模塊式小型堆ACP100二回路給水泵配置分析

梁鐵波+嚴(yán)思偉+黎春梅+任云+曾暢+王亮+郝承明

【摘 要】模塊式小型堆ACP100二回路采用2×50%容量汽動(dòng)調(diào)速泵為主給水泵、2×25%容量電動(dòng)調(diào)速泵為啟動(dòng)給水泵的配置，從模塊式小型堆核電機(jī)組啟動(dòng)程序、二回路運(yùn)行特性、主給水調(diào)節(jié)方式及降負(fù)荷能力等方面對(duì)模塊式小型堆二回路給水泵配置方式進(jìn)了分析，并與M310機(jī)組及在建的三代核電AP1000、EPR1000機(jī)組的給水泵配置進(jìn)行對(duì)比分析。通過分析，為我國(guó)后續(xù)模塊式小型核電機(jī)組的常規(guī)島給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】模塊式；小型堆；主給水；給水泵；二回路

0 引言

常規(guī)壓水堆核電站主給水系統(tǒng)的主要功能是將溫度、壓力和水質(zhì)合格的給水送到蒸汽發(fā)生器，并利用給水系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能將蒸汽發(fā)生器水位維持在給定范圍，它是保證核島安全運(yùn)行和汽水品質(zhì)的重要熱工系統(tǒng)，與常規(guī)火電站一樣，壓水堆核電站主給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)也有兩類，即定速給水泵給水系統(tǒng)和調(diào)速給水泵給水系統(tǒng)，兩種給水系統(tǒng)在較高負(fù)荷下（大于15%～20%）采用三沖量調(diào)節(jié)控制的原則。在低負(fù)荷下由于蒸汽參數(shù)低，負(fù)荷變化小，蒸汽發(fā)生器假水位現(xiàn)象不太嚴(yán)重，維持給定水位的要求不太高，加之蒸汽流量和給水流量小而很難準(zhǔn)確測(cè)量等原因，所以低負(fù)荷下給水采用單沖量旁路調(diào)節(jié)控制方法。

主給水流量喪失事故，作為RCC-PⅡ類事故（中等頻率事故），是核電站設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故之一。主給水泵失效是二回路正常給水流量喪失的主要原因，該工況將導(dǎo)致輔助給水系統(tǒng)投運(yùn)（針對(duì)M310機(jī)組）或第二層次縱深防御的啟動(dòng)給水系統(tǒng)啟動(dòng)（針對(duì)AP1000機(jī)組）、甚至是反應(yīng)堆停堆等一系列動(dòng)作。這將給機(jī)組帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，設(shè)計(jì)合適的二回路給水系統(tǒng)，合理配置給水泵數(shù)量和容量，采取符合機(jī)組運(yùn)行特性的調(diào)節(jié)方式等，對(duì)核電廠安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。模塊式小型堆是我國(guó)自主開發(fā)的小型核電機(jī)組，其常規(guī)島給水系統(tǒng)采用2×50%容量汽動(dòng)調(diào)速泵為主給水泵、2×25%容量電動(dòng)調(diào)速泵為啟動(dòng)給水泵的配置，這與目前我過在運(yùn)行核電機(jī)組給水泵配置差別很大，與AP1000為代表的三代壓水堆機(jī)組常規(guī)島主給水系統(tǒng)采用3×33%容量電動(dòng)定速給水泵的配置也存在一定差異。本文從模塊式小型堆機(jī)組啟動(dòng)程序、二回路運(yùn)行特性、主給水調(diào)節(jié)方式及降負(fù)荷能力等方面進(jìn)行對(duì)其二回路給水泵配置方式進(jìn)分析，并與M310機(jī)組及在建的三代核電AP1000、ERP1000機(jī)組的給水泵配置進(jìn)行對(duì)比，以期為我國(guó)后續(xù)的小型核電機(jī)組的給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 模塊式小型堆二回路給水系統(tǒng)

1.1 模塊式小型堆二回路運(yùn)行特性

模塊式小型堆運(yùn)行特性，與M310、AP1000等采用飽和式蒸汽發(fā)生器的核電站相比，存在較大的差異。第一、模塊式小型堆反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)保持反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度不變，這樣有利于改善核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)靜態(tài)運(yùn)行特性曲線如圖1所示；第二、模塊式小型堆二回路在穩(wěn)定功率范圍運(yùn)行時(shí)，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)出口蒸汽壓力保持不變（圖2中B-E線），而蒸汽發(fā)生器二次側(cè)出口蒸汽溫度隨功率變化的關(guān)系如圖3所示；第三、蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水裝量少，瞬態(tài)性能差，需控制系統(tǒng)的響應(yīng)足夠快；第四、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，蒸汽發(fā)生器沒有排污流量，這樣提高了對(duì)給水水質(zhì)的要求，也需要考慮蒸汽發(fā)生器的污垢清除；第五、在機(jī)組啟動(dòng)過程中，質(zhì)量、能量、壓力和溫度發(fā)生強(qiáng)烈的變化，運(yùn)行設(shè)備的熱應(yīng)力比正常運(yùn)行穩(wěn)態(tài)工況下產(chǎn)生的熱應(yīng)力大得多。為了不犧牲蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的效率，也不影響裝置的可靠性和利用率，必須努力提高裝置的運(yùn)行安全性。在啟動(dòng)的過程中，調(diào)節(jié)的參數(shù)和動(dòng)作愈少，通過切換動(dòng)作引入結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換愈少，沖動(dòng)汽輪機(jī)的時(shí)間愈提前，產(chǎn)生故障的可能性愈低。

1.2 采用調(diào)速泵的可行性分析

1.2.1 機(jī)組啟動(dòng)程序

模塊式小型堆核電機(jī)組，二回路設(shè)有主給水系統(tǒng)和啟動(dòng)給水系統(tǒng)，其啟動(dòng)流程如圖4所示。當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，給水通過電動(dòng)調(diào)速泵流經(jīng)給水管道送至蒸汽發(fā)生器，水源為除氧器中的水或小冷凝器的水。啟動(dòng)給水系統(tǒng)設(shè)有兩臺(tái)25%容量的電動(dòng)調(diào)速泵。機(jī)組啟動(dòng)過程中，一臺(tái)電動(dòng)調(diào)速泵運(yùn)行，為減少啟動(dòng)過程的調(diào)節(jié)參數(shù)和動(dòng)作，降低故障的發(fā)生概率，采用定流量啟動(dòng)方式，即蒸汽發(fā)生器二次側(cè)在穩(wěn)壓器建立汽腔時(shí)，手動(dòng)控制電動(dòng)調(diào)速泵及旁路調(diào)節(jié)閥，控制蒸汽發(fā)生器的給水流量和壓力，在整個(gè)啟動(dòng)過程中給水流量不再變化，只需控制二回路壓力，并隨著一回路功率、溫度的升高逐漸達(dá)到要求的蒸汽品質(zhì)。當(dāng)堆芯熱功率升至蒸汽發(fā)生器穩(wěn)定運(yùn)行功率點(diǎn)時(shí)，給水切換至主給水泵及主給水調(diào)節(jié)閥供給。

因蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特性，無法實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程的排污，因此在每次停堆換料期間需要考慮蒸汽發(fā)生器的污垢清除，在停堆階段，通過電動(dòng)調(diào)速泵及旁路調(diào)節(jié)閥，利用一定濕度的濕蒸汽對(duì)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)進(jìn)行清洗，以清除二次污垢。

1.2.2 主給水調(diào)節(jié)方式

因模塊式小型堆蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水裝量少，瞬態(tài)性能差，需控制系統(tǒng)的響應(yīng)足夠快，以保證二回路的定壓運(yùn)行方式要求，同時(shí)沒有設(shè)置蒸汽發(fā)生器水位測(cè)量，因此模塊式小型堆給水系統(tǒng)不能像其他飽和式蒸汽發(fā)生器那樣，利用蒸汽發(fā)生器水位對(duì)給水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。模塊式小型堆主給水系統(tǒng)通過如下兩個(gè)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)給水流量，實(shí)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)出口蒸汽壓力恒定和對(duì)應(yīng)負(fù)荷的給水流量需求值：

1）給水泵轉(zhuǎn)速控制

給水泵的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)用于維持蒸汽發(fā)生器二次側(cè)出口蒸汽壓力恒定。通過二次側(cè)蒸汽目標(biāo)壓力值P0和二次側(cè)蒸汽測(cè)量壓力值P比較，產(chǎn)生主給水泵轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，其原理如圖5所示。

2）主給水調(diào)節(jié)閥控制

主給水調(diào)節(jié)閥用于蒸汽發(fā)生器最低穩(wěn)定運(yùn)行功率以上的給水流量自動(dòng)調(diào)節(jié)。首先通過蒸汽流量測(cè)量信號(hào)與蒸汽流量-負(fù)荷曲線比較，產(chǎn)生一個(gè)蒸汽流量需求值，然后該需求值與給水流量信號(hào)比較，產(chǎn)生給水流量信號(hào)去控制主給水流量調(diào)節(jié)閥，其原理如圖6所示。

1.2.3 與其他類型機(jī)組二回路給水泵配置的對(duì)比endprint

表1給出了不同類型機(jī)組二回路給水泵配置方式比較。

從在建的三代核電站AP1000和EPR1000二回路給水泵的配置可以看出，目前三代核電站二回路給水泵的配置方式并不唯一。模塊式小型堆作為固有安全性與三代核電站相當(dāng)?shù)男⌒秃穗娬荆涠芈方o水泵配置也體現(xiàn)了其本身的特點(diǎn)，由于蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，二回路固有的瞬態(tài)響應(yīng)能力較飽和式蒸汽發(fā)生器而言較差，同時(shí)二回路的定壓運(yùn)行方式對(duì)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)能力要求增加，因此模塊式小型堆采用2×50%容量汽動(dòng)調(diào)速泵為主給水泵、2×25%容量電動(dòng)調(diào)速泵為啟動(dòng)給水泵的配置方式，通過泵調(diào)節(jié)+閥調(diào)節(jié)的方式，能較好符合模塊式小型堆機(jī)組啟動(dòng)要求和二回路給水系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)要求。同時(shí)為提高啟動(dòng)給水泵的利用率（兩臺(tái)啟動(dòng)給水泵僅在反應(yīng)堆啟動(dòng)和停堆過程使用），考慮將兩臺(tái)電動(dòng)調(diào)速泵作為主給水泵的備用泵，這樣即不降低整個(gè)核電機(jī)組安全性經(jīng)前提下，減少了整個(gè)模塊式小型堆給水系統(tǒng)泵的數(shù)量，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

2 問題分析

通過上述分析，可以得出對(duì)于模塊式小型堆核電機(jī)組，二回路給水系統(tǒng)采用2×50%容量汽動(dòng)調(diào)速泵為主給水泵、2×25%容量電動(dòng)調(diào)速泵為啟動(dòng)給水泵的配置方式，滿足模塊式小型堆核電機(jī)組的運(yùn)行特性要求，同時(shí)統(tǒng)籌考慮二回路給水泵的設(shè)置，不設(shè)置專門的備用主給水泵，而是充分利用二回路已存在的其他給水泵，作為主給水泵的備用泵，這即可保證機(jī)組的安全性不降低也能保證單臺(tái)泵故障后機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性不降低。但是，這種配置方式存在以下問題：

1）由于采用小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵，小汽輪機(jī)本身帶有抽汽管道、調(diào)節(jié)潤(rùn)滑油系統(tǒng)、前置泵減速機(jī)構(gòu)、小汽輪機(jī)汽封系統(tǒng)、疏水放汽系統(tǒng)以及小汽輪機(jī)排汽管道等，同時(shí)汽動(dòng)給水泵及其相關(guān)系統(tǒng)占地面積大約是電動(dòng)給水泵的2倍、占用空間高度至少是電動(dòng)給水泵的3倍，這些不利因素將導(dǎo)致汽動(dòng)調(diào)速給水泵投資費(fèi)用比電動(dòng)調(diào)速給水泵投資費(fèi)用高出許多。

2）目前我國(guó)核電機(jī)組容量占整個(gè)電力裝機(jī)容量的比例較小，同時(shí)模塊式小型堆機(jī)組為小型核電站，機(jī)組的發(fā)電量較小，可不用考慮其參加電網(wǎng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)，因此可以考慮采用電動(dòng)定速主給水泵+調(diào)速啟動(dòng)給水泵的配制方式，進(jìn)一步優(yōu)化模塊式小型堆給水泵的設(shè)置方式。

3 結(jié)論

通過上述分析，可知對(duì)于模塊式小型堆核電機(jī)組，二回路給水系統(tǒng)采用2×50%容量汽動(dòng)調(diào)速泵為主給水泵、2×25%容量電動(dòng)調(diào)速泵為啟動(dòng)給水泵的配置方式，滿足機(jī)組的運(yùn)行特性要求，能較好符合機(jī)組啟動(dòng)要求和二回路給水系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)要求，同時(shí)統(tǒng)籌考慮二回路給水泵的設(shè)置，不設(shè)置專門的備用主給水泵，而是充分利用二回路已存在的其他給水泵，作為主給水泵的備用泵，這即可保證機(jī)組的安全性不降低也能保證單臺(tái)泵故障后機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性不降低。但是從經(jīng)濟(jì)上分析，采用汽動(dòng)調(diào)速主給水泵，較電動(dòng)調(diào)速給水泵而言，對(duì)常規(guī)島廠房占地面積、初期投資都存在一定改進(jìn)的空間，需要進(jìn)行安全性、技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析后決定是否改用電動(dòng)調(diào)速給水泵或采用電動(dòng)定速主給水泵+調(diào)速啟動(dòng)給水泵的配制方式。

[責(zé)任編輯：田吉捷]endprint