快堆啟停系統(tǒng)運行分析及設計優(yōu)化建議

(中核霞浦核電有限公司，福建 寧德 355100)

由于鈉的高沸點物理特性(鈉常壓下的沸點為882.9 ℃)，額定工況下鈉冷快堆中一、二回路的鈉溫均在500 ℃以上，比常見壓水堆一回路溫度要高出將近200 ℃。所以不同于壓水堆采用自然循環(huán)式蒸汽發(fā)生器，鈉冷快堆均采用直流式蒸汽發(fā)生器，比如俄羅斯鈉冷快堆BN800、中國實驗快堆(CEFR)、中國示范快堆(CFR600)等。在高功率的情況下，二回路的鈉溫足夠高，給水一次流過直流式蒸汽發(fā)生器加熱面而轉變?yōu)檎羝?。但在低功率情況下由于過熱器不能進水，必須借助啟動和停堆冷卻系統(tǒng)(簡稱“啟停系統(tǒng)”)來接受、回收蒸汽發(fā)生器的工質和熱量。所以啟動和停堆冷卻系統(tǒng)的設計對鈉冷快堆的啟動、停運過程的順利進行有著至關重要的作用。本文通過調研、分析CEFR、BN800啟動和停堆冷卻系統(tǒng)的設計，提出了CFR600啟動和停堆冷卻系統(tǒng)相關設計優(yōu)化建議。

1 啟動和停堆冷卻系統(tǒng)功能介紹

在反應堆啟動和停堆過程中，蒸汽發(fā)生器出口的過冷水(或蒸汽)進入啟動擴容器，擴容后的蒸汽進入高壓輔助蒸汽聯(lián)箱，疏放水排入凝汽器，或引入除氧器；水質不合格時，疏水經排污擴容器擴容降溫后，排入廢水坑。所以，啟動和停堆冷卻系統(tǒng)主要有以下功能：

1)在反應堆啟動和計劃停堆過程中，接受、回收蒸汽發(fā)生器模塊的工質和熱量，滿足水/汽工況之間的轉換和傳輸熱量的需求；

2)蒸汽發(fā)生器水工況情況下，通過擴容閃蒸產生蒸汽，可減少輔助鍋爐出力，疏水返回除氧器加熱凝結水，提高能量利用率，提高經濟效益；

3)作為高壓輔助蒸汽的汽源之一，可提高輔助蒸汽供除氧器、汽輪機軸封等使用。

2 CEFR啟停系統(tǒng)存在的問題

2.1 CEFR啟停系統(tǒng)運行介紹

中國實驗快堆CEFR的主要系統(tǒng)設置和物理參數選擇與大型快堆電廠相同。實驗快堆充分利用固有安全性并采用多種非能動安全技術，無需廠外應急，安全性已達到第四代核能系統(tǒng)的要求[1]。CEFR啟停系統(tǒng)由兩臺啟動擴容器、一臺高壓疏水擴容器、快速隔離閥、流量測量裝置、降壓調節(jié)閥、輔助蒸汽減壓閥、啟動擴容器水位調節(jié)閥、高壓疏水擴容器進水調節(jié)閥等組成，如圖1所示。CEFR兩個環(huán)路各有一個啟動擴容器，每個啟動擴容器有兩個入口閥，一個是降壓調節(jié)閥(F14101/F14201)，一個輔助蒸汽減壓閥(F10101/F10201)。降壓調節(jié)閥位于啟動擴容器進水管道，其作用是在蒸汽發(fā)生器水工況條件下，通過這個閥門來將蒸汽發(fā)生器出口10 MPa左右熱水降壓至1.8 MPa后進入啟動擴容器[2]，即自動維持降壓調節(jié)閥閥后壓力為1.8 MPa。輔助蒸汽減壓閥位于啟動擴容器進汽管道，其作用是在蒸汽發(fā)生器汽工況條件下，通過這個閥門將蒸汽發(fā)生器出口過熱蒸汽降壓后供給輔助蒸汽，維持輔助蒸汽供汽壓力為(1.8±0.2)MPa。輔助蒸汽溫度超過275 ℃時，噴水減溫閥(F10103/F10203)自動打開，維持輔助供汽溫度不超過280 ℃。

圖1 CEFR啟停系統(tǒng)簡圖Fig.1 Schematic of the startup and shutdown cooling system of the CEFR

在反應堆啟動過程中，首先打開降壓調節(jié)閥F14101和F14201，投入閥后壓力調節(jié)系統(tǒng)，使熱水進入啟動擴容器，此后投入液位調節(jié)系統(tǒng)，通過對F14105、F14205的調節(jié),保持擴容器水位,并把熱水排往高壓疏水擴容器閥后壓力調節(jié)系統(tǒng);通過調節(jié)F14002的開度,控制進水壓力，此后投入液位調節(jié)系統(tǒng);通過調節(jié)F07042的開度,控制高壓疏水擴容器的液位。在正常工況下，啟動和停堆冷卻系統(tǒng)投入工作，啟動擴容器的汽壓和水位調節(jié)、高壓疏水擴容器進水壓力和水位調節(jié)，均為自動調節(jié)。

2.2 CEFR啟停系統(tǒng)存在的問題

CEFR啟動和停堆冷卻系統(tǒng)在實際運行中發(fā)現(xiàn)主要存在以下問題：

1)水汽轉換過程，需要將降壓調節(jié)閥切手動，手動控制降壓調節(jié)閥開度，協(xié)助進行降壓汽化操作，此時無法再通過降壓調節(jié)閥來控制啟動擴容器壓力，缺少了自動控制啟動擴容器壓力的手段。同時，由于水發(fā)生相變，體積快速膨脹，從而導致水汽轉換過程中，極易導致啟動擴容器超壓，引起啟擴安全閥動作；

2)啟動擴容器入口設置兩個入口調節(jié)閥，一個降壓調節(jié)閥適用于水汽轉換之前蒸汽發(fā)生器水工況狀態(tài)，一個輔助蒸汽降壓閥適用于水汽轉換之后蒸汽發(fā)生器汽工況狀態(tài)，導致水汽轉換之后要進行兩個閥門之間的切換操作，增加了操作難度，不利于水汽轉換之后的工況穩(wěn)定；

3)噴水減溫閥本來設計的功能為防止輔助蒸汽供汽溫度不超過280 ℃，但實際使用時一直處于手動控制狀態(tài)，目的也不是防止輔助蒸汽超溫，而是通過手動控制噴淋水量，來防止啟動擴容器超壓；

4)水汽轉換過程中，需要手動操作的設備太多，操作復雜，操作難度大，極大地增加了水汽轉換過程中的風險；

5)兩個蒸汽發(fā)生器的上游源頭是同一個給水母管，下游卻分別設置了一個相互獨立的啟動擴容器。每個啟動擴容器都有自己獨立的壓力、溫度、液位控制系統(tǒng)，這樣容易導致兩個環(huán)路之間存在偏差，需要人為控制兩個環(huán)路上下游參數的一致性，一個環(huán)路調節(jié)時容易引起另外一個環(huán)路發(fā)生變化，產生耦合現(xiàn)象，增加了環(huán)路間的流量控制難度。

3 BN800啟停系統(tǒng)設計及特點

BN800啟動和停堆冷卻的主要設備及相關功能如圖2所示。BN800啟停系統(tǒng)工藝圖所示。通過該工藝圖，我們可以發(fā)現(xiàn)，相對于CEFR的啟停系統(tǒng)設計，BN800具有以下主要特點：

圖2 BN800啟停系統(tǒng)工藝圖Fig.2 The process of the startup and shutdown cooling system of BN800

1)BN800一共有三個環(huán)路，但三個環(huán)路共用一個啟動擴容器，不僅減少了設備數量，同時從工藝設計上保證了三個環(huán)路的上、下游參數的一致性，減少了環(huán)路間的相互影響，減小了發(fā)生環(huán)路間偏差的風險，降低了控制難度；

2)BN800每個環(huán)路啟動擴容器入口只設置一個調節(jié)閥(CEFR每個環(huán)路啟擴入口設置了兩個調節(jié)閥：一個降壓調節(jié)閥，一個輔助蒸汽減壓閥)，水汽轉換之后不需要進行閥門切換，簡化了操作步驟。同時，BN800啟擴入口調節(jié)閥的功能設計也不一樣，BN800該調節(jié)閥的功能為自動控制蒸汽發(fā)生器出口壓力，維持蒸汽發(fā)生器出口壓力在要求的值;

3)BN800啟動擴容器下游設置了去凝汽器的排放閥，用于自動控制啟動擴容器的壓力[3]，可以有效防止啟擴超壓。BN800啟動擴容器設置了凝結水噴淋減溫閥，由于有專門的排放閥來控制壓力，所以噴淋減溫閥專門用來防止啟動擴容器超溫；

4)BN800設置了專門的啟動前反暖、疏水管線，理論上可以使反暖時間縮短，提高了反暖效果，可以縮短啟動時間。

總的來說，BN800工藝設計更加合理，簡化了操作，為實現(xiàn)主給水全流量自動控制，特別是水汽轉換過程在自動控制，奠定了工藝基礎，從而使BN800最終實現(xiàn)了主給水全流量自動控制(包括水汽轉換過程)。

4 CFR600啟停系統(tǒng)設計及優(yōu)化建議

4.1 CFR600啟停系統(tǒng)介紹

CFR600啟停系統(tǒng)由啟動擴容器、快速隔離閥、流量測量裝置、啟擴水側調節(jié)閥、啟擴汽側調節(jié)閥、啟動擴容器水位調節(jié)閥、噴淋減溫閥等設備組成，圖3為CFR600啟停系統(tǒng)簡圖。由于CFR600整體上是參考CEFR進行設計的，所以CFR600啟停系統(tǒng)也和CEFR啟停系統(tǒng)相類似，但也進行了一些改進?？偟膩碚f，CFR600啟停系統(tǒng)的設計功能及特點主要包括以下幾點：

圖3 CFR600啟停系統(tǒng)簡圖Fig.3 Schematic of the startup and shutdown cooling system of CFR600

1)在啟動擴容器數量方面，對CEFR兩個啟動擴容器的設計進行了改進。CFR600和BN800類似，兩個環(huán)路共用一個啟動擴容器，優(yōu)點是減少設備數量，從工藝設計上保證了兩個環(huán)路的上、下游參數的一致性，減少了環(huán)路間的相互影響，減小了發(fā)生環(huán)路間偏差的風險，降低了控制難度。從另外一個方面來說，則增加了啟動擴容器的開孔數量，對設備接口的焊接工藝提出了更高的要求，對設備的制造工藝提出了更高的要求。經過調研，確認國內廠家的設備制造工藝可以滿足這個要求，所以這個缺點也就沒有問題了。

2)在啟擴的噴淋減溫水方面，CEFR由主給水泵出口的高壓給水母管提供噴淋減溫水，CFR600和BN800的啟擴噴淋減溫水均是由凝結水泵出口的凝結水母管提供，即CEFR是主給水，CFR600和BN800是凝結水。主給水提供作為噴淋水的唯一優(yōu)點是主給水的溫度較高，和啟動擴容器內的溫差較小，可以減小熱沖擊。但是存在一個比較大的問題是對主給水控制會產生一個比較大的擾動。CEFR的運行操作經驗表明，在進行主給水控制時，經常由于噴淋減溫水流量的波動，導致進入蒸汽發(fā)生器中的主給水流量以及蒸汽發(fā)生器出口壓力發(fā)生變化，從而需要操縱員對主給水流量、壓力進行手動重新調整。在主給水流量、蒸汽發(fā)生器出口壓力處于自動控制狀態(tài)時，如果由主給水提供噴淋減溫水，那么噴淋減溫水流量變化也必然會成為一個影響比較大的擾動量，對自動控制品質產生重大影響。另外，用凝結水作為噴淋減溫水的減溫、減壓效果更加明顯，導致需要的減溫水流量小，有助于減小減溫水設計管徑，減小啟動擴容器的開孔孔徑，提高設備可靠性。

3)在啟動擴容器入口閥設計方面，CFR600沿用了CEFR的設計，每個環(huán)路依然設計了兩個入口調節(jié)閥，但兩個閥門的功能上有所不同。CFR600的水側調節(jié)閥用于蒸汽發(fā)生器水工況條件下控制蒸汽發(fā)生器出口壓力為10 MPa，汽側調節(jié)閥用于汽工況條件下控制閥后壓力(即啟動擴容器內壓力)為(1.8±0.2)MPa。

4.2 CFR600啟停系統(tǒng)存在的問題及優(yōu)化建議

雖然CFR600的啟停系統(tǒng)設計在CEFR的基礎上進行了一些改進，但是也還存在一些問題：

1)水汽轉換過程中，啟擴入口調節(jié)閥需要配合進行蒸發(fā)器降壓汽化，啟擴壓力缺少自動控制手段。并且水汽轉換過程啟擴壓力變化快，操縱員往往來不及手動控制，極易導致啟擴超壓，啟擴安全閥頻繁動作(這也是CEFR的運行經驗)；

2)水汽轉換之后到旁排可以投入控制蒸汽發(fā)生器出口壓力之前，這段時間需要開啟蒸汽發(fā)生器出口至主蒸汽母管的聯(lián)絡閥，對主蒸汽母管進行升壓及進一步暖管。這段時間屬于汽工況條件，啟擴入口汽側調閥用于控制啟擴壓力，所以此時蒸汽發(fā)生器出口壓力無自動控制手段；

3)CEFR由于沒有主蒸汽減壓供給輔助蒸汽的設計，所以必須由啟停系統(tǒng)提供輔助蒸汽直到75%FP一段抽取投入并輔助蒸汽之后，才能退出運行。而CFR600可以通過主蒸汽減壓提供輔助蒸汽，所以主蒸汽母管升壓完畢之后，旁排投入。此時即可將啟停系統(tǒng)退出運行，沒有必要等過熱器模塊投運后才停運啟停系統(tǒng)，也就沒必要在這個階段專門設置一個汽側調閥來控制啟擴的壓力。

針對這些問題，參考BN800的設計，提出以下優(yōu)化建議：

1)為了啟停系統(tǒng)運行時啟動擴容器壓力一直有自動控制手段，建議在啟擴下游設置到凝汽器的排放管路及自動控制閥門。這個設計類似一個小旁排管線，通過控制排往凝汽器的蒸汽量來控制啟動擴容器壓力，防止其超壓。

2)由于啟動擴容器有專門的閥門來控制壓力，不再需要啟擴汽側入口閥來控制啟擴壓力，所以可以將啟擴水/汽側調節(jié)閥合二為一，變?yōu)橐粭l管線和一個入口調節(jié)閥閥門，入口調節(jié)閥閥的功能設計為控制蒸汽發(fā)生器出口壓力。這個入口調節(jié)閥在蒸汽發(fā)生器水工況條件下控制蒸汽發(fā)生器出口過冷水壓力為10 MPa，水汽轉換之后控制蒸汽發(fā)生器出口蒸汽壓力為7 MPa。因為啟擴入口調節(jié)閥的工作環(huán)境存在汽水兩相的情況，容易對閥門造成汽蝕損壞。為了保證入口調節(jié)閥的可靠性，所以將啟擴水/汽側調節(jié)閥變更為一用一備，均用于控制蒸汽發(fā)生器出口壓力。這樣既保證了功能上的便捷性，又提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

3)優(yōu)化啟停系統(tǒng)運行方式。啟停系統(tǒng)由原設計的運行至11.9%Pn過熱器投入后退出運行，變更為運行至7%Pn水汽轉換之后便退出運行狀態(tài)，然后由主蒸汽降壓提供輔助蒸汽。縮短啟停系統(tǒng)運行時間，簡化運行，降低啟擴超壓風險。

按照優(yōu)化建議優(yōu)化之后的CFR600啟停系統(tǒng)簡圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的CFR600啟停系統(tǒng)簡圖Fig.4 Schematic of the optimized startup and shutdown cooling system of CFR600

5 結論

通過對比CEFR、BN800以及CFR600啟停系統(tǒng)的功能設計，分析它們的優(yōu)缺點及可能存在的問題，提出CFR600啟擴入口閥優(yōu)化建議，將原設計中兩個啟擴入口調節(jié)閥一個負責水工況下蒸汽發(fā)生器出口壓力控制、一個負責汽工況下啟擴壓力控制，變更為兩個閥門一用一備，但均負責蒸發(fā)器出口壓力控制(包括水工況及汽工況初期)。同時，建議啟擴下游增加至凝汽器的排放管線，設置排放閥自動控制啟擴壓力，防止啟擴超壓。消除了原設計中存在的以下問題：(1)水汽轉換之后至主蒸汽母管升壓期間無法自動控制蒸發(fā)器出口壓力；(2)水汽轉換期間啟擴存在超壓風險；(3)水/汽轉換后需要對兩個閥門進行復雜的切換操作，增加了操作風險；(4)啟擴必須連續(xù)運行至過熱器投入之后。

總的來說，此設計優(yōu)化建議可以優(yōu)化CFR600啟擴運行方式，有效避免啟擴超壓，提高運行可靠性，簡化水汽轉換操作，同時為以后實現(xiàn)水汽轉化過程自動控制奠定工藝基礎。