快堆蒸發(fā)器給水溫度控制風險點及解決措施

李蒙

中核霞浦核電有限公司 福建霞浦 355100

1 概述

霞浦核電工程是鈉冷快中子反應(yīng)堆，二回路與三回路之間的熱交換器，使用了模塊化直流式蒸發(fā)器（如圖1），蒸發(fā)器模塊包含蒸發(fā)器和過熱器。二回路鈉在蒸發(fā)器模塊殼側(cè)流動，三回路給水在管側(cè)流動。給水吸收二回路的熱量后產(chǎn)生蒸汽，隨后進入汽輪發(fā)電機組做功。直流式蒸發(fā)器的特點是沒有常規(guī)蒸發(fā)器的水儲存空間，給水在管側(cè)流動過程中，隨著不斷吸收二回路熱量，溫度逐步升高，在汽水分界面處產(chǎn)生蒸汽。如果給水溫度下降，蒸發(fā)器內(nèi)的汽水分界面會向后端移動，出口蒸汽溫度下降，濕度增加，嚴重時蒸汽中會攜帶大量水分進入汽輪機，導(dǎo)致汽輪機損壞。如果給水溫度低于98℃，則可能會導(dǎo)致二回路過冷，金屬鈉結(jié)晶，導(dǎo)致嚴重安全事故。因此，必須嚴格控制直流式蒸發(fā)器給水溫度（過熱器投運前進入蒸汽發(fā)生器的給水溫度要求不低于190℃，過熱器投運后不低于195℃）。

圖1 蒸發(fā)器模塊示意圖

2 蒸發(fā)器給水溫度控制簡介

啟動、正常運行及機組瞬態(tài)工況時，除鹽水在除氧器水箱內(nèi)被加熱，進入主給水泵組進行升壓，經(jīng)過并聯(lián)的兩列高壓加熱器后，進入16 臺模塊化直流式蒸汽發(fā)生器。除氧器的加熱汽源分別有輔助鍋爐產(chǎn)生的加熱蒸汽、啟動擴容器的閃蒸蒸汽、主蒸汽母管減溫減壓后的蒸汽以及汽輪機高壓缸抽氣。（如圖2）

3 蒸發(fā)器給水溫度控制方式

3.1 機組啟動時給水溫度控制

蒸汽發(fā)生器初始啟動上水時，完全依靠輔助鍋爐產(chǎn)生的輔助蒸汽（2.1MPa(g)、280℃）將除氧器內(nèi)的除鹽水水溫加熱至190℃。當反應(yīng)堆功率上升至7%，蒸汽發(fā)生器水汽工況轉(zhuǎn)換完成前，輔助鍋爐及啟動擴容器閃蒸蒸汽共同作為輔助蒸汽汽源，維持除氧器中的給水溫度不低于190℃。當反應(yīng)堆維持在7%功率，蒸汽發(fā)生器內(nèi)水汽工況轉(zhuǎn)換完成后，蒸發(fā)器出口管線至主蒸汽母管的聯(lián)絡(luò)閥打開，關(guān)閉水工況調(diào)節(jié)閥，輔助蒸汽為主蒸汽減溫減壓蒸汽，利用啟停氣動調(diào)節(jié)閥將除氧器內(nèi)壓力維持在1.298MPa(a)，除氧器中的給水溫度不低于191.6℃，考慮給水泵焓升后，至蒸汽發(fā)生器的給水溫度195℃，滿足蒸汽發(fā)生器的要求[1]。

圖2 蒸發(fā)器主給水溫度控制簡圖

隨著反應(yīng)堆功率繼續(xù)上升，當堆功率達到75%額定功率時，除氧器的加熱汽源切換至汽輪機高壓缸抽汽，7 號高壓加熱器投運，維持蒸汽發(fā)生器的給水溫度195.4℃，滿足其要求。

3.2 機組正常運行時給水溫度控制

反應(yīng)堆功率在75-100%額定功率時，除氧器的加熱蒸汽為汽輪機高壓缸抽汽，除氧器滑壓運行，配合7 號高壓加熱器，確保至蒸汽發(fā)生器的給水溫度195.4℃-210℃。

3.3 機組瞬態(tài)工況時給水溫度控制

反應(yīng)堆功率≥75%額定功率時，汽輪機跳閘或甩負荷至廠用電運行，高壓缸抽氣隔離閥關(guān)閉，保壓蒸汽氣動閥自動開啟，輔助蒸汽供汽維持除氧器壓力1.298MPa(a)，除氧器中的給水溫度不低于191.6℃。

反應(yīng)堆功率＜75%額定功率時，汽輪機跳閘或甩負荷至廠用電運行，啟停氣動調(diào)節(jié)閥保持調(diào)節(jié)開啟，輔助蒸汽維持除氧器溫度和壓力，如除氧器壓力維持不住，操作人員手動開啟保壓蒸汽氣動閥維持除氧器壓力在1.298MPa(a)，除氧器中的給水溫度不低于191.6℃。再加上給水泵焓升，至蒸汽發(fā)生器的給水溫度195℃，滿足蒸汽發(fā)生器的要求[2]。

4 蒸發(fā)器給水溫度控制風險點分析

在機組運行的不同階段，蒸發(fā)器給水溫度控制方式也發(fā)生變化，在控制蒸發(fā)器水溫的過程中，主要存在以下幾個風險點。

4.1 蒸發(fā)器啟動時上水溫度控制

霞浦核電工程蒸汽發(fā)生器啟動上水溫度不能低于190℃，與常規(guī)壓水堆蒸汽發(fā)生器對上水溫度的寬松要求不同。在除氧器初始升溫時如何操作，以及怎樣為蒸發(fā)器前面的進水管線暖管，以保證進入蒸發(fā)器的水溫，是初始啟動上水時蒸發(fā)器水溫控制關(guān)鍵點。

4.2 蒸汽發(fā)生器水汽工況轉(zhuǎn)換完成前給水溫度控制

這時啟動擴容器閃蒸蒸汽與輔助鍋爐蒸汽兩股汽源共同作為輔助蒸汽的輸入汽源，用來控制除氧器溫度。隨著閃蒸蒸汽量逐漸增多，輔助鍋爐將逐漸退出運行。在輔助蒸汽進汽源切換過程，如何消除潛在風險，保持蒸發(fā)器進水溫度，是本階段給水溫度控制的關(guān)鍵點。

4.3 75%功率平臺給水溫度控制

當反應(yīng)堆功率逐步上升到75%功率平臺時，除氧器加熱汽源從主蒸汽減溫減壓切換至汽輪機高壓缸抽汽，切換前加熱蒸汽溫度為195℃，切換后為175℃，切換前后除氧器壓力和溫度臺階式下降，如何保證切換過程中蒸發(fā)器給水溫度穩(wěn)定，是本階段控制的關(guān)鍵點。

4.4 緊急停堆工況給水溫度控制

緊急停堆后，輔助鍋爐需要在蒸汽發(fā)生器汽工況轉(zhuǎn)水工況前投入以保證蒸發(fā)器入口水溫穩(wěn)定，需要計算從反應(yīng)堆停堆到蒸汽發(fā)生器汽水轉(zhuǎn)換的時間差，進而確定輔助鍋爐啟動到投入時長要求。

5 蒸發(fā)器給水溫度控制風險點解決措施

針對給水溫度控制難點，經(jīng)過系統(tǒng)性分析，制定了下列解決措施，指導(dǎo)示霞浦核電工程三回路調(diào)試運行。

5.1 蒸汽發(fā)生器啟動時上水溫度保障措施

啟動上水前，通過輔助鍋爐產(chǎn)生的輔助蒸汽將除氧器內(nèi)除鹽水逐步加熱到190℃。首先打開除氧器對空排氣閥，再打開啟停氣動調(diào)節(jié)閥，并投入除氧器再循環(huán)泵，按照30-40℃/h 的溫升速率將除氧器內(nèi)的水溫加熱至104℃，當除氧器內(nèi)水溫達到104℃時，開啟除氧器運行排氣閥，關(guān)閉對空排氣閥，不凝結(jié)氣體排至凝汽器。之后，維持升溫速率30-40℃/h，除氧器的壓力逐步升至1.255MPa(a)。

接著，投入除氧器至高加出口母管之間管系。通過高加出口母管到凝汽器的大旁路沖洗管線，進行管線熱態(tài)沖洗并完成管內(nèi)除鹽水升溫。同時，投入輔助蒸汽對5 號低壓加熱器加熱，以保證進入除氧器的水溫不低于100℃。

然后，投入高加出口母管到蒸汽發(fā)生器之間給水管系。此部分給水管系較為龐大，內(nèi)有大量冷水，在蒸汽發(fā)生器啟動上水前，必須將冷水置換掉。通過打開管系疏水閥，將管系內(nèi)除鹽水排往凝汽器，實現(xiàn)冷熱水置換。

當除氧器水溫完全達到190℃并且水質(zhì)合格后，啟動主給水泵或啟動給水泵，打開蒸汽發(fā)生器入口隔離閥，完成蒸汽發(fā)生器上水操作，此時給水管系內(nèi)預(yù)熱完畢，給水到蒸發(fā)器入口處溫度不低于190℃。

5.2 蒸汽發(fā)生器汽工況前給水溫度保障措施

機組啟動后，蒸汽發(fā)生器汽工況前，蒸發(fā)器出口熱水經(jīng)啟動擴容器降壓擴容后產(chǎn)生蒸汽，輸送至高壓輔汽聯(lián)箱。隨著反應(yīng)堆功率升高、啟動擴容器閃蒸蒸汽增多，鍋爐供汽理論上可相應(yīng)減少。

但是，考慮到霞浦核電工程機組啟動過程復(fù)雜，在蒸汽發(fā)生器完成水汽工況轉(zhuǎn)換后，還有汽輪機沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)、給水升溫升壓和75%功率平臺汽源切換等重要環(huán)節(jié)。在工程調(diào)試階段，存在各種原因觸發(fā)停機停堆的風險。而在機組啟動階段較低功率下發(fā)生緊急停堆，堆芯余熱水平較低，在較短時間內(nèi)就無法提供滿足加熱給水所需的蒸汽量，需要鍋爐迅速投入補足蒸汽，以保證給水溫度不低于190℃。故而，在調(diào)試階段，輔助鍋爐宜在機組狀態(tài)完全穩(wěn)定（在75%功率平臺汽源切換完成）再予停運。此過程中，因鍋爐未退出，輔助蒸汽供汽量將超過用戶用汽需求量，多余的蒸汽通過旁路排放閥排至凝汽器。

5.3 75%功率平臺給水溫度保障措施

為了實現(xiàn)該功率平臺下除氧器汽源無擾切換，切換過程為：緩慢手動降低除氧器壓力至0.834MPa(a)，隨著除氧器工作壓力的降低，除氧器出水溫度降低，此時將7 號高壓加熱器逐漸投入運行，確保至蒸汽發(fā)生器的給水溫度高于195℃。接著開啟除氧器抽汽隔離閥，緩慢關(guān)閉啟停氣動調(diào)節(jié)閥，除氧器的加熱汽源切換至汽輪機抽汽，除氧器進入滑壓運行。

為了防止切換過程中除氧器出現(xiàn)閃蒸和熱應(yīng)力問題，切換過程需緩慢進行，控制除氧器水溫變化速率在規(guī)定范圍內(nèi)。

根據(jù)熱平衡圖，在75%功率平臺，高壓加熱器抽汽壓力為1.549MPa，對應(yīng)飽和溫度為199.8℃，在除氧器切換汽源時投入高壓加熱器，能夠保障高壓加熱器出口即蒸汽發(fā)生器入口給水溫度在195℃以上。

5.4 緊急停堆工況給水溫度保障措施

緊急停堆后，輔助鍋爐需要在蒸汽發(fā)生器汽工況轉(zhuǎn)水工況前投入。為確定輔助鍋爐啟動時間要求，需要評估從反應(yīng)堆停堆到蒸汽發(fā)生器汽水轉(zhuǎn)換之間的時長。在啟動階段低功率下發(fā)生緊急停堆，將在較短時間內(nèi)進入蒸汽發(fā)生器汽水轉(zhuǎn)換工況，但考慮到霞浦核電工程長期處于基荷運行，因此按照正常運行期間發(fā)生緊急停堆作為基準來確定輔助鍋爐啟動時間要求[3]。

經(jīng)過仿真計算，在機組正常運行期間發(fā)生緊急停堆，約在第100min 蒸發(fā)器出口汽溫降為310℃，蒸汽壓力為7MPa，此時進行汽水轉(zhuǎn)換。（如圖3）

圖3 蒸發(fā)器降溫溫度時間曲線圖

輔助鍋爐須在100min 內(nèi)完成投入。根據(jù)霞浦核電工程燃油鍋爐特性，鍋爐冷啟動時間為2 小時，熱啟動時間為22 分鐘。因此，輔助鍋爐在機組運行期間需處于熱備用狀態(tài)，以便發(fā)生緊急停堆時能夠迅速投入鍋爐供汽。

6 結(jié)語

蒸發(fā)器是霞浦核電工程二回路鈉和三回路給水之間唯一的熱交換設(shè)備，三回路給水溫度控制直接影響二回路鈉溫。本文闡述了三回路給水溫度控制過程中的4 個風險點，并針對風險點提出解決措施，對于保障快堆安全穩(wěn)定運行有著重要意義。