中國實(shí)驗(yàn)快堆蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)工況研究

吳 強(qiáng)，紀(jì)西勝，牛敬娟，張煥旗，謝海昕

（中國原子能科學(xué)研究院快堆研究設(shè)計(jì)所，北京 102413）

中國實(shí)驗(yàn)快堆蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)工況研究

吳 強(qiáng)，紀(jì)西勝，牛敬娟，張煥旗，謝海昕

（中國原子能科學(xué)研究院快堆研究設(shè)計(jì)所，北京 102413）

中國實(shí)驗(yàn)快堆蒸汽發(fā)生器為直流式，啟動(dòng)方式與壓水堆核電廠的有較大區(qū)別，啟動(dòng)過程較為復(fù)雜。本文對中國實(shí)驗(yàn)快堆蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)工況進(jìn)行了研究，并將運(yùn)行參數(shù)與理論設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，運(yùn)行參數(shù)理論計(jì)算值與試驗(yàn)值基本吻合。提出了蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)運(yùn)行的優(yōu)化方案，以指導(dǎo)運(yùn)行人員操作，有效地保障了中國實(shí)驗(yàn)快堆功率運(yùn)行試驗(yàn)的開展。

中國實(shí)驗(yàn)快堆；直流式；蒸汽發(fā)生器；啟動(dòng)工況

中國實(shí)驗(yàn)快堆（CEFR）的主要系統(tǒng)設(shè)置和物理參數(shù)選擇與大型快堆電站相同。實(shí)驗(yàn)快堆充分利用固有安全性并采用多種非能動(dòng)安全技術(shù)，無需廠外應(yīng)急，安全性已達(dá)到第4代核能系統(tǒng)的要求［1］。直流式蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)過程中水汽兩相自由液面尚無監(jiān)測手段，所以快堆蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)初期相比壓水堆更易出現(xiàn)水動(dòng)力不穩(wěn)定現(xiàn)象，系統(tǒng)運(yùn)行操作較為困難。因此，為避免在啟動(dòng)過程中觸發(fā)系統(tǒng)保護(hù)參數(shù)，須優(yōu)化啟動(dòng)參數(shù)，探索最佳運(yùn)行方式。本文在CEFR多次啟動(dòng)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)工況進(jìn)行詳細(xì)分析，闡述啟動(dòng)方式優(yōu)化后的影響和成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 蒸汽發(fā)生器功率啟動(dòng)

CEFR主熱傳輸系統(tǒng)采用鈉-鈉-水三回路布置形式，其設(shè)計(jì)熱功率為65 MW，電功率為20 MW。三回路系統(tǒng)的工作流程為：除氧器190℃給水經(jīng)給水泵升壓后送入蒸汽發(fā)生器，吸收核熱后轉(zhuǎn)變成壓力為14 MPa、溫度為480℃的過熱蒸汽，進(jìn)入汽輪機(jī)做功；乏蒸汽進(jìn)入凝汽器被循環(huán)水冷卻后，冷凝水經(jīng)凝結(jié)水泵及升壓泵升壓，在低壓加熱器中連續(xù)吸收汽輪機(jī)抽汽熱量，進(jìn)入除氧器持續(xù)被加熱至190℃，實(shí)現(xiàn)三回路水和蒸汽的閉式循環(huán)。蒸汽發(fā)生器作為主熱傳輸系統(tǒng)中三回路系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對于保證電站的負(fù)荷因子有著非常重要的意義。CEFR主熱傳輸系統(tǒng)簡圖示于圖1。

圖1 CEFR主熱傳輸系統(tǒng)簡圖Fig.1 Sketch of main thermal transmission system for CEFR

CEFR蒸汽發(fā)生器為直流式蒸發(fā)結(jié)構(gòu)，由蒸發(fā)器模塊和過熱器模塊組成（圖2），雙環(huán)路、直管立式布置，鈉走殼程，水／蒸汽走管程［2］。依據(jù)CEFR調(diào)試大綱，在蒸汽發(fā)生器事故保護(hù)系統(tǒng)靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)束后，三回路系統(tǒng)具備啟動(dòng)條件即可進(jìn)行蒸汽發(fā)生器熱態(tài)水沖洗工作。蒸汽發(fā)生器熱態(tài)水沖洗工作結(jié)束后，反應(yīng)堆具備了功率啟動(dòng)的先決條件。

圖2 蒸汽發(fā)生器模塊示意圖Fig.2 Sketch of steam generator module

2 蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)工況物理參數(shù)分析

2.1 啟動(dòng)工況簡介

快堆蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)工況涉及反應(yīng)堆功率為0～40%Pn（Pn為額定功率），包含蒸發(fā)器暖管、蒸發(fā)器水工況、蒸發(fā)器水汽轉(zhuǎn)換、過熱器暖管、過熱器汽工況和蒸汽發(fā)生器發(fā)電工況等物理過程［3］。除蒸發(fā)器水工況與一般電站啟動(dòng)調(diào)試過程類似外，其余物理過程均有工藝控制特殊要求。

在熱態(tài)水沖洗階段，反應(yīng)堆尚未啟動(dòng)，三回路系統(tǒng)利用啟動(dòng)鍋爐將除氧器加熱至190℃，進(jìn)行水回路沖洗工作。水質(zhì)合格后，利用啟動(dòng)鍋爐蒸汽對蒸發(fā)器出口管道進(jìn)行預(yù)暖，以避免管道振動(dòng)及水擊。

蒸發(fā)器水工況（0～9.45%Pn）運(yùn)行過程為：蒸發(fā)器暖管完成后進(jìn)行蒸發(fā)器注水，再啟動(dòng)反應(yīng)堆并提升功率至水汽轉(zhuǎn)換點(diǎn)進(jìn)行水汽轉(zhuǎn)換，蒸發(fā)器進(jìn)入水汽兩相區(qū)工作狀態(tài)。其循環(huán)流程為：凝汽器→凝泵→升壓泵→軸封加熱器→1＃、2＃、3＃低壓加熱器→除氧器→給水泵→高壓給水母管→蒸發(fā)器模塊→啟動(dòng)擴(kuò)容器→高疏→凝汽器，如圖3所示。

蒸發(fā)器汽工況（9.45%Pn～14%Pn）運(yùn)行過程為：水汽轉(zhuǎn)換完成后，將蒸發(fā)器模塊出口引出蒸汽至主蒸汽母管，投入旁排閥，建立蒸發(fā)器微過熱蒸汽區(qū)工作狀態(tài)。其循環(huán)流程為：凝汽器→凝泵→升壓泵→軸封加熱器→1＃、2＃、3＃低壓加熱器→除氧器→給水泵→高壓給水母管→蒸發(fā)器模塊→主蒸汽母管→旁排管道→凝汽器。

圖3 CEFR三回路系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow diagram of third circuit system for CEFR

過熱器汽工況（14%Pn）運(yùn)行過程為：繼續(xù)提升功率至14%Pn后，利用主蒸汽內(nèi)管道蒸汽對過熱器模塊出口連接管道進(jìn)行預(yù)暖，再投入過熱器模塊。其循環(huán)流程為：凝汽器-凝泵→升壓泵→軸封加熱器→1＃、2＃、3＃低壓加熱器→除氧器→給水泵→高壓給水母管→蒸發(fā)器模塊→過熱器模塊→主蒸汽母管→旁排管道→凝汽器。

蒸汽發(fā)生器發(fā)電工況（14%Pn～40%Pn）運(yùn)行過程為：提升功率至26.5%Pn臺(tái)階下，沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī)，逐步關(guān)小旁排閥，直至切除旁排管道，連續(xù)提升功率轉(zhuǎn)入發(fā)電工況運(yùn)行。其循環(huán)流程為：凝汽器→凝泵→升壓泵→軸封加熱器→1＃、2＃、3＃低壓加熱器→除氧器→給水泵→高壓給水母管→蒸發(fā)器模塊→過熱器模塊→主蒸汽母管→汽輪機(jī)→凝汽器。

2.2 數(shù)據(jù)來源

使用SAC-CFR軟件進(jìn)行蒸汽發(fā)生器理論計(jì)算分析，分析結(jié)果來源于文獻(xiàn)［4］。為從海量快堆功率運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)記錄中提煉出有效數(shù)據(jù)，本文參考國內(nèi)電站試驗(yàn)導(dǎo)則，確定試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效的原則是：反應(yīng)堆分別在一定功率臺(tái)階（試驗(yàn)選取3%Pn、8%Pn、14%Pn、18%Pn、32%Pn、35%Pn）連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行4 h以上；壓力、流量變化不超過2%；溫度變化范圍為－5～5℃。共處理有效數(shù)據(jù)2 000余個(gè)。

2.3 溫度分析

圖4示出蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)溫度曲線。從圖4可得到如下結(jié)論。

1）在反應(yīng)堆功率為0～14%Pn之間時(shí)，理論計(jì)算與實(shí)際運(yùn)行值吻合較好。但在汽水轉(zhuǎn)換工況后，過熱器出口蒸汽溫度、蒸發(fā)器出口蒸汽溫度與理論計(jì)算結(jié)果相差較大，其中，過熱器出口蒸汽溫度低于理論計(jì)算值約10℃，蒸發(fā)器出口蒸汽溫度高于理論計(jì)算值約25℃。進(jìn)一步的熱力分析結(jié)果表明，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因在于蒸發(fā)器出口過熱度控制較高，約60℃，導(dǎo)致二回路鈉循環(huán)的熱負(fù)荷集中在蒸發(fā)器模塊。由于鈉水式直流熱交換器的蒸發(fā)器出口過熱度是衡量蒸發(fā)器是否傳熱惡化的關(guān)鍵數(shù)據(jù)［5－7］，因此為避免蒸發(fā)器傳熱惡化，應(yīng)將蒸發(fā)器出口過熱度控制在5～25℃之間。

圖4 蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)溫度曲線Fig.4 Temperature curve of SG startup

2）給水溫度在±10℃偏差情況下，對蒸發(fā)器出口和過熱器出口溫度影響并不顯著。

3）理論溫度曲線表明，在26.5%Pn功率臺(tái)階下，蒸發(fā)器出口和過熱器出口溫度存在階躍現(xiàn)象，實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)均無法實(shí)現(xiàn)溫度突升。

2.4 壓力分析

圖5示出蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)壓力曲線。由圖5可得到如下結(jié)論。

圖5 蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)壓力曲線Fig.5 Pressure curve of SG startup

1）蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)壓力曲線與實(shí)際運(yùn)行曲線存在較大不同，特別是在反應(yīng)堆功率達(dá)26.5%Pn附近，實(shí)際蒸汽發(fā)生器壓力存在一近似于開口向上拋物線形狀。這是因?yàn)樵谒D(zhuǎn)換過程中，如瞬間降壓易引起系統(tǒng)壓力突變，故水汽轉(zhuǎn)換過程采用了緩慢降壓過程。在水汽轉(zhuǎn)換工況完成后，蒸汽發(fā)生器給水進(jìn)口壓力、蒸發(fā)器出口蒸汽壓力、過熱器出口蒸汽壓力曲線均吻合較好。

2）反應(yīng)堆功率達(dá)到26.5%Pn后，理論值與蒸汽發(fā)生器實(shí)際運(yùn)行值不同，其原因?yàn)橛捎谡羝l(fā)生器啟動(dòng)升壓速率和蒸發(fā)器出口過熱度的限制，壓力一直緩慢提升，以確保蒸汽發(fā)生器安全。

2.5 流量分析

圖6示出蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)蒸汽流量曲線。由圖6可到如下結(jié)論。

圖6 蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)蒸汽流量曲線Fig.6 Steam flow curve of SG startup

1）過熱器出口蒸汽流量運(yùn)行值曲線與過熱器出口蒸汽流量理論值曲線完全一致，約在反應(yīng)堆功率達(dá)26.5%Pn后，實(shí)際運(yùn)行中的過熱器蒸汽出口流量接近于蒸發(fā)器出口蒸汽流量。理論計(jì)算值與實(shí)際運(yùn)行值存在偏差的原因?yàn)椋豪碚撚?jì)算時(shí)，將過熱器與蒸發(fā)器視為同時(shí)投入運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行工況中，當(dāng)蒸發(fā)器出口產(chǎn)生微過熱蒸汽后，蒸發(fā)器內(nèi)已形成較為穩(wěn)定的汽水兩相工作區(qū)。再投入過熱器時(shí)，最大程度緩解了水變汽之后因?yàn)轶w積膨脹給三回路系統(tǒng)帶來的壓力沖擊。圖6也表明，蒸汽發(fā)生器工況計(jì)算中，蒸汽發(fā)生器水工況僅需單獨(dú)考慮蒸發(fā)器模塊投入（過熱器不投入），而在14%Pn功率臺(tái)階以上，蒸發(fā)器模塊和過熱器模塊才應(yīng)共同計(jì)算分析。

2）在反應(yīng)堆功率達(dá)30%Pn后，過熱器蒸汽出口流量實(shí)際運(yùn)行值與理論值較為接近，偏差產(chǎn)生的原因是，實(shí)際運(yùn)行工況中，在蒸發(fā)器出口進(jìn)入啟動(dòng)擴(kuò)容器有一股小流量蒸汽用于除氧器自身加熱（圖3），這導(dǎo)致了進(jìn)入過熱器的蒸汽流量低于蒸發(fā)器出口蒸汽流量。

3 蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)優(yōu)化措施

溫度分析結(jié)果表明，在14%Pn水平之上，由于運(yùn)行中蒸發(fā)器出口過熱度（約60℃）偏高，導(dǎo)致蒸發(fā)器和過熱器出口蒸汽溫度偏離設(shè)計(jì)值。因此，蒸汽發(fā)生器壓力在此工況下應(yīng)根據(jù)出口過熱度進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，及時(shí)投入過熱器及旁路排放系統(tǒng)，確保蒸發(fā)器模塊和過熱器模塊共同轉(zhuǎn)入汽工況穩(wěn)定運(yùn)行，將過熱度控制在5～25℃之間。

壓力分析結(jié)果表明，在蒸汽發(fā)生器注水后，蒸發(fā)器工作壓力不得低于6 MPa運(yùn)行。在蒸發(fā)器汽水工況轉(zhuǎn)換階段，采用給水泵轉(zhuǎn)速和給水調(diào)節(jié)閥共同調(diào)節(jié)降壓以平滑實(shí)現(xiàn)降壓汽化，降壓速率為0.1 MPa／min，降壓過程中需密切注意啟動(dòng)擴(kuò)容器壓力的波動(dòng)，防止水汽化瞬間引起壓力突增觸發(fā)系統(tǒng)安全閥動(dòng)作，以最大程度地確保蒸發(fā)器水動(dòng)力工況穩(wěn)定。由于快堆的直流式蒸汽發(fā)生器汽水工況轉(zhuǎn)換與一般電站不同之處在于采用降壓汽化，在蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)調(diào)試過程中試圖采用有別于降壓汽化的方法，即三回路系統(tǒng)維持狀態(tài)不變，反應(yīng)堆持續(xù)提升功率以使水系統(tǒng)進(jìn)入汽化狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，此種啟動(dòng)過程下，二回路鈉溫變化趨勢不顯著，三回路水汽轉(zhuǎn)換點(diǎn)形成較為模糊，且蒸汽發(fā)生器狀態(tài)易對運(yùn)行人員產(chǎn)生誤導(dǎo)。

流量分析結(jié)果表明，蒸汽發(fā)生器在汽工況下流量最小約為6 t／h，約為額定流量（48 t／h）的12%。低流量的設(shè)計(jì)對于運(yùn)行人員的工況調(diào)節(jié)提出了更高要求。為避免觸及反應(yīng)堆給水流量保護(hù)引發(fā)非計(jì)劃停堆，在過熱器暖管工況下，工藝控制應(yīng)遵照以下原則：1）兩環(huán)路并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，1個(gè)環(huán)路阻力變化會(huì)引起兩個(gè)環(huán)路流量重新分配，故疏水操作宜兩環(huán)路同時(shí)進(jìn)行；2）由于蒸發(fā)器模塊水側(cè)體積（0.37 m3）較小，任意與蒸發(fā)器模塊相連接的閥門動(dòng)作均易引起壓力的大幅波動(dòng)，故主蒸汽系統(tǒng)用于暖管的閥門應(yīng)手動(dòng)調(diào)節(jié)以控制最低預(yù)暖蒸汽流量；3）過熱器模塊和蒸發(fā)器模塊接通前應(yīng)充分預(yù)暖，過熱器內(nèi)蒸汽過熱度至少在5℃以上方可接通過熱器模塊。此外，在汽工況（14%Pn）至發(fā)電工況（40%Pn）之間，蒸發(fā)器出口至啟動(dòng)擴(kuò)容器段存在約5 t／h左右的蒸汽用于加熱除氧器，該工況下過熱器入口流量低于設(shè)計(jì)值，對過熱器換熱存在不利因素。這表明在功率啟動(dòng)過程中，應(yīng)減少在啟動(dòng)工況的停留時(shí)間，須盡快將啟動(dòng)工況轉(zhuǎn)換到發(fā)電工況，以將除氧器加熱熱源切換至正常汽輪機(jī)抽汽加熱狀態(tài)，保證蒸汽發(fā)生器運(yùn)行安全。

4 結(jié)論

CEFR直流式蒸汽發(fā)生器在運(yùn)行工藝上有其特殊性，通過在CEFR蒸汽發(fā)生器試運(yùn)行期間的工況分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化了啟動(dòng)方案，最終保證了CEFR低功率運(yùn)行試驗(yàn)的順利完成，為大型快堆核電站設(shè)計(jì)提供了參考。

［1］ 張東輝.鈉冷快堆安全分析［R］.北京：中國原子能科學(xué)研究院，2002.

［2］ 蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)說明書［R］.北京：中國原子能科學(xué)研究院，1997.

［3］ 凱達(dá)洛夫B B，巴爾捷涅夫B H，法拉克申M P，等.蒸汽發(fā)生器SG-33運(yùn)行手冊［M］.下諾夫格羅德：俄羅斯液壓機(jī)設(shè)計(jì)試驗(yàn)局，2000.

［4］ 中國實(shí)驗(yàn)快堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況分析報(bào)告［R］.北京：華北電力大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院，2010.

［5］ 郭正榮，張寶峰.蒸汽發(fā)生器運(yùn)行極限計(jì)算［J］.中國核電，2012，9（3）：225-227.

GUO Zhengrong，ZHANG Baofeng.The calculation principle for steam generator operating limits［J］.China Nuclear Power，2012，9（3）：225-227（in Chinese）.

［6］ WILLBYETAL C.Material choices for the commercial fast reactor steam generator［R］.London：BNES，1978.

［7］ International Working Group on Fast Reactors.Specialists’Meeting on Theoretical and Experimental Work on LMFBR Steam Generator Integrity and Reliability with a Particular to Leak Development and Detection［C］.Netherlands：［s.n.］，1983.

Research on Startup Condition of Steam Generator in China Experimental Fast Reactor

WU Qiang，JI Xi-sheng，NIU Jing－juan，ZHANG Huan-qi，XIE Hai-xin
（China Institute of Atomic Energy，P.O.Box 275-34，Beijing 102413，China）

The steam generator in China Experimental Fast Reactor（CEFR）is direct flow type，and the steam generator startup of CEFR is quite different and more complicated than that of PWR.In this paper，the startup condition of steam generator was studied，and the operation parameters were compared with theoretical design parameters.The results show that the calculated theoretical value of operation parameters is basically coincident with test value.The optimized startup program of steam generator for guiding operator was also introduced.The optimized procedure to start up the steam generator is proposed for guiding operators，and it effectively ensures the power operation test of CEFR.

China Experimental Fast Reactor；direct flow type；steam generator；startup condition

TL382

A

1000-6931（2015）09-1606-05

10.7538／yzk.2015.49.09.1606

2014-05-30；

2014-12-04

863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2007AA05A201）

吳 強(qiáng)（1977—），男，安徽無為人，高級(jí)工程師，碩士，從事快堆三回路系統(tǒng)與設(shè)備調(diào)試及運(yùn)行研究