核電廠總參數(shù)平衡計(jì)算方法研究

摘要：核電廠總參數(shù)設(shè)計(jì)主要工作是確定影響核電廠安全性與經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)，總參數(shù)選取是否合適對核電廠安全、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生直接影響。文章給出了核電廠總參數(shù)設(shè)計(jì)范圍，進(jìn)而闡述了總參數(shù)確定的原理與方法。

關(guān)鍵詞：核電廠；安全性；經(jīng)濟(jì)性；總參數(shù)；平衡計(jì)算

中圖分類號：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）17-0116-03

新建核電廠需要將對核電廠安全性、經(jīng)濟(jì)性等產(chǎn)生重要影響的參數(shù)確定下來，同樣核電廠研發(fā)設(shè)計(jì)也需要確定這些具有重大影響的參數(shù)，這就需要開展總參數(shù)設(shè)計(jì)與平衡計(jì)算工作。核電廠總參數(shù)是表征核電廠在安全可靠性、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性、運(yùn)行合理性、技術(shù)先進(jìn)性的設(shè)計(jì)指標(biāo)，是指導(dǎo)整個設(shè)計(jì)工作的綱要和完成的目標(biāo)。因此，總參數(shù)選取是否合適直接決定運(yùn)行核電廠的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定。

本文結(jié)合三代核電廠EPR總參數(shù)平衡計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，確定通常情況下核電廠總參數(shù)的設(shè)計(jì)范圍，給出了核電廠總參數(shù)平衡計(jì)算原理與方法，并給出了典型核電廠一、二回路傳熱計(jì)算及總參數(shù)平衡計(jì)算算例。

1 核電廠總參數(shù)平衡計(jì)算簡介

核電廠總參數(shù)按照工 藝系統(tǒng)范圍可以劃分為：全廠性設(shè)計(jì)參數(shù)、核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)（NSSS）主要參數(shù)、汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要參數(shù)。核電廠總參數(shù)設(shè)計(jì)范圍廣、種類多、涉及專業(yè)面比較綜合，是一個需要多專業(yè)配合、反復(fù)迭代才能完成的工作。

對于核電廠翻版設(shè)計(jì)，一般情況下新設(shè)計(jì)核電廠與參考電廠相比，核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的主要參數(shù)是相同的，汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要參數(shù)（如：循環(huán)冷卻水溫度）由于TG供應(yīng)商的差異及廠址條件的變化可能會發(fā)生改變，相應(yīng)的全廠性設(shè)計(jì)參數(shù)也會發(fā)生變化。對于研發(fā)性設(shè)計(jì)過程，就需要重新對核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行平衡計(jì)算，在假定某些參數(shù)（即獨(dú)立參數(shù)）或確定某些設(shè)計(jì)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，逐步計(jì)算其他參數(shù)。例如：在核電廠電功率水平已知的情況下，借鑒以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以初步確定NSSS熱功率范圍，進(jìn)而平衡計(jì)算一回路主要參數(shù)以及二回路（蒸汽做功回路）、三回路（循環(huán)冷卻水回路）主要參數(shù)，通過反復(fù)迭代最終確定設(shè)計(jì)總參數(shù)。

2 核電廠總參數(shù)確定原理與方法

2.1 核電廠總參數(shù)范圍

核電廠主工藝系統(tǒng)包括：核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)（NSSS）、汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（TG）和電廠配套設(shè)施（BOP）。按照工藝系統(tǒng)范圍，一般來說核電廠總參數(shù)包括：全廠性設(shè)計(jì)參數(shù)、核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)（NSSS）主要參數(shù)、汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要參數(shù)，詳見表1。

除以上參數(shù)外，核電廠總參數(shù)還包括全廠性設(shè)計(jì)目標(biāo)，如：電廠可用率、電廠設(shè)計(jì)壽期、換料周期、堆芯損壞頻率（CDF）、大量放射性早期釋放頻率（LERF）、堆芯熱工裕量、建造周期、比投資等。這些參數(shù)，有些是業(yè)主對建設(shè)電廠的要求，有些是安全衡量指標(biāo)，還有一些是經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。由于總參數(shù)平衡計(jì)算主要研究方向是與熱工水力計(jì)算相關(guān)的參數(shù)，因此，這類參數(shù)不作為平衡計(jì)算的參數(shù)范圍。

2.2 核電廠總參數(shù)確定原理與方法

2.2.1 全廠性設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。業(yè)主方對建設(shè)核電廠的要求，在開展總參數(shù)設(shè)計(jì)工作時，投資方往往在建設(shè)周期、建成價、比投資、換料周期、電廠設(shè)計(jì)壽命、電廠效率、電廠可用率以及涉及到業(yè)主以后在運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)方面可能遇到的問題會提出要求，在進(jìn)行總參數(shù)設(shè)計(jì)時需要進(jìn)行綜合考慮，選取合適的全廠性設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)。

堆型選型方面，目前核電廠所選擇的堆型主要有：壓水型核電廠、沸水型核電廠、重水型核電廠、高溫氣冷型核電廠、快中子增值型核電廠等。核電廠反應(yīng)堆的堆型將確定電廠工藝流程、系統(tǒng)和設(shè)備、控制方式、運(yùn)行方式、核燃料利用和燃料管理方式以及廠房布置等各方面的特性，國內(nèi)核電廠以壓水堆為主，也包括重水堆。

電功率，根據(jù)電廠的總電功率輸出要求，可以初步推算核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)（NSSS）的熱輸出、反應(yīng)堆堆芯的核熱功率輸出、汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換效率、電廠的廠用電消耗等。進(jìn)行全廠能量轉(zhuǎn)換和能量平衡的初算，進(jìn)而通過各階段設(shè)計(jì)得出電廠有關(guān)的性能參數(shù)。

2.2.2 核電廠一、二、三回路主要參數(shù)確定原理與方法。核電廠一、二、三回路主要參數(shù)確定包括核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)以及循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要參數(shù)確定的基本原理與計(jì)算方法。在滿足各方面設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求的前提下，通過熱力計(jì)算可以確定核電廠的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，通過不斷的反復(fù)迭代計(jì)算和優(yōu)化，最終確定一套最佳值。

（1）核電廠穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方案選擇：核電廠穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方案主要有以下幾種類型：二回路蒸汽壓力Psg恒定方案；冷卻劑平均溫度Tav恒定方案；冷卻劑出口溫度Th恒定方案；冷卻劑平均溫度Tav程序方案。目前，壓水堆核電廠運(yùn)用較為廣泛的是冷卻劑平均溫度Tav程序方案，該方案中冷卻劑平均溫度隨出力成線性變化的程序運(yùn)行方式是一種熱和機(jī)械制約之間的折衷方案。例如CPR1000核電廠兼顧一、二回路承受的負(fù)擔(dān)選用Tav程序方案；EPR核電廠采用在不同的出力范圍分別固定Tav、Psg的程序方案。

（2）壓水堆核電廠一、二、三回路主要參數(shù)確定的基本原理。壓水堆核電廠一、二、三回路參數(shù)是相互制約的，例如：壓水堆核電廠可以通過提高二回路蒸汽初參數(shù)來提高電廠效率或者可以提高一次側(cè)冷卻劑溫度，但這受到反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的限制；另一種方法是減小蒸汽發(fā)生器中一、二次側(cè)之間的對數(shù)平均溫差，總的傳熱量正比于傳熱面積與對數(shù)平均溫差的乘積，即需要增加蒸汽發(fā)生器傳熱面積，從而提高電廠投資。恰當(dāng)?shù)仄胶庖弧⒍芈穮?shù)可使發(fā)電成本最低。

冷卻劑工作壓力：壓水堆核電廠提高一回路系統(tǒng)的壓力可以使二回路得到較高的蒸汽初參數(shù)（壓力及溫度），從而提高整個壓水堆核電廠的效率。但是，目前壓水堆一般都是采用鋯合金作包殼，考慮到鋯合金的耐腐蝕性及強(qiáng)度，則溫度不能太高。同時，如果反應(yīng)堆出口溫度或平均溫度不變，則提高冷卻劑工作壓力就增加了欠熱度，使熱工裕量增大。但是在一回路管道破裂所引起的冷卻劑喪失事故中，冷卻劑工作壓力越高，則造成的事故就越嚴(yán)重。因此，一回路系統(tǒng)壓力的確定需要全面綜合考慮。目前壓水堆核電廠的冷卻劑的工作壓力一般選取15.5MPa（abs）。

冷卻劑流量：在一定的熱功率下，加大流量可以減小反應(yīng)堆的進(jìn)出口溫差。因此，若反應(yīng)堆進(jìn)出口平均溫度一定，則出口溫度下降，增大了反應(yīng)堆的熱工安全性，若出口溫度一定，則冷卻劑的平均溫度提高，這樣在蒸汽發(fā)生器傳熱面積一定的條件下，使二回路蒸汽初參數(shù)提高，從而提高整個壓水堆核電廠的效率。但是，隨著冷卻劑流量的增大，泵功率與流量的立方成正比，使泵功耗急劇增加。決定冷卻劑流量最關(guān)鍵因素是選取的主泵特性與一回路管路特性，還包括管路內(nèi)部冷卻劑溫度分布以及管路布置情況與高度差。反應(yīng)堆冷卻劑流量是由一回路壓力損失和特定的主泵特性（主要指壓頭流量曲線）確定，即在考慮一回路冷卻劑溫度及壓力工況下，反應(yīng)堆冷卻劑泵壓頭及重力驅(qū)動壓頭（自然循環(huán)效果）與一回路摩擦壓力損失及局部壓力損失平衡的計(jì)算結(jié)果。壓水堆核電廠反應(yīng)堆冷卻劑流量工況包括：最佳估算流量（BE）、熱工水力流量（TH）、機(jī)械流量（ME）。圖1為流量壓力曲線確定三種工況的示意圖。

圖1 流量壓力曲線確定三種工況的示意圖

冷卻劑溫度：冷卻劑壓力、流量、溫度等熱工參數(shù)的關(guān)系是相互關(guān)聯(lián)的，選擇時需綜合考慮，若反應(yīng)堆熱功率一定，則冷卻劑壓力及流量一經(jīng)選定，反應(yīng)堆的進(jìn)出口溫度也就隨之而定。EPR核電廠堆芯出口溫度限制在330℃，主要考慮保證足夠的DNBR裕量。對于一回路壓力為15.5MPa時，對應(yīng)的飽和水溫度為345℃，只有保證一回路冷卻劑足夠的過冷度，才能確保堆芯安全。

汽輪機(jī)入口汽壓：壓水堆核電廠汽輪機(jī)高壓缸入口蒸汽為飽和蒸汽，其壓力提高，蒸汽飽和溫度相應(yīng)提高，從而提高了整個吸熱過程的平均溫度，在背壓不變的情況下，使得循環(huán)熱效率得到了提高。但是，汽輪機(jī)入口汽壓的提高，即蒸汽發(fā)生器內(nèi)二回路飽和壓力的提高，主要依靠一回路冷卻劑平均溫度的提高以及蒸汽發(fā)生器傳熱面積的增加和傳熱效果的提高，這些都是受制于工程實(shí)際條件。

凝汽器背壓：從熱力學(xué)上講，在汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽焓值不變的情況下，降低排汽壓力會加大汽輪機(jī)的焓降值，蒸汽可以充分膨脹做功，汽輪機(jī)的效率越高，機(jī)組出力也大。但是，背壓也不是越低越好，越低的背壓消耗抽氣功越大，汽輪機(jī)背壓的選取，應(yīng)該結(jié)合汽輪機(jī)的效率、綜合投資成本等多種因素來確定。

設(shè)計(jì)循環(huán)冷卻水溫度：循環(huán)水的溫度是蒸汽循環(huán)中排汽溫度的理論極限，實(shí)際排汽溫度tc的技術(shù)極限計(jì)算公式為：

tc=t2+?t+δt

式中：

t2——循環(huán)水溫度

?t——循環(huán)水進(jìn)出口溫升

δt——傳熱端差

3 核電廠總參數(shù)平衡計(jì)算案例分析

本節(jié)將以穩(wěn)態(tài)工況下一、二回路換熱計(jì)算為例給出核電廠總參數(shù)平衡計(jì)算案例?？倕?shù)平衡計(jì)算根據(jù)不同需求運(yùn)用熱工、流體理論以及計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算技術(shù)可以得到各種表現(xiàn)形式的實(shí)際應(yīng)用案例。本文以核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算為例闡述一、二回路穩(wěn)態(tài)工況下?lián)Q熱計(jì)算公式及計(jì)算案例。

一回路反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量通過蒸汽發(fā)生器傳遞給二回路，生成飽和蒸汽，進(jìn)而推動汽輪機(jī)做功。其熱量傳遞關(guān)系見圖2。

首先，選定堆型與電功率，反應(yīng)堆功率就可以初步推算得到。其次，假定蒸汽發(fā)生器和主泵已經(jīng)進(jìn)行了初步選型，則計(jì)算方程式（3）中的傳熱面積與傳熱系數(shù)可以初步確定，即通過計(jì)算方程式（3）可以得到Thot、Tcold、Tsat之間的對應(yīng)關(guān)系式，也就是建立了一回路冷卻劑進(jìn)出口溫度與二回路生成飽和蒸汽的飽和溫度之間的關(guān)系式。結(jié)合方程式（1）、（4），可以得出Tav與Tsat之間的關(guān)系。在假定給水溫度已知的情況下，通過計(jì)算方程式（2）可以得到Msteam。

對于一、二回路給出以下已知參數(shù)：

一回路參數(shù)：（1）SG熱功率：1000MWth；（2）一回路體積流量：20000m3/h（每個SG）；（3）Tcold：280℃；（4）一回路壓力：15.5MPa。

二回路參數(shù)：（1）二回路給水溫度：220℃；（2）SG傳熱系數(shù)：8000w/（m2×℃）；（3）SG傳；（4）熱面積：6000m2。

以上已知參數(shù)計(jì)算可以得到：（1）熱管段溫度為322℃；（2）飽和蒸汽溫度為274℃；（3）蒸汽流量為542kg/s。

4 結(jié)語

核電廠總參數(shù)設(shè)計(jì)工作在整個核電廠設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的，核電廠的安全性、經(jīng)濟(jì)性在一定程度上取決于選取合適的總參數(shù)。本文給出了核電廠總參數(shù)范圍以及核電廠全廠性參數(shù)與一、二、三回路參數(shù)確定的原理與方法。核電廠總參數(shù)平衡計(jì)算運(yùn)用熱工、流體力學(xué)基本理論以及數(shù)值分析技術(shù)建立實(shí)際計(jì)算模型，本文給出了穩(wěn)態(tài)工況下一、二回路換熱計(jì)算案例，根據(jù)實(shí)際需求，建立合適的計(jì)算模型及工具可以解決紛繁復(fù)雜的實(shí)際工程問題，并得到期望的計(jì)算結(jié)果。

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作者簡介：王建生（1981—），男，江蘇南通人，深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司工程師，碩士，研究方向：核電廠總體安全。