CEFR發(fā)電效率影響因素分析

劉夫臣，羅德康，宋小松，蔡興旺

(1.中國原子能科學(xué)研究院，北京102413；2.北京市電力公司，北京100031)

CEFR發(fā)電效率影響因素分析

劉夫臣1，羅德康1，宋小松2，蔡興旺1

(1.中國原子能科學(xué)研究院，北京102413；2.北京市電力公司，北京100031)

2014年12月中國實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)滿功率運(yùn)行期間，汽輪-發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率達(dá)到14.2 MW，距離設(shè)計(jì)值20 MW還有較大差距。本文通過運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)參數(shù)比較，進(jìn)行理論分析計(jì)算，給出了CEFR發(fā)電效率較低的影響因素。

中國實(shí)驗(yàn)快堆；發(fā)電效率低；影響因素

中國實(shí)驗(yàn)快堆(以下簡稱CEFR)是我國第一座鈉冷快中子反應(yīng)堆，設(shè)計(jì)熱功率65 MW，發(fā)電功率20 MW，采用鈉-鈉-水三回路設(shè)計(jì)。CEFR于2010年7月首次實(shí)現(xiàn)臨界，2014年12月完成滿功率運(yùn)行72小時(shí)目標(biāo)。

發(fā)電效率是評(píng)價(jià)電廠經(jīng)濟(jì)效益的重要目標(biāo)參數(shù)，如何提高汽輪發(fā)電機(jī)效率仍是當(dāng)今世界研究的一個(gè)重要課題。在參考文獻(xiàn)[1]中認(rèn)為汽輪機(jī)的安裝和新蒸汽參數(shù)是影響汽輪機(jī)熱效率的主要因素，并給出了提高熱效率的方法。在2014年的CEFR首次滿功率運(yùn)行期間，發(fā)電功率僅為14 MW，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。影響快堆發(fā)電效率的因素是多方面的，本文主要從核功率、冷卻劑流量匹配、汽輪機(jī)抽汽、凝汽器真空等方面進(jìn)行分析。

1 CEFR流程簡介

CEFR的主熱傳輸系統(tǒng)包括一回路主冷卻系統(tǒng)、二回路主冷卻系統(tǒng)和蒸汽-電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(三回路)[2]。發(fā)電工況下，反應(yīng)堆堆芯通過核反應(yīng)發(fā)出熱功率，熱量由一回路鈉泵驅(qū)動(dòng)的冷卻劑鈉帶到中間熱交換器(IHX)，通過中間熱交換器將熱量傳輸給二回路主冷卻系統(tǒng)。被加熱的二回路鈉在二次鈉泵的驅(qū)動(dòng)下，在蒸汽發(fā)生器(SG)內(nèi)將三回路的給水加熱成高溫高壓的過熱蒸汽。蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并最終通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。圖1給出了中國實(shí)驗(yàn)快堆主熱傳輸系統(tǒng)流程。

圖1 CEFR主熱傳輸系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of CEFR primary heat transport system

2 CEFR發(fā)電效率影響因素分析

2.1 核測(cè)系統(tǒng)

在2014年CEFR的首次滿功率運(yùn)行期間，通過實(shí)際參數(shù)計(jì)算，當(dāng)時(shí)CEFR達(dá)到的最大熱功率約為88%Pn，而功率保護(hù)系統(tǒng)六通道的核功率都在95%Pn以上，最大的達(dá)到了99%，這就限制了堆功率的繼續(xù)提升。表1為12月21日14時(shí)50分核測(cè)六通道功率計(jì)算機(jī)記錄值。在88%額定熱功率工況下設(shè)計(jì)電功率為17.6 MW，比20 MW少了2.4 MW。

表1 六通道功率記錄值

2.2 功率流量的匹配不合適流量偏大

2014年CEFR運(yùn)行期間，操縱員依照事先計(jì)算好的“功率—鈉泵轉(zhuǎn)速曲線”來匹配功率流量比。由于功率測(cè)量不準(zhǔn)確的原因，功率流量偏大，根據(jù)偏大的功率測(cè)量值從“功率—鈉泵轉(zhuǎn)速表”上查找的鈉泵轉(zhuǎn)速顯然比實(shí)際功率對(duì)應(yīng)的鈉泵轉(zhuǎn)速要大，導(dǎo)致冷卻劑流量偏大。根據(jù)能量守恒，流量大時(shí)冷卻劑的溫升則偏小，這也是當(dāng)時(shí)各主要參數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)值的原因，從而降低了卡諾循環(huán)的效率。

根據(jù)CEFR實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，查表得知鈉、水/蒸汽在不同溫度、壓力條件下的比焓，分別計(jì)算三個(gè)回路的功率為：

(1) 按一回路鈉溫度、流量(取主泵旁路流量計(jì)的30倍)計(jì)算堆芯的熱功率為：

P1=63 395.6 kW

P1為設(shè)計(jì)熱功率65 MW的97.5%，產(chǎn)生偏差的原因是這里采用的通過主泵旁路流量推測(cè)堆芯流量的方法不夠準(zhǔn)確。

(2) 按二回路鈉在蒸汽發(fā)生器進(jìn)出口的溫度、流量計(jì)算熱功率為：

考慮事故余熱排出系統(tǒng)損失的熱功率為(在熱備用狀態(tài)下，事故余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)熱功率損失約為104kW)：

P″2=194.79 kW

則二回路主冷卻系統(tǒng)和事故余熱排出系統(tǒng)的總熱功率為：

P2為設(shè)計(jì)熱功率65 MW的80.9%，產(chǎn)生偏差的原因可能是測(cè)量的SG鈉側(cè)入口溫度比實(shí)際值偏小、事故余熱排出系統(tǒng)風(fēng)門開度偏大。

(3) 按三回路在蒸汽發(fā)生器進(jìn)出口水/蒸汽溫度、流量計(jì)算熱功率為：

P3=56 341.04 kW

P3為設(shè)計(jì)熱功率65 MW的86.7%，與核功率校正后的88%Pn接近。

通過上述計(jì)算分析與實(shí)際監(jiān)測(cè)值可以看出，二回路鈉流量、熱功率與實(shí)際值偏差較大，為維持SG出口鈉溫恒定，犧牲了三回路主蒸汽品質(zhì)。主蒸汽實(shí)際溫度為463℃，壓力12.8 MPa，根據(jù)CEFR汽輪機(jī)的熱力特性手冊(cè)[3]“主汽壓力修正曲線“和”主汽溫度修正曲線”(圖2所示)可以查出，因溫度低導(dǎo)致效率下降約0.565%，因壓力低導(dǎo)致效率下降約1.669%，合計(jì)2.234%，約為0.445 MW。

圖2 主汽壓力和主汽溫度修正曲線Fig.2 The correction curve of main steam pressure and main steam temperature

2.3 汽輪機(jī)一段抽汽未投運(yùn)及啟動(dòng)擴(kuò)容器減溫水量過大

CEFR滿功率運(yùn)行期間，由于主蒸汽溫度和壓力未達(dá)到設(shè)計(jì)值、汽輪機(jī)一段抽汽壓力未達(dá)到可以投入的條件，除氧器加熱不得不使用新蒸汽通過啟動(dòng)擴(kuò)容器減溫減壓產(chǎn)生的輔助蒸汽，圖3為用新蒸汽加熱除氧器流程圖。同時(shí)由于啟動(dòng)擴(kuò)容器減溫水管線上未安裝調(diào)節(jié)閥，減溫水流量只能由電動(dòng)閥和手動(dòng)閥控制，因此無法做到精確調(diào)節(jié)，實(shí)際流量偏大，導(dǎo)致需要更多的新蒸汽，進(jìn)一步損失了發(fā)電量。

圖3 新蒸汽加熱除氧器流程圖Fig.3 Flow chart of live steam heats the deaerator

(1) 啟動(dòng)擴(kuò)容器減溫水量過大損失的功率

依設(shè)計(jì)，滿功率運(yùn)行時(shí)一段抽汽流量Q1=6.18 t/h，溫度264℃(比焓h1=2949 kJ/kg)；給水溫度190℃(比焓h2=814 kJ/kg)。故設(shè)計(jì)一段抽汽提供的功率為：

P4=(h1-h2)×Q1=3665 kW

啟動(dòng)擴(kuò)容器中實(shí)測(cè)溫度為203℃(比焓h3=2818 kJ/kg)，若提供P4的功率需要的輔助蒸汽流量為：

Q2=P4/(h3-h2)=6.58 t/h

蒸發(fā)器出口溫度為390℃(比焓h4=2990 kJ/kg)，根據(jù)能量守恒，啟動(dòng)擴(kuò)容器需要的新蒸汽流量為：

x×h4+(1-x)×h2=h3

Q3=Q2×x=6.06 t/h

式中：x為理想狀態(tài)下啟動(dòng)擴(kuò)容器中需要的新蒸汽比例。

實(shí)際進(jìn)入啟動(dòng)擴(kuò)容器的新蒸汽流量Q4=10.7 t/h，查表知汽輪機(jī)的排汽焓h5=2343 kJ/kg，計(jì)算損失的發(fā)電功率為：

ΔP1=(Q4-Q3)×(h4-h5)=834 kW

(2) 一段抽汽未投入損失的功率

依據(jù)文獻(xiàn)[3]中“HN20-13.0型汽輪機(jī)熱平衡圖”，額定工況下主蒸汽的比焓h=3253 kJ/kg，流量Q=95.62 t/h，凝結(jié)水的溫度為40℃(比焓h6=167.5 kJ/kg)，主給水的比焓h2=814 kJ/kg。在忽略一段抽汽未投運(yùn)對(duì)系統(tǒng)流量分配的影響下，對(duì)該部分損失的功率作如下計(jì)算。

滿功率運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)的發(fā)電效率為：

η=100%×20 MW/ [(h-h2)×Q/3.6]

=30.87%

一段抽汽未投入情況下，該部分蒸汽可以在汽輪機(jī)一段抽汽以后的級(jí)中增加做功量為：

P5=(h1-h5)×Q1=1040.3 kW

一段抽汽正常投運(yùn)情況下，三回路熱力系統(tǒng)可以節(jié)省從SG獲得的熱功率為：

P6=(h1-h6)×Q1=4774.9 kW

按照汽輪機(jī)滿功率運(yùn)行時(shí)的發(fā)電效率，節(jié)省的該部分熱量可以增加的發(fā)電量為：

P7=P6×η=1474.0 kW

因此，由于汽輪機(jī)一段抽汽未投入，三回路實(shí)際損失的功率為：

ΔP2=P7-P5=433.7 kW

(3) 功率損失小計(jì)

由于未投運(yùn)一段抽汽，以及啟動(dòng)擴(kuò)容器減溫水流量過大，總共損失的功率為：

ΔP=ΔP1+ΔP2=1.27 MW

2.4 冷凝器真空度偏小

汽輪機(jī)的真空嚴(yán)密性、端差的大小對(duì)汽輪機(jī)的效率及出力有著直接的影響[4]。高的真空度有利于提高冷凝器內(nèi)的凝結(jié)換熱效率，降低排汽焓值，從而增大蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)的有效焓降，提高發(fā)電效率。CEFR冷凝器真空設(shè)計(jì)值為-80 kPa，在滿功率發(fā)電期間實(shí)際運(yùn)行值約為-76 kPa。根據(jù)CEFR汽輪機(jī)熱力特性手冊(cè)“背壓修正曲線”可以查出，因真空度低導(dǎo)致效率下降約1.241%，為0.2482 MW。圖4為2014年12月17日0時(shí)至18日12時(shí)，CEFR電功率與冷凝器真空運(yùn)行曲線。

圖4 電功率與冷凝器真空曲線Fig.4 The curves of electric power and condenser vacuum

CEFR真空度偏低的原因，本文認(rèn)為主要有以下三點(diǎn)：

(1) 主蒸汽流量偏大而溫度偏低。在“機(jī)跟堆”運(yùn)行方式下，由于一、二回路流量偏大，導(dǎo)致三回路流量跟隨偏大，以維持鈉回路冷段溫度的設(shè)定值。較大的蒸汽流量進(jìn)入冷凝器，改變了冷凝器汽側(cè)的運(yùn)行工況，增加了冷凝負(fù)擔(dān)，使得真空度不能達(dá)到原來的設(shè)計(jì)值。

(2) CEFR為小功率機(jī)組，冷凝器設(shè)計(jì)傳熱面積僅為600 m2，設(shè)備長時(shí)間擱置以及長時(shí)間運(yùn)行后，冷凝器內(nèi)循環(huán)水側(cè)傳熱管結(jié)垢，影響了冷凝器的換熱能力。另外，滿功率運(yùn)行期間，循環(huán)水的運(yùn)行壓力比設(shè)計(jì)值稍低，降低了冷凝器的傳熱速率。

(3) 冷凝器抽真空系統(tǒng)中射水箱的冷卻能力達(dá)不到需要的水平。在實(shí)際運(yùn)行過程中射水箱吸收了冷凝器中隨抽真空管道被抽取的蒸汽后溫度升高，由于得不到足夠的冷卻導(dǎo)致射水抽氣器工作水溫升高，而射水抽氣器的抽真空能力是直接受工作水溫影響的，這就限制了抽真空系統(tǒng)的工作能力，從而導(dǎo)致冷凝器內(nèi)真空度降低。

2.5 三回路閥門存在內(nèi)漏

由于CEFR三回路疏水閥門眾多，可能存在內(nèi)漏情況，但內(nèi)漏閥門的位置和內(nèi)漏量難以確定。運(yùn)行期間曾發(fā)現(xiàn)，在操縱人員的努力下將主蒸汽管道、汽輪機(jī)本體系統(tǒng)的疏水閥門進(jìn)一步關(guān)緊后，發(fā)電量提升了約0.5MW，占20MW的2.5%。同時(shí)據(jù)反映，疏水閥門在關(guān)緊后仍存在一定的漏汽聲。

2.6 其他影響因素

由于加熱三回路低壓加熱器的汽輪機(jī)二、三、四段抽汽參數(shù)低于設(shè)定值，導(dǎo)致進(jìn)入除氧器的凝結(jié)水溫度降低，使得進(jìn)入除氧器加熱的輔助蒸汽流量增大，間接增加了新蒸汽在啟動(dòng)擴(kuò)容器的損耗，影響了系統(tǒng)的發(fā)電效率。為保證取樣水質(zhì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，蒸發(fā)器、過熱器和除氧器管道的取樣閥需保持常開狀態(tài)，由于取樣閥門難以操作造成取樣量偏大，損失了一部分能量。另根據(jù)文獻(xiàn)[2]可知，汽輪機(jī)制造和安裝因素也會(huì)對(duì)汽輪機(jī)熱效率有一定的影響。

3 結(jié)論

根據(jù)第2章的分析與計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)除核測(cè)系統(tǒng)原因之外，汽輪機(jī)一段抽汽未投運(yùn)及啟動(dòng)擴(kuò)容器減溫水過大是導(dǎo)致CEFR發(fā)電效率偏低的主要原因。另外，冷凝器真空度低、冷卻劑流量偏大、三回路疏水閥門內(nèi)漏、事故余熱排出系統(tǒng)散熱過大等因素也對(duì)發(fā)電效率有較大影響。

針對(duì)以上影響CEFR發(fā)電效率的因素，對(duì)后續(xù)中國實(shí)驗(yàn)快堆提升功率運(yùn)行時(shí)給出如下建議：

(1) 對(duì)核測(cè)功率進(jìn)行標(biāo)定，使之與實(shí)際熱功率相匹配。

(2) 根據(jù)核功率設(shè)置相應(yīng)的主熱傳輸系統(tǒng)的冷卻劑流量：根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，按照“功率—鈉泵轉(zhuǎn)速曲線”設(shè)定的二回路鈉泵轉(zhuǎn)速，實(shí)際流量值偏大。后續(xù)CEFR提升功率運(yùn)行時(shí)，應(yīng)綜合考慮反應(yīng)堆功率、鈉泵轉(zhuǎn)速、二回路主冷卻系統(tǒng)流量計(jì)示數(shù)等因素，適當(dāng)降低二回路鈉泵轉(zhuǎn)速。

(3) 啟動(dòng)擴(kuò)容器噴淋減溫水管道安裝調(diào)節(jié)閥：調(diào)節(jié)閥能夠跟隨啟動(dòng)擴(kuò)容器壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度，防止減溫水流量過大損失能量，同時(shí)還能起到啟動(dòng)擴(kuò)容器超壓保護(hù)作用。

(4) 對(duì)IHX、SG中的鈉溫測(cè)量儀表進(jìn)行標(biāo)定，并改進(jìn)儀表安裝工藝，以更準(zhǔn)確地反應(yīng)CEFR的實(shí)際運(yùn)行情況。

(5) 通過膠球清洗裝置、循環(huán)水旁濾系統(tǒng)或者加藥等方式對(duì)冷凝器換熱管循環(huán)水側(cè)進(jìn)行清洗，增強(qiáng)冷凝器的換熱能力。在高功率運(yùn)行時(shí)對(duì)改造的射水箱充排水系統(tǒng)進(jìn)行熱態(tài)調(diào)試，關(guān)注冷凝器真空和射水箱水溫的變化。

(6) 汽輪機(jī)一段抽汽參數(shù)達(dá)到要求后，及時(shí)投運(yùn)一段抽汽用于除氧器的加熱，降低以至停止通過啟動(dòng)擴(kuò)容器的輔助蒸汽的供應(yīng)。

(7) 對(duì)三回路疏水系統(tǒng)閥門進(jìn)行一次全面的檢查，定期做好閥門的維護(hù)保養(yǎng)。

[1] 武劍. 影響汽輪機(jī)熱效率的因素及提高熱效率的方法[J]. 科技傳播, 2013-12(上):99-100.

[2] 鮑揚(yáng)民，駱學(xué)軍，楊建偉等. 熱傳輸系統(tǒng)和與其相連系統(tǒng). CEFR最終安全分析報(bào)告，快堆內(nèi)部文件, 2011.

[3] 張啟林. HN20-13.0型汽輪機(jī)熱力特性. 哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司， 快堆內(nèi)部文件2003.

[4] 姚明興. 改善汽輪機(jī)真空嚴(yán)密性提高汽輪機(jī)效率[J]. 內(nèi)蒙古電力技術(shù), 1998(2): 51-52.

Effects of Generating Efficiency Analysis in China Experiment Fast Reactor

LIU Fu-chen1, LUO De-kang1, SONG Xiao-song2, CAI Xing-wang1

(1.China Institute of Atomic Energy, Beijing, 102413, China; 2.Beijing Electric Power Company,Beijing, 100031, China)

When China Experiment Fast Reactor (CEFR) running in full power in December 2014, the power of turbo-generator reached 14.2MW, which is far lower than the designed power 20MW. Through the comparison between actual running monitor data and designed parameters, this article conducts the theory analysis and calculation, then gives the effects of CEFR’s low generating efficiency.Key words: China Experiment Fast Reactor; Low generating efficiency; Influence factors

2016-07-22

劉夫臣(1986—)，男，河北威縣人，碩士研究生，現(xiàn)從事快堆運(yùn)行工作

TL43

A

0258-0918(2016)06-0734-05