核電廠直流蒸汽發(fā)生器水汽轉(zhuǎn)換方法探討

左創(chuàng)舉， 孫文釗， 高玉峰， 趙 峰， 余 儼

(1. 西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，西安 710054；2. 西安熱工研究院有限公司，西安 710054；3. 華能山東石島灣核電有限公司，山東榮成 264312)

核電不僅可以滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高的需求，還在實(shí)現(xiàn)能源低碳化過(guò)程中發(fā)揮極其重要的作用[1]。蒸汽發(fā)生器是核電廠熱量傳遞的樞紐，它將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器常規(guī)島側(cè)的水，進(jìn)而產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功。蒸汽發(fā)生器也是分隔工質(zhì)的屏障，它對(duì)于核電廠的安全運(yùn)行也十分重要。

蒸汽發(fā)生器可按照工質(zhì)流動(dòng)方式、傳熱管形狀、安放形式及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)。按照二回路工質(zhì)在蒸汽發(fā)生器中的流動(dòng)方式，可將蒸汽發(fā)生器分為自然循環(huán)和直流(強(qiáng)制循環(huán))蒸汽發(fā)生器；按照傳熱管形狀，可將蒸汽發(fā)生器分為U形管、直管、螺旋管蒸汽發(fā)生器；按照設(shè)備的安放形式，可將蒸汽發(fā)生器分為立式和臥式蒸汽發(fā)生器；按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將蒸汽發(fā)生器分為帶預(yù)熱器和不帶預(yù)熱器的蒸汽發(fā)生器。

在我國(guó)目前設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆中，大型商用鈉冷快堆使用直流蒸汽發(fā)生器。鈉冷快堆采用鈾钚氧化物燃料運(yùn)行時(shí)，增殖比可達(dá)1.3；如果換用鈾钚金屬燃料，增殖比將會(huì)達(dá)到1.582[2]。金屬鈉在熱物理性質(zhì)上的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)[2]為：熔點(diǎn)低，易于熔化使用；沸點(diǎn)高，不易沸騰產(chǎn)生鈉氣泡；密度低于水，節(jié)省泵功率等。更重要的是，在反應(yīng)堆運(yùn)行的情況下，鈉的熱導(dǎo)率要比水高百倍以上[3]，從而保證堆芯和燃料不易過(guò)熱。

在核反應(yīng)堆開(kāi)始裝料后，當(dāng)堆功率上升到約7%額定功率時(shí)[4-5]，蒸汽發(fā)生器的三回路的工質(zhì)開(kāi)始進(jìn)行由水至汽的轉(zhuǎn)換[6-7]。直流蒸汽發(fā)生器與自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)不同，其缺少主水箱和汽水分離器，在三回路進(jìn)行水汽轉(zhuǎn)換時(shí)，極有可能發(fā)生水汽狀態(tài)的不穩(wěn)定互相轉(zhuǎn)換[8]。在水汽轉(zhuǎn)換時(shí)，如何保證迅速、準(zhǔn)確、振蕩盡可能小的轉(zhuǎn)換，是調(diào)試階段需要攻克的技術(shù)難點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)鈉冷快堆的研究主要集中在一回路、二回路和涉鈉安全方面[9-12]，而有關(guān)三回路的研究較少，并且缺乏鈉冷快堆三回路水汽轉(zhuǎn)換的相關(guān)研究。筆者針對(duì)鈉冷快堆三回路水汽轉(zhuǎn)換存在的問(wèn)題，提出了一種新式水汽轉(zhuǎn)換方法，并且給出采用該方法的預(yù)測(cè)效果。

1 蒸汽發(fā)生器

1.1 現(xiàn)有蒸汽發(fā)生器

盡管核電廠采用的蒸汽發(fā)生器形式繁多，但是壓水堆核電廠使用較廣泛的只有3種，具體為立式U形管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器、臥式U形管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器和立式直管直流蒸汽發(fā)生器。其中，立式U形管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的應(yīng)用最廣泛。表1給出了幾種主要蒸汽發(fā)生器的特征。

表1 幾種主要蒸汽發(fā)生器的特征

1.2 直流蒸汽發(fā)生器

在直流蒸汽發(fā)生器中二回路工質(zhì)的流動(dòng)靠強(qiáng)制循環(huán)[13-14]。在二回路工質(zhì)的加熱下，給水經(jīng)預(yù)熱、蒸發(fā)、過(guò)熱而達(dá)到所要求的溫度。核電廠直流蒸汽發(fā)生器只能產(chǎn)生過(guò)熱的蒸汽，這對(duì)于提高汽輪機(jī)工作的可靠性和提高循環(huán)熱效率是有利的。

在國(guó)內(nèi)，直流蒸汽發(fā)生器主要應(yīng)用于鈉冷快堆及高溫氣冷堆。鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器模塊包含蒸汽發(fā)生器與過(guò)熱器。鈉在蒸汽發(fā)生器殼側(cè)流動(dòng)，在蒸汽發(fā)生器中自上而下流動(dòng)，在過(guò)熱器中自下而上流動(dòng)。三回路的工質(zhì)在蒸汽發(fā)生器管內(nèi)流動(dòng)，并且其流動(dòng)方向與鈉流動(dòng)方向相反。

2 現(xiàn)有水汽轉(zhuǎn)換方法

2.1 現(xiàn)有水汽轉(zhuǎn)換方法介紹

選用直流蒸汽發(fā)生器的情況下，在蒸汽發(fā)生器水汽工況轉(zhuǎn)換階段，給水流量、壓力的控制及方法與帶汽水分離器的蒸汽發(fā)生器的控制及方法存在很大差異。具體影響為：(1)如果在水工況轉(zhuǎn)換為汽工況時(shí)調(diào)節(jié)不好，會(huì)使兩種狀態(tài)反復(fù)轉(zhuǎn)換，影響機(jī)組的安全；(2)如果水工況轉(zhuǎn)換汽工況的時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)造成過(guò)多的熱量損失。直流蒸汽發(fā)生器現(xiàn)有水汽轉(zhuǎn)換流程見(jiàn)圖1。

圖1 直流蒸汽發(fā)生器現(xiàn)有水汽轉(zhuǎn)換流程

直流蒸汽發(fā)生器三回路在主給水泵和蒸汽發(fā)生器之間設(shè)計(jì)有主給水調(diào)節(jié)閥。在啟堆階段蒸汽發(fā)生器水汽工況轉(zhuǎn)換時(shí)，降低主給水泵轉(zhuǎn)速并減少通過(guò)主給水調(diào)節(jié)閥的流量，使處于飽和溫度的給水汽化，進(jìn)而完成水汽轉(zhuǎn)化，詳細(xì)過(guò)程為：

(1) 預(yù)熱階段。對(duì)啟動(dòng)擴(kuò)容器及其上游管路和蒸汽發(fā)生器進(jìn)行預(yù)熱后，系統(tǒng)內(nèi)充滿(mǎn)合格的給水。當(dāng)堆功率從零(冷態(tài))提升到7%額定功率左右時(shí)，通過(guò)控制主給水泵和主給水調(diào)節(jié)閥使通過(guò)蒸汽發(fā)生器的給水流量從5%額定流量左右提升到28%額定流量左右。通過(guò)蒸汽發(fā)生器的給水經(jīng)啟動(dòng)擴(kuò)容器入口調(diào)節(jié)閥組進(jìn)入啟動(dòng)擴(kuò)容器后排入凝汽器，降壓擴(kuò)容后產(chǎn)生的蒸汽排入高壓輔汽聯(lián)箱。

(2) 水汽轉(zhuǎn)換階段。堆功率穩(wěn)定在7%額定功率左右時(shí)，先用降壓汽化的辦法使蒸汽發(fā)生器從水工況向汽工況過(guò)渡。先開(kāi)大啟動(dòng)擴(kuò)容器入口調(diào)節(jié)閥組降低蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)壓力，再關(guān)小主給水調(diào)節(jié)閥降低蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)流量，同時(shí)配合主給水泵轉(zhuǎn)速降低維持主給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不變，使蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)產(chǎn)生過(guò)熱度。然后打開(kāi)第一電動(dòng)閥組，關(guān)閉啟動(dòng)擴(kuò)容器入口調(diào)節(jié)閥組，由汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)維持蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)壓力。

(3) 隨著堆功率的提升，蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)滿(mǎn)足過(guò)熱度的要求后，打開(kāi)過(guò)熱器入口閥組、第二電動(dòng)閥組，投入過(guò)熱器。然后關(guān)閉第一電動(dòng)閥組，蒸汽發(fā)生器水汽轉(zhuǎn)換完成。

2.2 現(xiàn)有水汽轉(zhuǎn)換方法缺點(diǎn)

直流蒸汽發(fā)生器現(xiàn)有水汽轉(zhuǎn)換的主要缺點(diǎn)為：

(1) 調(diào)節(jié)設(shè)備過(guò)多且互相干擾。

直流蒸汽發(fā)生器在水汽轉(zhuǎn)換過(guò)程中，通過(guò)同時(shí)控制主給水泵轉(zhuǎn)速和主給水調(diào)節(jié)閥。在水汽轉(zhuǎn)換過(guò)程中，通過(guò)減小主給水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)減少蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)的流量，會(huì)使主給水調(diào)節(jié)閥前后壓差增大，進(jìn)而導(dǎo)致主給水泵產(chǎn)生反饋調(diào)節(jié)動(dòng)作，以補(bǔ)償壓差的變化。采用現(xiàn)有水汽轉(zhuǎn)換方法時(shí)，主給水調(diào)節(jié)閥的控制邏輯會(huì)限制主給水泵的調(diào)節(jié)范圍和速度，即無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)對(duì)主給水泵和主給水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行大范圍的調(diào)節(jié)。

(2) 水汽反復(fù)轉(zhuǎn)換。

在水汽轉(zhuǎn)換階段，當(dāng)蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)溫度超過(guò)飽和溫度，即由水工況轉(zhuǎn)化為汽工況后，需要關(guān)閉啟動(dòng)擴(kuò)容器入口調(diào)節(jié)閥組。這一操作會(huì)造成蒸汽壓力上升，從而造成水的飽和溫度上升，可能導(dǎo)致已經(jīng)轉(zhuǎn)化為蒸汽的水重新液化。

(3) 水汽轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)，熱源存在浪費(fèi)。

在蒸汽發(fā)生器水汽轉(zhuǎn)換時(shí)，先用降壓汽化的辦法使蒸汽發(fā)生器從水工況向汽工況過(guò)渡，開(kāi)大啟動(dòng)擴(kuò)容器入口調(diào)節(jié)閥組降低蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)壓力，此過(guò)程會(huì)增加蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)的流量，進(jìn)而產(chǎn)生熱源的浪費(fèi)；再關(guān)小主給水調(diào)節(jié)閥降低蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)流量，同時(shí)配合主給水泵轉(zhuǎn)速降低維持主給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不變，此過(guò)程控制冗長(zhǎng)，增加轉(zhuǎn)換時(shí)間。

3 新式水汽轉(zhuǎn)換方法

3.1 新式水汽轉(zhuǎn)換方法

參考火電廠相關(guān)調(diào)試及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出一種核電直流蒸汽發(fā)生器新式水汽轉(zhuǎn)換的方法。蒸汽發(fā)生器新式水汽轉(zhuǎn)換流程見(jiàn)圖2。

圖2 直流蒸汽發(fā)生器新式水汽轉(zhuǎn)換流程

直流蒸汽發(fā)生器新式水汽轉(zhuǎn)換流程相比于現(xiàn)有水汽轉(zhuǎn)換流程，去除了主給水調(diào)節(jié)閥，并且控制方法不同，詳見(jiàn)下文。

3.2 新式水汽轉(zhuǎn)換具體流程

新式直流蒸汽發(fā)生器水汽轉(zhuǎn)化的具體流程為：

(1) 預(yù)熱階段。將啟動(dòng)擴(kuò)容器入口調(diào)節(jié)閥組切至手動(dòng)，并且保持其開(kāi)度不變；主給水泵的轉(zhuǎn)速投入自動(dòng)，設(shè)置主給水泵的轉(zhuǎn)速跟蹤進(jìn)入直流蒸汽發(fā)生器的給水流量，并逐漸減少主給水泵的流量設(shè)定值。二回路提供的熱量不變，給水流量減小后，給水溫度逐漸提升。當(dāng)直流蒸汽發(fā)生器內(nèi)的工質(zhì)接近飽和蒸汽溫度時(shí)，將主給水泵的流量設(shè)定值設(shè)為當(dāng)前流量值。

(2) 水汽轉(zhuǎn)換階段。手動(dòng)將啟動(dòng)擴(kuò)容器入口調(diào)節(jié)閥組的開(kāi)度逐漸增大，此時(shí)直流蒸汽發(fā)生器內(nèi)的工質(zhì)壓力逐漸減小。啟動(dòng)擴(kuò)容器入口調(diào)節(jié)閥組的開(kāi)度增大時(shí)進(jìn)入直流蒸汽發(fā)生器的給水流量增加，但是主給水泵通過(guò)自動(dòng)降轉(zhuǎn)速來(lái)維持流量設(shè)定值，從而進(jìn)一步降低直流蒸汽發(fā)生器內(nèi)工質(zhì)的壓力。由于在蒸汽發(fā)生器內(nèi)工質(zhì)的流量、二回路熱源維持不變，所以蒸汽發(fā)生器內(nèi)工質(zhì)的溫度不變，但是蒸汽發(fā)生器內(nèi)工質(zhì)壓力下降導(dǎo)致工質(zhì)對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度降低，從而汽化產(chǎn)生一定過(guò)熱度的蒸汽。打開(kāi)第一電動(dòng)閥組，蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)經(jīng)過(guò)主汽聯(lián)箱進(jìn)入汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)，由汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)維持蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)壓力。

(3) 功率提升階段。隨著堆功率逐漸提升，手動(dòng)全開(kāi)過(guò)熱器入口閥組及第二電動(dòng)閥組，全關(guān)第一電動(dòng)閥組，過(guò)熱器投入。此時(shí)主給水泵跟蹤進(jìn)入直流蒸汽發(fā)生器的給水流量，汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)控制蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)壓力。手動(dòng)關(guān)閉啟動(dòng)擴(kuò)容器入口調(diào)節(jié)閥組，至此直流蒸汽發(fā)生器的水汽工況轉(zhuǎn)換完成。

4 新式水汽轉(zhuǎn)換的效果預(yù)測(cè)

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)核電直流蒸汽發(fā)生器水汽轉(zhuǎn)換的研究較少，暫無(wú)詳細(xì)的理論研究或工程實(shí)踐可供參考。對(duì)于采用類(lèi)似設(shè)計(jì)的火電機(jī)組，在水汽轉(zhuǎn)換時(shí)，都取得了較好的效果[15-17]。根據(jù)火電廠主給水泵與直流蒸汽發(fā)生器的相關(guān)調(diào)試及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)采用新式水汽轉(zhuǎn)換方法的效果給出如下預(yù)測(cè)：

(1) 新式水汽轉(zhuǎn)換通過(guò)去除主給水調(diào)節(jié)閥，消除了主給水泵和主給水調(diào)節(jié)閥之間的相互影響，使主給水泵的調(diào)節(jié)更加靈活，且無(wú)邏輯束縛。

(2) 新式水汽轉(zhuǎn)換消除了水汽反復(fù)轉(zhuǎn)換的隱患。

在水汽轉(zhuǎn)換過(guò)程中，先通過(guò)主給水泵降低蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)的流量，然后主給水泵投自動(dòng)維持流量不變；再通過(guò)開(kāi)大啟動(dòng)擴(kuò)容器入口調(diào)節(jié)閥組減少蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)壓力。當(dāng)開(kāi)大啟動(dòng)擴(kuò)容器入口調(diào)節(jié)閥組時(shí)，會(huì)導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)流量增加，但是主給水泵會(huì)通過(guò)降低轉(zhuǎn)速維持蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)流量不變，因而進(jìn)一步導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器內(nèi)壓力下降。此時(shí)，蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)過(guò)熱度會(huì)增大，不會(huì)有重新液化的風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 新式水汽轉(zhuǎn)換過(guò)程縮短轉(zhuǎn)換時(shí)間，減少熱源浪費(fèi)，提高機(jī)組安全穩(wěn)定性。在預(yù)熱階段，通過(guò)主給水泵調(diào)節(jié)進(jìn)入直流蒸汽發(fā)生器的給水流量，使蒸汽發(fā)生器內(nèi)給水溫度快速上升，減少熱源浪費(fèi)。在水汽轉(zhuǎn)換階段，通過(guò)開(kāi)大啟動(dòng)擴(kuò)容器入口調(diào)節(jié)閥組降低蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)壓力，同時(shí)使主給水泵轉(zhuǎn)速降低，達(dá)到蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)壓力二次降低的作用，再次提高了蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)的過(guò)熱度，加快水汽轉(zhuǎn)換完成，以減少對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響，提高機(jī)組的安全性及穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

新式水汽轉(zhuǎn)換首先利用主給水泵轉(zhuǎn)速控制蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)的流量，然后利用啟動(dòng)擴(kuò)容器入口調(diào)節(jié)閥組控制直流蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)的壓力，從而控制整個(gè)水汽轉(zhuǎn)換流程。新式水汽轉(zhuǎn)換不僅可應(yīng)用于核電廠直流蒸汽發(fā)生器，也可應(yīng)用于有相似轉(zhuǎn)換流程的蒸汽發(fā)生裝置。采用新式水汽轉(zhuǎn)換可以節(jié)省時(shí)間，但是其操作的靈活性和可控性需要在工程實(shí)踐中得到進(jìn)一步的驗(yàn)證。