秦一廠320 MW機組增容改造蒸汽發(fā)生器熱工計算研究

黃 俊，齊 漣，葉 成

(1.上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233；2.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦一廠320 MW核電機組是中國大陸第一座自行設(shè)計建造、自主運營管理的壓水堆核電廠。電廠于1985年3月20日正式開工，并于1991年12月15日首次并網(wǎng)投產(chǎn)。截至目前，已累計安全穩(wěn)定運行近30年。其中配套安裝的核島關(guān)鍵設(shè)備——蒸汽發(fā)生器整體運行狀況良好，仍可繼續(xù)服役。

電廠于2007—2010年、2015—2018年期間，分別實施了兩次增容和重大改造，堆機電匹配工作在其中起到了關(guān)鍵和基礎(chǔ)性的作用。通過對二次改造階段堆機電匹配的分析和研究，特別是2015—2018年的“電廠運行許可證延續(xù)常規(guī)島設(shè)備更新改造” 項目的實施階段，進一步挖掘利用了320 MW核電機組原有的設(shè)計潛力, 在反應(yīng)堆熱功率滿足原一回路安全分析結(jié)果的條件下，實現(xiàn)了電廠發(fā)電能力與運行經(jīng)濟性的提升。

為實現(xiàn)電廠增容的目標(biāo)，320 MW核電機組在“電廠運行許可證延續(xù)常規(guī)島設(shè)備更新改造” 項目中全面更新了常規(guī)島配套的汽輪發(fā)電機組。由此對核島蒸汽發(fā)生器出口蒸汽提出了新的要求：電廠增容后，蒸汽發(fā)生器的蒸汽出口流量至少達(dá)到271.5 kg/s(汽輪機額定主蒸汽流量1955 t/h)，蒸汽出口壓力至少達(dá)到5.57 MPa(a)(該壓力要求保證汽輪機主汽閥前壓力～5.34 MPa(a)、安全殼外蒸汽管道壓降～0.2 MPa、安全殼內(nèi)蒸汽管道壓降～0.03 MPa倒推得到)。因此需要重新計算確定一組新的核島運行參數(shù)，確保蒸汽發(fā)生器出口蒸汽參數(shù)滿足常規(guī)島增容的總體要求。

1 蒸汽發(fā)生器熱工計算介紹

對核電廠普遍采用的立式U形管蒸汽發(fā)生器而言，其熱工過程如圖1所示。來自反應(yīng)堆的高溫冷卻劑經(jīng)一次側(cè)入口進入水室封頭，然后進入U形管束，通過U形管束與二次側(cè)進行換熱后，通過一次側(cè)出口流出蒸汽發(fā)生器。二次側(cè)的給水由給水泵輸送至給水接管，通過給水環(huán)分配到下降通道，在下降通道內(nèi)給水和汽水分離器分離出來的再循環(huán)水混合后，向下流動，在底部經(jīng)過管束套筒缺口折流向上進入管束區(qū)，在管束區(qū)與一次側(cè)流體進行換熱，被加熱至沸騰，產(chǎn)生蒸汽。汽水混合物繼續(xù)上升，進入一級汽水分離器，大部分水在此被分離出來回流至下降通道，其余的汽水混合物繼續(xù)進入二級分離器，經(jīng)二級分離器分離出的水由疏水管也回流至下降通道，結(jié)兩次分離后的蒸汽則由蒸汽出口流出。

圖1 蒸汽發(fā)生器熱工過程

蒸汽發(fā)生器熱工計算除了確認(rèn)其出口蒸汽參數(shù)(蒸汽壓力、流量)滿足常規(guī)島增容要求，還要確認(rèn)其運行特性(循環(huán)倍率)在可接受范圍內(nèi)。蒸汽發(fā)生器循環(huán)倍率的定義為蒸汽發(fā)生器內(nèi)部自然循環(huán)流量/蒸汽流量，如圖2所示。其原理是蒸汽發(fā)生器內(nèi)部自然循環(huán)的驅(qū)動壓頭等于其流動總壓降。循環(huán)倍率是二次側(cè)重要的參數(shù)之一，循環(huán)倍率對于傳熱管的腐蝕、流動穩(wěn)定性、傳熱性能和分離性能等都有重要影響。循環(huán)倍率的主要影響因素如下。

圖2 蒸汽發(fā)生器二次側(cè)循環(huán)

(1)傳熱方面

循環(huán)倍率過低，意味著管束出口處的含氣率大，空泡份額高，傳熱效果差。為了防止局部出現(xiàn)傳熱惡化，一般要求限制管束出口處的蒸汽含量。

(2)流動穩(wěn)定性方面

循環(huán)倍率過低可能導(dǎo)致流動不穩(wěn)定，使流動產(chǎn)生振蕩，這種流動振蕩現(xiàn)象使傳熱能力下降，當(dāng)流動振蕩幅度過大時，可能引起水和蒸汽流量的大幅波動。工程實踐表明，只要使管束區(qū)的含汽量保持較低的值，就能使流動得到穩(wěn)定。

(3)管材腐蝕方面

傳熱管腐蝕與流動狀態(tài)密切相關(guān)，在局部滯留和低流速區(qū)，往往導(dǎo)致污垢沉積。從防止腐蝕的要求角度看，應(yīng)適當(dāng)提高循環(huán)倍率，以便提高沖刷流速、降低含氣量，改善這些區(qū)域的熱工水力特性。

綜合考慮以上各因素,工程上蒸汽發(fā)生器循環(huán)倍率一般選取在4附近。

2 計算程序

本項目的計算研究采用THETA程序完成。THETA程序為上海核工程研究設(shè)計院自主開發(fā)的立式U形管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器一維穩(wěn)態(tài)熱工水力計算分析程序，擁有完整的知識產(chǎn)權(quán)。開發(fā)過程中對標(biāo)美國西屋公司的GENF程序，驗證了程序的計算結(jié)果。

THETA程序中關(guān)于自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器一維模型的基本假設(shè)如下：

1)蒸汽發(fā)生器內(nèi)工質(zhì)的流動是一維的，工質(zhì)的熱力學(xué)和水力學(xué)參數(shù)只沿軸向變化，認(rèn)為同一截面上的工質(zhì)具有相同的物理量；

2)忽略蒸汽發(fā)生器對外的散熱，忽略一回路、二回路工質(zhì)的軸向?qū)?，忽略U形管的軸向?qū)幔?/p>

3)不考慮上升通道流體與下降通道流體間的傳熱，以及其他由于摩擦等因素產(chǎn)生的熱量，認(rèn)為所有的能量交換僅在管束區(qū)進行；

4)由于一次側(cè)流體為單相液體，物性參數(shù)對壓力不敏感，因此計算一次側(cè)相關(guān)物性參數(shù)時均采用用戶輸入的一次側(cè)參考壓力進行計算。

THETA程序框架如圖3所示。

圖3 THETA程序計算框架

3 計算方法與輸入

蒸汽發(fā)生器的熱工計算采樣通過THETA程序完成。計算研究的總體思路是先通過THETA程序，建立起秦一廠320 MW核電機組蒸汽發(fā)生器熱工水力計算模型，并通過與秦一廠現(xiàn)場實測結(jié)果進行對比驗證。之后在校正計算模型的基礎(chǔ)上外推，計算確定常規(guī)島增容后的反應(yīng)堆運行參數(shù)及出口蒸汽參數(shù)。

蒸汽發(fā)生器THETA程序模型通過確定一次側(cè)和二次側(cè)(管側(cè)和殼側(cè))關(guān)鍵的幾何參數(shù)來創(chuàng)建，幾何數(shù)據(jù)來自秦一廠320 MW核電機組的蒸汽發(fā)生器設(shè)計圖冊，校正模型的熱工水力參數(shù)取自電廠實際運行參數(shù)(見表1)，作為校正計算模型的輸入。

表1 秦山一期實際運行參數(shù)(2014年8月9日)

計算過程首先通過調(diào)整污垢熱阻，校正蒸汽發(fā)生器THETA模型，使得計算結(jié)果與現(xiàn)場實測值匹配，驗證THETA程序計算的正確性。

之后在校正模型基礎(chǔ)上，通過迭代計算，優(yōu)化調(diào)整NSSS功率(主要影響出口蒸汽流量)及一回路平均溫度值(主要影響出口蒸汽壓力)并做外推計算，使得常規(guī)島增容后，蒸汽發(fā)生器出口蒸汽流量達(dá)到～271.5 kg/s，出口蒸汽壓力達(dá)到5.57 MPa(a)。

計算過程中需要考慮以下幾點：

1)綜合考慮主泵做功及RCS系統(tǒng)的散熱損失。為使計算蒸汽流量與現(xiàn)場實測值匹配，NSSS功率取核功率+3.4 MW，經(jīng)反復(fù)迭代調(diào)整，增容后NSSS功率取1002 MW，對應(yīng)的核功率為998.6 MW；

2)按一回路冷卻劑流量不變進行升功率計算；

3)校正計算時，為使THETA計算值與現(xiàn)場實測值匹配，污垢熱阻取0.001 76 m2·℃/kW；增容后考慮核電廠壽期末污垢熱阻增大，污垢熱阻按工程經(jīng)驗選取保守值0.019 3 m2·℃/kW(導(dǎo)致計算蒸汽壓力偏小)；

4)由于蒸汽發(fā)生器運行至今未發(fā)生堵管現(xiàn)象，增容后壽期末仍按原設(shè)計裕量考慮10%堵管的可能性；

5)為滿足出口蒸汽壓力，調(diào)整增容后的一回路平均溫度至297 ℃(0堵管)、298.3 ℃(10%堵管)。

4 計算結(jié)果

THETA程序的最終計算結(jié)果見表2。

表2 計算結(jié)果

通過對比表1與表2第2列數(shù)據(jù)可知，校正的THETA模型計算結(jié)果與秦一廠現(xiàn)場實測值大致匹配。由表1第3、4列數(shù)據(jù)可知，按NSSS功率1 002 MW(對應(yīng)核功率998.6 MW)，一回路平均溫度297 ℃(0堵管)、298.3 ℃(10%堵管)運行條件下，蒸汽出口參數(shù)能夠滿足增容要求，并且蒸汽發(fā)生器的運行性能參數(shù)(循環(huán)倍率)良好。

5 結(jié)論

本研究通過對秦一廠蒸汽發(fā)生器熱工計算，得到如下結(jié)論：

1)基于THETA程序，參數(shù)優(yōu)化計算調(diào)整后可使SG蒸汽出口參數(shù)計算值與現(xiàn)場實測值總體匹配，在此基礎(chǔ)上做外推計算；

2)為滿足升功率后要求，NSSS功率需提升至1002 MW(相應(yīng)核功率998.6 MW)；

3)為滿足增容后的總要求，0堵管情況下一回路平均溫度的調(diào)試預(yù)期值約為297 ℃，10%堵管情況下一回路平均溫度的調(diào)試預(yù)期值約為298.3 ℃；

4)電廠增容后SG的循環(huán)倍率在合理可接受范圍。