鈉冷快堆汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)可行性研究

姚 堯， 余 儼， 武方杰

(西安熱工研究院有限公司， 西安 710032)

汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)是核電廠在反應堆裝料前的一項重大機組聯(lián)合啟動試驗，旨在檢驗常規(guī)島汽輪機及各系統(tǒng)的安裝、調(diào)試質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)并消除潛在的各種問題[1-3]。核島施工工期相對常規(guī)島有所延后，為了避免常規(guī)島潛在的問題對反應堆核蒸汽沖轉(zhuǎn)啟動產(chǎn)生不良影響，在反應堆裝料前尚有充足時間窗口進行汽輪機首次沖轉(zhuǎn)試驗，從而實現(xiàn)核島和常規(guī)島調(diào)試進度的無縫對接，以便最大限度地合理利用調(diào)試工期[4-5]。

600 MW鈉冷快堆具有特殊的三回路熱力系統(tǒng)和直流式蒸汽發(fā)生器。鈉冷快堆的熱力系統(tǒng)比壓水堆更復雜，鈉冷快堆汽輪機的非核蒸汽沖轉(zhuǎn)涉及的熱力設備和過程也更復雜，因此壓水堆汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的模型不能適用于鈉冷快堆的計算。汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的關鍵點為：(1)明確非核蒸汽沖轉(zhuǎn)過程中反應堆和汽輪機的邊界條件；(2)準確計算反應堆可以利用的發(fā)熱功率，計算出汽輪機在額定轉(zhuǎn)速下的沖轉(zhuǎn)時間。

在借鑒壓水堆汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的經(jīng)驗和模型的基礎上，筆者對鈉冷快堆汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)相關的熱力系統(tǒng)建立簡單模型，并且通過熱平衡計算和熱力系統(tǒng)優(yōu)化，提供一種適用于鈉冷快堆汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的分析方法。

1 沖轉(zhuǎn)汽源

1.1 汽源的選擇

核電廠常用的非核蒸汽沖轉(zhuǎn)方式有2種，按照汽源的不同可分為采用反應堆一回路蓄熱的方法和采用輔助鍋爐供汽的方法，具體需要根據(jù)汽輪機沖轉(zhuǎn)參數(shù)的要求和反應堆的整體情況進行選擇[6]。

根據(jù)汽輪機廠家的資料，汽輪機沖轉(zhuǎn)蒸汽的最低參數(shù)要求為3.45 MPa、300 ℃的過熱蒸汽，本廠輔助鍋爐提供的最高蒸汽參數(shù)為2.0 MPa、280 ℃，輔助鍋爐蒸汽不滿足汽輪機沖轉(zhuǎn)的參數(shù)要求。因此，借鑒壓水堆汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的經(jīng)驗，利用反應堆一二回路蓄熱通過蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽進行汽輪機沖轉(zhuǎn)。

1.2 邊界條件

1.2.1 汽水回路邊界條件

汽輪機沖轉(zhuǎn)蒸汽的最低參數(shù)要求為3.45 MPa、300 ℃，汽輪機沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min所需要的主蒸汽(包括除氧器和高壓加熱器抽汽)質(zhì)量流量為106 788 kg/h。鈉冷快堆汽輪機沖轉(zhuǎn)曲線見圖1。

圖1 鈉冷快堆汽輪機沖轉(zhuǎn)曲線

各階段沖轉(zhuǎn)所需要的蒸汽流量見表1。

表1 汽輪機沖轉(zhuǎn)蒸汽流量

1.2.2 一二回路邊界條件

反應堆一二回路通過主泵做功和電加熱器加熱，最高溫度為358 ℃。鈉冷快堆一二回路的參數(shù)見表2。

表2 鈉冷快堆一二回路的參數(shù)

一二回路溫度變化速率的限值為30 K/h。沖轉(zhuǎn)蒸汽的最低溫度要求為300 ℃，考慮到一二和三回路的傳熱溫差，基于保守考慮將一二回路溫度最低降至318 ℃，可利用溫差為40 K。

2 熱平衡計算

2.1 熱力系統(tǒng)模型

鈉冷快堆共有3個回路，其中：一二回路工質(zhì)為液態(tài)金屬鈉，三回路為常規(guī)島汽水回路。根據(jù)鈉冷快堆具有3個回路的結(jié)構(gòu)特點，建立了非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的流程簡化模型[6-7]。鈉冷快堆一二回路和三回路非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的熱平衡模型見圖2。在此簡化模型的基礎上推算出鈉冷快堆的熱平衡計算公式。

圖2 鈉冷快堆汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)熱平衡模型

2.2 不含輔助鍋爐供汽的熱平衡計算

在簡化模型的基礎上，得到鈉冷快堆的熱平衡計算公式[6,8-9]為：

h汽qm, 汽=h凝qm, 凝+P泵+P鈉+P金+

P電-P散-P凈

(1)

P泵=P機·η

(2)

P鈉=c鈉m鈉V

(3)

P金=c金m金V

(4)

式中：h汽為汽輪機入口蒸汽比焓；qm,汽為汽輪機入口蒸汽質(zhì)量流量；h凝為凝結(jié)水比焓，取20 ℃對應的比焓；qm,凝為凝結(jié)水質(zhì)量流量；P機為一二回路主泵的電動機電功率；η為一二回路主泵的效率，取75%；P泵為一二回路主泵輸入功率；c鈉為鈉的比熱容，取1.23 kJ/(K·kg)；m鈉為一二回路鈉的總質(zhì)量，取2 491 t；V為一二回路的溫度變化速率；P鈉為一二回路鈉降溫輸出功率；c金為一二回路金屬設備的比熱容，取0.5 kJ/(K·kg)；m金為一二回路金屬設備的總質(zhì)量，取6 152.8 t；P金為一二回路金屬設備的輸出功率；P電為二回路的電加熱器功率；P散為一二回路和三回路的總散熱量，取1 200 kW；P凈為一二回路鈉凈化回路的損失熱量，取208 kW。

一二回路溫度變化速率為30 K/h時，汽輪機入口蒸汽質(zhì)量流量為86 586 kg/h(<109 180 kg/h)，即一回路蓄熱產(chǎn)生的蒸汽流量不滿足汽輪機沖轉(zhuǎn)的要求。

2.3 熱力系統(tǒng)優(yōu)化

考慮到除氧器抽汽的質(zhì)量流量高達33 328 kg/h，輔助鍋爐向除氧器和高壓加熱器提供1.9 MPa、274 ℃的輔助蒸汽以提高給水焓，同時將輔助蒸汽作為軸封供汽，減少反應堆蓄熱的消耗速率[10]。按照高壓加熱器出口設計的最高溫度考慮，除氧器出口飽和水溫度為210 ℃，蒸汽發(fā)生器入口給水溫度為230 ℃。

利用汽輪機分別在無抽汽時和抽汽至除氧器的工況下，將汽輪機所需蒸汽的焓降近似相等作為計算前提，得到的計算公式為：

W1=h汽qm,汽1-h排qm,排1-h抽qm,抽

(5)

W2=h汽qm,汽2-h排qm,排2

(6)

qm,汽1=qm,排1+qm,抽

(7)

qm,汽2=qm,排2

(8)

W1=W2

(9)

式中：W1為抽汽時汽輪機做功；W2為無抽汽時汽輪機做功；qm,汽1為抽汽時汽輪機入口蒸汽質(zhì)量流量；h排為汽輪機排汽比焓；qm,排1為有抽汽時汽輪機排汽質(zhì)量流量；h抽為汽輪機抽汽比焓；qm,抽為汽輪機抽汽質(zhì)量流量；qm,汽2為無抽汽時汽輪機正常沖轉(zhuǎn)所需最小蒸汽質(zhì)量流量；qm,排2為無抽汽時汽輪機排汽質(zhì)量流量。

計算得到無抽汽時汽輪機入口蒸汽質(zhì)量流量為74 686 kg/h，即將輔助蒸汽作為除氧器和高壓加熱器抽汽、軸封供汽，汽輪機沖轉(zhuǎn)過程中無抽汽，蒸汽質(zhì)量流量達到74 686 kg/h時滿足非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的需求。

2.4 輔助鍋爐供汽的熱平衡計算

將輔助蒸汽作為除氧器和高壓加熱器抽汽、軸封供汽后，根據(jù)熱平衡模型建立的熱平衡計算公式為：

h汽q′m,汽=h給qm,給+P泵+P鈉+P金+

P電-P散-P凈

(10)

h給qm,給=h凝qm,凝+h輔qm,輔-h疏qm,疏

(11)

q′m,汽=qm,給=qm,凝+qm,輔

(12)

式中：q′m,汽為無抽汽時可以提供給汽輪機最大蒸汽質(zhì)量流量；h給為蒸汽發(fā)生器入口給水比焓；qm,給為蒸汽發(fā)生器給水質(zhì)量流量；h輔為輔助蒸汽比焓；qm,輔為輔助蒸汽供給除氧器和高壓加熱器的質(zhì)量流量；h疏為高壓加熱器殼側(cè)蒸汽疏水比焓；qm,疏為高壓加熱器殼側(cè)蒸汽疏水質(zhì)量流量。

當一二回路溫度變化速率為30 K/h時，計算得到無抽汽時可以提供給汽輪機最大蒸汽質(zhì)量流量為125 111 kg/h(>74 686 kg/h)，即一回路蓄熱產(chǎn)生的蒸汽流量滿足汽輪機沖轉(zhuǎn)要求。輔助蒸汽總消耗質(zhì)量流量為25 877 kg/h，輔助鍋爐提供的最大蒸汽質(zhì)量流量為115 000 kg/h，遠大于汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)過程中所需的輔助蒸汽流量。

3 沖轉(zhuǎn)階段一二回路的溫度限制

計算反應堆一二回路溫度變化速率和反應堆一二回路溫度的變化，得到的結(jié)果見表3和圖3。

表3 反應堆一二回路溫度變化速率

圖3 反應堆一二回路溫度的變化

汽輪機沖轉(zhuǎn)至500 r/min的過程中，一二回路溫度有所上升，最高溫度為358.66 ℃，超過限值(358 ℃)。汽輪機沖轉(zhuǎn)前，一二回路溫度可以略低于358 ℃，以避免汽輪機沖轉(zhuǎn)初期用汽量較少時反應堆溫度過高。

汽輪機從0 r/min沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min需要95 min，一二回路溫度降低至318 ℃需要433 min。保守估算蒸汽發(fā)生器啟動汽水轉(zhuǎn)換工況需要約20 min，汽輪機在3 000 r/min額定轉(zhuǎn)速平臺可以持續(xù)運行318 min，鈉冷快堆汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)具有充足的時間裕量。

4 結(jié)語

(1) 將鈉冷快堆汽輪機的抽汽作為除氧器加熱汽源和軸封供汽時，在反應堆一二回路降溫速率的限制下，僅依靠一二回路蓄熱提供的蒸汽流量不能滿足汽輪機沖轉(zhuǎn)的需要。

(2) 引入輔助鍋爐的汽源作為除氧器和高壓加熱器抽汽、軸封供汽時，依靠反應堆一二回路蓄熱提供的蒸汽流量能夠滿足鈉冷快堆汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的需求。反應堆一二回路蓄熱能夠為汽輪機持續(xù)提供蒸汽433 min，鈉冷快堆汽輪機在3 000 r/min額定轉(zhuǎn)速平臺可以穩(wěn)定運行318 min。

所采用的模型為簡化模型，未考慮一二回路鈉充排過程、三回路金屬升溫、給水泵和凝結(jié)水泵對給水的焓升作用、汽輪機各平臺用汽量不同等因素的影響，存在一定誤差。但是，分析思路和計算過程可以作為更精細化的模型分析計算的基礎，同時為鈉冷快堆汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)提供參考。