中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆主蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析研究

紀(jì)西勝，吳 強(qiáng)，牛敬娟

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413）

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆（CEFR）三回路主要是將堆芯產(chǎn)生的熱量通過(guò)一、二回路帶出，推動(dòng)汽輪機(jī)做功，將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能［1］，實(shí)現(xiàn)發(fā)電；在停機(jī)或事故情況下，保證核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的冷卻。為了實(shí)現(xiàn)以上功能，汽輪機(jī)系統(tǒng)主要由實(shí)現(xiàn)把熱能向電能轉(zhuǎn)換的主體——主蒸汽及給水加熱系統(tǒng)，以及為了保證設(shè)備正常運(yùn)行、提高運(yùn)行效率而配備的一些輔助系統(tǒng)組成。

主蒸汽系統(tǒng)的作用是將蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽送至汽輪機(jī)發(fā)電；當(dāng)蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽不能滿足汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)要求或汽輪機(jī)停機(jī)時(shí)，將蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)旁路排放閥排放至冷凝器（凝汽器）；該系統(tǒng)還承擔(dān)著蒸汽發(fā)生器超壓保護(hù)的作用，當(dāng)主蒸汽壓力升高的時(shí)候，通過(guò)旁路排放閥，大氣釋放閥，安全閥的依次開(kāi)啟，保證蒸汽發(fā)生器的安全；還通過(guò)減溫減壓器向輔助蒸汽系統(tǒng)提供汽源。主蒸汽疏水管道把主蒸汽系統(tǒng)的凝結(jié)水排放到疏水系統(tǒng)。

然而在CEFR調(diào)試期間，由于主蒸汽系統(tǒng)閥門操作不當(dāng)而引起的停堆已經(jīng)發(fā)生過(guò)兩次，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)也增加了運(yùn)行成本，實(shí)際中操縱員只能手動(dòng)去操作閥門，也增加了其操作過(guò)程的不安全性。

1 主蒸汽系統(tǒng)

1．1 主蒸汽系統(tǒng)問(wèn)題描述

自主蒸汽系統(tǒng)投入以來(lái)，連接蒸汽發(fā)生器（蒸發(fā)器）和主蒸汽母管上的電動(dòng)閥門F01104，F(xiàn)01204，F(xiàn)01119，F(xiàn)01219均不同程度地出現(xiàn)閥門不嚴(yán)密，閥桿漏汽等現(xiàn)象。閥門F01119和F01219在投入過(guò)熱器進(jìn)行反暖的初期只能手動(dòng)開(kāi)啟，操縱員有可能被蒸汽燙傷的風(fēng)險(xiǎn)，并且在快堆發(fā)電前期分別于2011年6月9日和7月2日，兩次因F01119和F01219手動(dòng)操作引起停堆。圖1是主蒸汽流程簡(jiǎn)圖。

圖1 主蒸汽系統(tǒng)流程圖Fig．1 The main steam system flow diagram

1．2 原因分析

由于主蒸汽母管長(zhǎng)期閑置，與其連接的閥門部分零件出現(xiàn)失效或者在高溫高壓下出現(xiàn)疲勞損傷，導(dǎo)致閥門靈敏度、控制精度不高等缺陷。在汽水轉(zhuǎn)換、過(guò)熱器反暖階段，操縱員通過(guò)電腦發(fā)出的指令，經(jīng)常出現(xiàn)電動(dòng)閥門開(kāi)度過(guò)大，閥門前后間的溫差較大，使得通過(guò)的蒸汽瞬間凝結(jié)，壓力變小，造成了現(xiàn)場(chǎng)管道振動(dòng)劇烈，監(jiān)控畫面壓力波動(dòng)較大等現(xiàn)象，所以觸發(fā)停堆。兩次停堆表明，操縱員在操作過(guò)程中電動(dòng)閥門開(kāi)啟過(guò)大是引起反應(yīng)堆壓力低保護(hù)動(dòng)作的直接原因。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，由于該電動(dòng)閥門所在管道直徑為97 mm，原有系統(tǒng)設(shè)計(jì)為全開(kāi)全關(guān)閥門，系統(tǒng)無(wú)法對(duì)反暖蒸汽進(jìn)行低流量調(diào)節(jié)，無(wú)法減緩蒸發(fā)器出口壓力波動(dòng)是導(dǎo)致意外停堆的根本原因。

2 旁路管道的設(shè)計(jì)

2．1 設(shè)計(jì)的目的

主蒸汽旁路管道設(shè)計(jì)目的：

1）避免因操作F01104，F(xiàn)01204，F(xiàn)01119，F(xiàn)01219出現(xiàn)閥門不嚴(yán)密，閥桿漏汽等現(xiàn)象；

2）在投入過(guò)熱器前進(jìn)行反暖操作的工藝下，通過(guò)設(shè)計(jì)的旁路提供小股蒸汽流量對(duì)過(guò)熱器進(jìn)行反暖；同時(shí)在打開(kāi)主蒸汽隔離閥前先打開(kāi)此閥門可均衡主蒸汽隔離閥兩側(cè)壓力，減小F01104，F(xiàn)01204，F(xiàn)01119，F(xiàn)01219四個(gè)電動(dòng)閥門的前后壓差，便于主蒸汽隔離閥的開(kāi)啟；

圖2 主蒸汽旁路管道立體圖Fig．2 Stereo diagram of the main steam bypass pipeline

3）設(shè)計(jì)的旁路管道上閥門操作方便，并且安全可靠。

2．2 具體方案

主蒸汽旁路管道設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

水汽工況轉(zhuǎn)換后、過(guò)熱器反暖時(shí)的運(yùn)行參數(shù)如下：

蒸汽發(fā)生器出口壓力P1＝7 MPa，溫度T＝290℃，單環(huán)路給水流量保護(hù)定值Q＝3．36 t／h，同時(shí)為了便于對(duì)旁路的操作和控制，在每條管道上加裝節(jié)流孔板，手動(dòng)截止閥和高壓電動(dòng)閥門。

2．2．1 節(jié)流孔板尺寸的確定

為了防止旁路閥門突然打開(kāi)，使得主蒸汽壓力降低而引發(fā)停堆，在旁路管道上加設(shè)節(jié)流裝置。節(jié)流裝置設(shè)計(jì)的一個(gè)重要準(zhǔn)則是在液體流動(dòng)過(guò)程中最后通徑截面變窄的狹小截面內(nèi)不發(fā)生汽蝕現(xiàn)象［2］。當(dāng)孔板前后壓差小于阻塞壓差時(shí)，水流過(guò)孔板不會(huì)發(fā)生汽蝕。

式中：P1為孔板進(jìn)口壓力，7 MPa；Pc為水的熱力學(xué)臨界壓力，取22．5 MPa；km為孔板經(jīng)驗(yàn)值，一般取0．8；P1c孔板前水的溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力，查表得7．5 MPa，

代入數(shù)據(jù)求得：

這里取孔板后壓力為6．5 MPa，則孔板前后壓差ΔP＝0．5 MPa＜ΔPm，汽蝕不會(huì)發(fā)生，選取單級(jí)孔板即可。

根據(jù)《發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL／T5054-1996）的相關(guān)規(guī)定［3，4］，水管的節(jié)流孔板孔徑按下式計(jì)算：

式中：dk為節(jié)流孔板的孔徑，mm；Q為通過(guò)孔板的流量，取＝3．36 t／h；ρ為水的密度，查表得ρ＝740 kg／m3，代入數(shù)據(jù)求得：

考慮到加工配件的方便，工程選取dk＝9 mm

2．2．2 旁路管道材質(zhì)、尺寸確定

參考主蒸汽母管、蒸汽發(fā)生器和過(guò)熱器疏水管道材質(zhì)和尺寸，確定旁路管道材質(zhì)為12Cr1Mo V，在100%額定工況下，旁路承壓＞14 MPa，參照主蒸汽母管的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確定旁路設(shè)計(jì)壓力16 MPa，設(shè)計(jì)溫度480℃，同時(shí)查表選取旁路管道管徑為φ30×5。

2．2．3 蒸汽發(fā)生器旁路管道壓損計(jì)算［5］

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，同時(shí)考慮便于安裝和操作，管線布置如圖3所示。

圖3 管線布置圖Fig．3 Layout of bypass pipeline

1）雷諾數(shù)的大小

式中：v是流體平均流速，m／s；υ是流體運(yùn)動(dòng)黏度，查表υ＝0．13×10－6m2／s。

代入數(shù)據(jù)求得：

2）沿程壓損的計(jì)算

單位長(zhǎng)度沿程壓損根據(jù)Darcy-Weisbach公式

根據(jù)雷諾數(shù)的計(jì)算，判斷出管道里的流體處于湍流區(qū)，由于管道采用的是無(wú)縫鋼管，取ε＝0．1 mm，根據(jù)Nikuradse公式

將數(shù)據(jù)代入求得1．6 m管長(zhǎng)的旁路管道沿程壓損Pf＝14 208 Pa。

3）局部壓損的計(jì)算

局部壓損是由于彎管、閥門等附件產(chǎn)生的漩渦和流體微團(tuán)的碰撞等造成的，壓損根據(jù)公式

式中：ζ為局部阻力系數(shù)，旁路管道共有2個(gè)閥門，2個(gè)彎管和2個(gè)變徑，計(jì)算得局部壓損Pm＝10 336 Pa。

設(shè)計(jì)的主蒸汽旁路管道計(jì)算總的壓損為0．025 MPa，如果按照節(jié)流孔板后的壓力為6．5 MPa，那么，經(jīng)過(guò)旁路到達(dá)主蒸汽母管壓力為6．475 MPa，壓損較小，在閥門開(kāi)啟過(guò)程中將對(duì)主蒸汽壓力波動(dòng)影響降至最低，設(shè)計(jì)合理。

2．3 特殊工況計(jì)算

在蒸汽發(fā)生器事故保護(hù)狀態(tài)下，當(dāng)給水電動(dòng)閥完全關(guān)閉時(shí)，設(shè)計(jì)的旁路還可以承擔(dān)將蒸汽發(fā)生器內(nèi)高壓水蒸氣泄壓至主蒸汽母管，再排放到凝汽器的功能，能防止蒸汽發(fā)生器內(nèi)壓力進(jìn)一步上升，提高了蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)的安全性能。

根據(jù)蒸汽發(fā)生器水氣轉(zhuǎn)換的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)給水泵、給水再循環(huán)和啟動(dòng)擴(kuò)容器前的電動(dòng)閥門調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)水氣轉(zhuǎn)換，在此工況下，單環(huán)路流量6 t／h，給水壓力10 MPa。

根據(jù)式（1）計(jì)算得ΔPm＝1．48 MPa，取經(jīng)過(guò)節(jié)流孔板后前后壓差0．5 MPa＜ΔPm，故在此壓力工況下不會(huì)引起孔板汽蝕。

CEFR給水流量設(shè)定保護(hù)限制是70%，即單環(huán)路限制流量4．2 t／h。假設(shè)水蒸氣完全通過(guò)旁路，則計(jì)算為管路的最大壓降。根據(jù)公式（3）、（4）、（5）計(jì)算得總的壓損為0．042 MPa。所以在特殊工況下，設(shè)計(jì)的旁路可以作為將水蒸氣通往主蒸汽母管的作用，且旁路管道壓降損失較小。

2．4 主蒸汽系統(tǒng)工藝的優(yōu)化

在采用上述的設(shè)計(jì)方案后，需要對(duì)快堆的水氣轉(zhuǎn)換工藝操作方法進(jìn)一步優(yōu)化，在9．45%核功率臺(tái)階下，蒸汽發(fā)生器出口過(guò)熱度維持在2～5℃，主蒸汽管的疏水都已基本是蒸汽的情況下，可緩慢開(kāi)啟旁路管道的手動(dòng)閥門，并密切注意監(jiān)控畫面的壓力波動(dòng)曲線，根據(jù)實(shí)際情況可操作開(kāi)啟旁路上的電動(dòng)閥門，待主蒸汽母管上壓力、溫度與蒸汽發(fā)生器出口一致后，再緩慢開(kāi)啟電動(dòng)閥門F01119，F(xiàn)01219。

過(guò)熱器管道反暖過(guò)程也是一樣，先開(kāi)啟旁路對(duì)電動(dòng)閥門F01104，F(xiàn)01204預(yù)暖，待閥門前后溫差較小時(shí)再將其打開(kāi)，以減小管道振動(dòng)。

3 結(jié)論

1）為避免手動(dòng)操作閥門引起停堆，本文設(shè)計(jì)了主蒸汽旁路管道，給出了具體設(shè)計(jì)方案，并計(jì)算了過(guò)熱器反暖和特殊工況下的壓力損失，計(jì)算表明旁路管道壓損較小，設(shè)計(jì)合理。

2）根據(jù)設(shè)計(jì)的主蒸汽旁路管道，優(yōu)化了主蒸汽系統(tǒng)的工藝流程，提出更加合理的操作方案。

3）設(shè)計(jì)的主蒸汽旁路管道在特殊工況下還可以承擔(dān)將蒸汽發(fā)生器內(nèi)高壓水蒸汽泄壓至主蒸汽母管，防止蒸汽發(fā)生器內(nèi)壓力進(jìn)一步上升，提高了蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)的安全性能。

［1］ 黃東興．中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆蒸汽動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)講義［R］．北京：中國(guó)原子能科學(xué)研究院，2002：16-20．

［2］ 張毅雄，毛慶，向文元，等．多級(jí)節(jié)流孔板在核級(jí)管道中的應(yīng)用［J］．核動(dòng)力工程，2009，（4）：71-73．

［3］ DL／T5054-1996，火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范［S］．

［4］ 陳娟．節(jié)流孔板在發(fā)電廠的應(yīng)用［J］．廣東電力，2004，（4）：46-48．

［5］ 孔瓏．工程流體力學(xué)［M］．北京：中國(guó)電力出版社，1998：112-117．