CEFR常規(guī)島輔助蒸汽系統(tǒng)汽源切換仿真實(shí)驗(yàn)

路云

【摘 要】中國實(shí)驗(yàn)快堆（CEFR）的常規(guī)島輔助蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)有三種供汽汽源以適應(yīng)常規(guī)島在不同運(yùn)行階段的用汽要求。反應(yīng)堆高功率水平下，輔助蒸汽應(yīng)由蒸發(fā)器出口微過熱蒸汽切換為汽輪機(jī)一段抽汽提供，但是在CEFR的調(diào)試運(yùn)行期間，為保證反應(yīng)堆的穩(wěn)定運(yùn)行，尚未在系統(tǒng)中開展過此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，因此有必要通過仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M此工況，以便獲得常規(guī)島系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢和波動(dòng)范圍，對尚未開展此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際運(yùn)行工作給出數(shù)據(jù)參考以及判斷保護(hù)動(dòng)作危險(xiǎn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)支持，對實(shí)際系統(tǒng)提出改進(jìn)建議。

【關(guān)鍵詞】中國實(shí)驗(yàn)快堆；常規(guī)島；輔助蒸汽；汽源切換

0 引言

中國實(shí)驗(yàn)快堆（CEFR）是我國第一座池式鈉冷的實(shí)驗(yàn)性快中子反應(yīng)堆。熱功率65MW，電功率20MW。主要目的是用于快堆燃料元件的考驗(yàn)和積累快堆電站的設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。CEFR于1995年完成概念設(shè)計(jì)，1998年完成初步設(shè)計(jì)，2000年正式施工，2010年達(dá)到首次臨界，2011年實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，2014實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行144小時(shí)的技術(shù)指標(biāo)。通過中國實(shí)驗(yàn)快堆工程的實(shí)施，我國基本掌握了快堆的設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試技術(shù)。

快堆一共有4個(gè)回路，其中一、二回路為鈉回路，三回路為汽/水回路，四回路為循環(huán)冷卻水回路。一回路鈉將堆芯產(chǎn)生的熱量通過中間熱交換器傳遞給二回路鈉，二回路鈉將熱量通過蒸汽發(fā)生器傳遞給三回路的合格給水，給水被加熱后產(chǎn)生過熱蒸汽進(jìn)入常規(guī)島系統(tǒng)，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，最終乏汽進(jìn)入凝汽器，與四回路的循環(huán)冷卻水進(jìn)行熱交換凝結(jié)成凝結(jié)水，重新回到三回路汽水循環(huán)系統(tǒng)當(dāng)中，進(jìn)行熱力循環(huán)。

由于CEFR采用“鈉-鈉-水”的主熱傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此快堆的輔助蒸汽系統(tǒng)除了向常規(guī)島系統(tǒng)提供預(yù)熱汽用汽和汽輪機(jī)暖機(jī)用汽以外，其最重要的功能是在系統(tǒng)啟動(dòng)以前向除氧器提供加熱蒸汽，將常規(guī)島給水溫度加熱到190℃，以滿足蒸汽發(fā)生器進(jìn)水條件。

1 CEFR常規(guī)島輔助蒸汽系統(tǒng)簡介

CEFR常規(guī)島系統(tǒng)流程圖如圖1所示。其中輔助蒸汽系統(tǒng)由啟動(dòng)鍋爐、輔助蒸汽母管、減溫減壓器及必要的管道和閥門組成。在系統(tǒng)啟動(dòng)前，啟動(dòng)鍋爐向輔助蒸汽系統(tǒng)供汽，一路直接去除氧器加熱給水，一路通過減溫減壓后向3#低壓加熱器供汽，加熱進(jìn)入到除氧器前的凝結(jié)水。反應(yīng)堆啟動(dòng)以后，隨系統(tǒng)熱功率的提高，蒸汽發(fā)生器由水工況逐漸過渡到汽工況，之后輔助蒸汽系統(tǒng)汽源逐漸由蒸發(fā)器出口微過熱蒸汽通過啟動(dòng)擴(kuò)容器減壓降溫后提供，啟動(dòng)鍋爐處于熱備用狀態(tài)；這種工況將一直持續(xù)到汽輪機(jī)負(fù)荷升到75%額定負(fù)荷以上，汽輪機(jī)一段抽汽具備向輔助蒸汽系統(tǒng)提供汽源條件為止；之后輔助蒸汽系統(tǒng)的汽源由汽輪機(jī)一段抽汽提供。

CEFR常規(guī)島系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程中，尚未投入過汽輪機(jī)一段抽汽作為輔助蒸汽系統(tǒng)的汽源，原因可歸納為以下兩方面：

1）汽輪機(jī)一段抽汽具備可投入的條件是，反應(yīng)堆以及汽輪機(jī)功率較高（75%額定功率以上），汽輪機(jī)一段抽汽壓力達(dá)到～1.4MPa及以上。但是實(shí)際CEFR常規(guī)島系統(tǒng)的檢測手段有限，無法可靠的判斷一段抽汽的壓力，因此，不能確定一段抽汽的切入時(shí)機(jī)。

2）未開展過輔助蒸汽系統(tǒng)汽源切換的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，缺少動(dòng)態(tài)運(yùn)行的數(shù)據(jù)信息支持，從安全角度考慮，在反應(yīng)堆高功率運(yùn)行的條件下，應(yīng)避免此類不確定性實(shí)驗(yàn)對反應(yīng)堆系統(tǒng)帶來的影響。

根據(jù)以上分析，有必要在仿真系統(tǒng)中進(jìn)行輔助蒸汽系統(tǒng)的汽源切換實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而獲得系統(tǒng)參數(shù)變化的動(dòng)態(tài)信息，獲得對實(shí)際操作有益的數(shù)據(jù)資料。

2 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境簡介

在本實(shí)驗(yàn)開展以前，筆者為研究CEFR熱力循環(huán)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的國產(chǎn)化開發(fā)，利用國內(nèi)擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的仿真支持平臺(tái)——“大型科學(xué)計(jì)算與仿真支撐平臺(tái)SimuWorks”，以CEFR常規(guī)島熱力系統(tǒng)整體為仿真建模對象，建立了CEFR常規(guī)島熱力系統(tǒng)仿真計(jì)算模型，并對該模型開展了穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)證工作。

在該仿真計(jì)算模型中，對二回路向三回路傳遞熱量的邊界設(shè)備蒸汽發(fā)生器進(jìn)行了簡化處理，建立了集總參數(shù)法的計(jì)算模型，該模型基于軟件自身模型庫中的直流鍋爐模型進(jìn)行開發(fā)，采用輸入蒸發(fā)器和過熱器的設(shè)計(jì)熱功率以及設(shè)計(jì)給水流量的對應(yīng)線性變化參數(shù)的方法，定義其所傳遞的熱功率與給水流量的關(guān)系曲線，并通過該曲線進(jìn)行整個(gè)仿真系統(tǒng)的熱功率變化和實(shí)驗(yàn)條件的定義，具體設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)見表1。

針對CEFR常規(guī)島仿真系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)證，分別選取100%、75%、40%額定功率條件下進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真測試，并將仿真結(jié)果與CEFR常規(guī)島系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對比，如表2所示。

綜合仿真系統(tǒng)100%額定功率和75%額定功率穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行誤差分析，其中重要參數(shù)的仿真計(jì)算結(jié)果誤差均在2%以內(nèi)，例如蒸汽發(fā)生器出口（即過熱器出口）蒸汽參數(shù)，機(jī)組出力，給水參數(shù)等。但是個(gè)別參數(shù)誤差較大，例如在100%額定功率穩(wěn)態(tài)驗(yàn)證結(jié)果中，汽輪機(jī)排汽壓力（0.0217MPa）與設(shè)計(jì)值（0.02MPa）相比較稍高（誤差為8.5%），造成這一結(jié)果的原因是汽輪機(jī)各段抽汽的計(jì)算數(shù)值偏?。ǘ纬槠?jì)算誤差為-9.7%），因此機(jī)組排汽流量稍大（設(shè)計(jì)值：19.725kg/s，計(jì)算值：20.07kg/s），引起機(jī)組排汽壓力稍高。而在75%額定功率穩(wěn)態(tài)驗(yàn)證結(jié)果中，誤差最大的為“蒸發(fā)器出口溫度”一項(xiàng)，設(shè)計(jì)值為386℃，計(jì)算值為347℃，誤差約為10%。分析認(rèn)為，本文所建立的蒸發(fā)器模型為基于直流鍋爐的集總參數(shù)簡化計(jì)算模型，設(shè)計(jì)參數(shù)給出的蒸發(fā)器出口流量為計(jì)算值，而真實(shí)的蒸汽發(fā)生器應(yīng)該基于鈉側(cè)熱力參數(shù)的變化來計(jì)算熱功率，而鈉的物性、傳熱特性與煙氣相對鍋爐水冷壁的傳熱特性有較大差別，因此對于“蒸發(fā)器的出口溫度”該項(xiàng)參數(shù)有較大的誤差；但是對于蒸汽發(fā)生器的整體模型而言，其總的熱功率以及其出口蒸汽溫度均與設(shè)計(jì)參數(shù)相當(dāng)，因此認(rèn)為作為向常規(guī)島系統(tǒng)提供汽源并作為整個(gè)流網(wǎng)的阻力件而言，簡化的蒸汽發(fā)生器模型滿足本文的研究要求。

從整體上看，穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)證結(jié)果中，機(jī)組出力情況以及主蒸汽的溫度和壓力等計(jì)算結(jié)果等重要參數(shù)的誤差控制在5%，整體數(shù)據(jù)的誤差不超過10%[1]，因此可以認(rèn)為CEFR熱力循環(huán)仿真系統(tǒng)額定功率狀態(tài)運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果是較為準(zhǔn)確和可靠的。

在40%額定功率的設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)證中，根據(jù)設(shè)計(jì)資料[2-3]，在此工況條件下，輔助蒸汽由蒸發(fā)器出口微過熱蒸汽通過啟動(dòng)擴(kuò)容器減溫降壓后提供；而且除蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)參數(shù)以外，設(shè)計(jì)資料沒有明確顯示在40%額定功率條件下其他系統(tǒng)參數(shù)，因此對本工況仿真驗(yàn)證的目的在于驗(yàn)證啟動(dòng)停堆冷卻系統(tǒng)的仿真工作能力。結(jié)果顯示，本工況條件下，整個(gè)常規(guī)島仿真系統(tǒng)全部投入運(yùn)行，除氧器的加熱蒸汽由啟動(dòng)擴(kuò)容器提供，整個(gè)流網(wǎng)的壓力降低，仿真系統(tǒng)行較為穩(wěn)定，滿足開展針對實(shí)際運(yùn)行參數(shù)驗(yàn)證工作的條件。

3 CEFR常規(guī)島輔助蒸汽系統(tǒng)汽源切換仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)

調(diào)整CEFR常規(guī)島仿真系統(tǒng)75%額定功率的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，開展輔助蒸汽系統(tǒng)汽源切換的操作，全程維持蒸汽發(fā)生器熱功率不變，不開展其他任何操作；假設(shè)系統(tǒng)管道已經(jīng)充分預(yù)暖，不存在開閥引起的水錘現(xiàn)象。

在實(shí)驗(yàn)過程中，將汽輪機(jī)一段抽汽隔離閥門開度按照0.1的設(shè)定值，由0（全關(guān)）依次開啟到1（全開），然后通過控制模塊逐漸降低啟動(dòng)擴(kuò)容器內(nèi)的壓力設(shè)定值，將啟擴(kuò)內(nèi)的壓力由1.4MPa，逐漸設(shè)定為0MPa，使啟動(dòng)擴(kuò)容器的進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥逐漸關(guān)閉；此過程即實(shí)現(xiàn)了由蒸發(fā)器出口微過熱蒸汽經(jīng)啟動(dòng)擴(kuò)容器減溫減壓提供輔助蒸汽切換為汽輪機(jī)一段抽汽提供輔助蒸汽。系統(tǒng)各主要參數(shù)變化曲線入圖2所示，汽輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)變化如圖3所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1）CEFR常規(guī)島輔助蒸汽系統(tǒng)汽源切換實(shí)驗(yàn)的仿真數(shù)據(jù)顯示，75%額定功率條件下，汽輪機(jī)一段抽汽的壓力為1.467MPa，相對于啟擴(kuò)的運(yùn)行壓力1.36MPa要高，具備了投入一段抽汽作為輔助蒸汽汽源的條件。

2）在投入汽輪機(jī)一段抽汽的過程中，會(huì)發(fā)生給水參數(shù)的波動(dòng)情況，該波動(dòng)雖不會(huì)觸發(fā)保護(hù)限值，但是仍值得運(yùn)行人員重點(diǎn)關(guān)注。1、2#蒸發(fā)器給水參數(shù)峰值列于表3。

表3 汽源切換過程中1、2#蒸汽發(fā)生器給水參數(shù)變化峰值列表

3）汽源切換完畢后，仿真系統(tǒng)顯示系統(tǒng)流網(wǎng)內(nèi)壓力升高，相應(yīng)給水流量降低，熱功率一定的條件下，主蒸汽溫度升高。

4）汽源切換完畢后，機(jī)組一段抽汽的壓力略有降低，由1.467MPa降低到1.31MPa趨于穩(wěn)定。

5）一段抽汽開始向除氧器供汽以后，除氧器內(nèi)的壓力開始逐漸降低，給水溫度也處于下降趨勢。

6） 汽源切換過程中，機(jī)組軸端功率由15461kW經(jīng)過微小波動(dòng)，逐漸在14510kW附近趨于穩(wěn)定。該波動(dòng)由主蒸汽流量的波動(dòng)引起。

4 對實(shí)際輔助蒸汽系統(tǒng)的分析及建議

實(shí)際CEFR常規(guī)島系統(tǒng)的輔助蒸汽系統(tǒng)汽源切換的相關(guān)管線及設(shè)備的流程圖，如圖4所示。

通過圖4可知，用于測量機(jī)組一段抽汽的壓力表設(shè)置在一段抽汽的液壓逆止閥之后，因此在一段抽汽逆止閥沒有開啟的條件下無法準(zhǔn)確測量一段抽汽的壓力，這也是在實(shí)際運(yùn)行過程中技術(shù)人員觀測到一段抽汽壓力較低的原因之一。

當(dāng)一段抽汽開始向除氧器供汽以后，由于高度差的存在，進(jìn)入除氧器的蒸汽壓力會(huì)偏低約0.01MPa，因此在一段抽汽的壓力本就較額定設(shè)計(jì)參數(shù)低（結(jié)論4））的情況下，容易發(fā)生除氧器的壓力降低，給水參數(shù)降低的情況，但是由于除氧器本身熱容較大，給水溫度變化比較緩慢，仿真計(jì)算顯示（圖2，4）），若維持除氧器液位為1950mm，在6分鐘之內(nèi)除氧器出口給水溫度降低約2.5℃。

由仿真結(jié)論4）、5）可知，如果切換一段抽汽為除氧器加熱汽源以后，須盡快通過升功率的方式，提高主蒸汽參數(shù)和流量，進(jìn)而提高機(jī)組一段抽汽壓力，防止因除氧器壓力下降，導(dǎo)致給水泵發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作。

通過仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合真實(shí)的CEFR常規(guī)島系統(tǒng)，給出如下建議：

1）改變汽輪機(jī)一段抽汽壓力測點(diǎn)位置。將該測點(diǎn)設(shè)置在抽汽逆止閥與汽輪機(jī)抽汽口之間的管道上，以解決汽輪機(jī)一段抽汽壓力的讀取問題。

2）機(jī)組進(jìn)汽參數(shù)較低或者進(jìn)汽流量較低的條件下，不建議做切換除氧器加熱汽源的操作。原因有兩點(diǎn)：

①切換汽源后，若不調(diào)整系統(tǒng)其他部位，會(huì)造成系統(tǒng)主蒸汽溫度、壓力提高，流量下降，損失部分發(fā)電功率（與圖3顯示情況類似）；

②若調(diào)整系統(tǒng)給水流量使之與汽源切換之前保持一致，則造成主蒸汽溫度下降、主蒸汽流量上升，雖然貢獻(xiàn)了部分發(fā)電功率，但是機(jī)組一段抽汽參數(shù)較低，除氧器壓力、溫度下降較快（延圖2，4）顯示情況迅速發(fā)展），給水泵容易發(fā)生汽蝕，引發(fā)保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作。

3）建議在輔助蒸汽向除氧器供汽的閥門F10001之后增加逆止閥。防止切換一段抽汽的過程中，一段抽汽向啟動(dòng)擴(kuò)容器發(fā)生倒灌現(xiàn)象，引起系統(tǒng)波動(dòng)。

4）輔助蒸汽系統(tǒng)切換汽源完成后，不建議立即切除啟動(dòng)擴(kuò)容器，以便蒸發(fā)器出口微過熱蒸汽輔助一段抽汽維持除氧器供汽壓力，直到一段抽汽壓力和溫度達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)。

5 結(jié)論

本文利用由大型科學(xué)計(jì)算與仿真支撐平臺(tái)SimuWorks建立的CEFR常規(guī)島系統(tǒng)仿真計(jì)算模型，首次模擬常規(guī)島實(shí)際運(yùn)行過程中尚未實(shí)施過操作的輔助蒸汽系統(tǒng)汽源切換的實(shí)驗(yàn)，得出了在此瞬態(tài)過程中CEFR常規(guī)島系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的波動(dòng)范圍，通過對系統(tǒng)重要參數(shù)的瞬態(tài)變化過程進(jìn)行分析，得出了該操作的實(shí)施建議和系統(tǒng)改進(jìn)建議。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]HN20-13.0型汽輪機(jī)熱力特性H02.000.1J（D）[R].CEFR.設(shè)計(jì)資料.

[責(zé)任編輯：王偉平]