能是振幅过大导致应力过大。
(4)设计方面：基于主要发生在甩负荷运行工况后，因此利用FLUENT对凝汽器壳侧的流场进行了数值模拟，通过图4和图5可以看岀，正常运行工况下整个流场相对均匀，蒸汽有规律地流向空冷区；旁路工况下，低加外侧存在较大的涡流区，整个流场的不均匀性和复杂性明显增加。
综上，钛管泄漏的主要原因是汽流激振引起的局部冷却管振幅过大。
X
图4正常工况下凝汽器壳侧流场
图5旁路投运工况下凝汽器壳侧流场
3“华龙一号”凝汽器优化改进措施
“华龙一号”凝汽器接收汽轮机旁路系统来的主蒸汽流量为机组在TMCR工况下85%的主蒸汽量，且由于钛管弹性模量小、管壁薄，受到蒸汽流动作用时易产生振动，为保证如此多的旁路蒸汽进入凝汽器不对管束造成损坏，通过设计优化改进减小管束振动，降低泄漏几率，“华龙一号”机组主要从下述5个方面进行了优化：
(1)减小钛管支撑跨距：相较参考电站，钛管支撑跨距减小了47mm。
(2)减小钛管管孔公差：相较参考电站，钛管管孔公差减小了0.15mm。
(3)加大钛管管孔桥距：相较参考电站，钛管管孔桥距加大了1mm。
(4)在管束汽道迎流面增加厚壁管数量：相较参考电站，汽道迎流加厚壁管数量增加了15.93%
。
第2期于新娜等:“华龙一号”凝汽器结构优化分析及可靠性管理研究用149
(5)优化旁路消能装置的设计：为了避免旁路蒸汽在凝汽器空间过于集中排放,“华龙一号”在设计时充分优化现有凝汽器内的空间，将12个旁路扩散器均匀布置于凝汽器喉部，旁路蒸汽排放区域分散于整个凝汽器空间，减小了蒸汽进入凝汽器冷却管束引起局部区域的过高流速，降低了汽流激振的风险，且喷水减温装置放置于旁路扩散器内部，减低了旁路蒸汽排向凝汽器内部空间的能级，增加了安全性。
4“华龙一号”凝汽器优化后综合分析
对优化设计改进后的“华龙一号”凝汽器进行数值模拟，从计算结果可以看岀，旁路蒸汽从旁路扩散器排入凝汽器内部空间后进行了充分的膨胀扩容，在进入凝汽器管束前流速已经显著降低。从图6、图7和图8可以看岀，在管束上方300mm的截面上，流速分布已较为均匀。
图6中间截面处速度云图
l.24te*002
B.34Se*0C1
8.230*001
3.115e*001
■0C<»e*000
-60.486
图7凝汽器管束顶排管上方300mm处速度云图
□859938
3.68612
图8凝汽器管束排管速率图
根据相关文献，凝汽器高速汽流在横掠管束时，诱发冷却管产生流体弹性振动的临界速度为：
皿总-277m/s 式中，匕，为临界速度,m/s；K“为通过试验确定的临界系数; /为管子固有频率；d0为管子外径,m;m为包括管内流体在内的单位管长的质量,kg/m;8为管材对数减缩率；p为管外绕流流体的密度,kg/m3。
根据数值模拟计算得到的最大流速为156m/s，远小于其临界速度277m/s，故优化后的旁路接入方式、旁路扩散器的本体结构以及旁路扩散器的布置方式能够满足旁路蒸汽在进入冷却管束前充分的扩容、消能需求，并且截面流速小于引起汽流激振的临界流速，与参考电站对比，进一步降低了汽流激振的风险。
5“华龙一号”凝汽器可靠性管理分析
设备可靠性管理在国内外的核能行业具有广泛的应用和良好的实践反馈。最具代表性的是设备可靠性管理流程AP-913，旨在提高电站设备可靠性，电厂安全性及机组经济性［11］。
5.1性能监测管理
凝汽器作为关键敏感设备(SPV设备)，建议后期在ERDB系统中在线监督系统设置主要报警参数为真空度、凝结水电导率、凝结水温度、热阱水位，通过实时报警，分析判断潜在故障。下面就设备的4个报警参数进行原因分析：
(1)真空度：凝汽器换热性能降级通常是通过压力上升显现岀来，真空度可反映岀由凝汽器内部原因导致的性能降级和因循环水温度高或流量低等外部因素导致的性能降级。
(2)凝结水电导率：电导率的变化通常是由于三回路的海水进入二回路水导致，通过电导率的监测及凝
泵岀口其它水质监测参数(如Na、电导率)可进一步判断故障是否为凝汽器传热管泄漏，因热阱设有8个取样点、4个电导表，通过取样点的切换可判断泄漏的凝汽器模块。
(3)凝结水温度：主要用于监测凝结水过冷，凝结水过冷度太大不仅易使凝结水氧含量增加，还导致二回路热量损失。
(4)热阱水位：热阱须存储一定的凝结水量，若热阱水位过低，则易使凝结水泵产生汽蚀，损坏水泵，若热阱水位过高，则淹没部分冷却管束，减小换热面积，导致真空度下降。
根据在运机组多年监测经验，上述4个参数的监测能够满足实时监测凝汽器性能及长期趋势分析的要求，故建议“华龙一号”凝汽器后续亦以上述4个监测参数为主。
5.2预防性维修管理
通过表2对“华龙一号”及某核电厂在运机组凝汽器运维期间的主要故障部位及模式进行对比分析，可以看岀，“华龙一号”凝汽器因结构优化改进，后期运维风险进一步减小，且降低了运维成本。
6结束语
凝汽器由于钛管弹性模量小、管壁薄，受到蒸汽流动作用时很容易产生振动，故凝汽器钛管泄漏是运
维阶段的主要失效模式，通过对参考电站钛管泄漏根本原因分析制定了“华龙一号”凝汽器结构优化改进措施，并通过数值模拟计算分析，
得岀优化改进后的凝汽器甩负荷工况导致管束振动泄
150汽轮机技术第63卷
表2预维项目对比分析
序号歹故障部位故障模式功能影响“华龙一号”与在运机组对比分析
1钛管/壳体模块损伤(汽水两侧)、泄漏二回路水质超标因“华龙一号”凝汽器结构进行了优
化，运维过程中因共振导致的钛管损
伤和泄漏概率将降低
2钛管/壳体模块结垢、堵塞、异物等降低换热效率类同
3钛管/壳体模块堵头脱落二回路水质超标类同
4防磨条/壳体模块老化、损伤二回路水质超标或产生异物“华龙一号”无防磨条
5管束与管板/壳体模块泄漏二回路水质超标类同
6端管板缺陷、腐蚀如若表面钛损伤严重，加速端管板腐蚀类同
7水室衬胶缺陷或脱落加速水室腐蚀类同
8疏扩腐蚀泄漏类同
9喷嘴/旁路扩散器脱落温度超标“华龙一号”喷嘴置于旁扩内部，脱落
概率降低
10垫片、螺栓/人孔、水室腐蚀、老化、疲劳泄漏类同
漏风险降低的结论，对后续新机组凝汽器选型提供宝贵经验。
本文通过对“华龙一号”与某核电厂在运机组凝汽器结构、失效模式对比分析可以看岀，由于“华龙一号”凝汽器未设置防磨条、旁扩减温水喷头置于旁扩内部、迎流面厚壁管数量加大等原因，后期故障概率及运维工作量进一步减小，降低了运维成本。
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-26.
(上接第146页)
(1)抽汽供热机组进行低压旁路至采暖抽汽系统改造，将原排至凝汽器的蒸汽热损失回收至热网进行利用，在提升供热能力及机组效率的同时，解决了供暖期抽汽供热机组深度调峰时的热电解耦问题。
(2)低压旁路至采暖抽汽系统改造后，供暖期进一步释放了机组调峰和供热潜能。供暖期机组深度调峰投入低压旁路系统，发电负荷降低5.0MW，增加热网供热能力20GJ，有效地提升了机组供热能力。
(3)低压旁路至采暖抽汽系统改造总投资15万元，改造后一个供热期可增加供热及有偿调峰收益151.2万元，供暖期日平均收益约1.0万元,15天回收投资，经济效益显著。
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豫公网安备41160202000603
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