快堆核電蒸汽管道疏水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

林燕，楊道宏，施海云

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510663）

福島事故后，核電更加重視安全、進(jìn)入全產(chǎn)業(yè)鏈可持續(xù)發(fā)展階段，世界市場前景廣闊，目前三代核電技術(shù)已成為發(fā)展的主流，四代核電開發(fā)亦受到重視［7-8］。其中，鈉冷快堆作為國際上第四代核電技術(shù)最具發(fā)展前景的6種堆型之一［9］，是當(dāng)前研發(fā)進(jìn)展最快、最接近滿足商業(yè)核電廠需要的堆型。第一臺(tái)600 MW等級(jí)示范快堆已于2017年開始建設(shè)。

快堆核電廠的蒸汽參數(shù)與國內(nèi)已投運(yùn)或在建的壓水堆核電廠有較大的不同，也有別于常規(guī)火電廠，蒸汽管道疏水設(shè)計(jì)成為一個(gè)新課題，因此有必要對(duì)其進(jìn)行分析研究并進(jìn)行適應(yīng)性地優(yōu)化。

1 蒸汽管道及疏水系統(tǒng)

蒸汽系統(tǒng)是核電廠常規(guī)島系統(tǒng)的重要組成部分。蒸汽管道和設(shè)備啟動(dòng)時(shí)會(huì)有空氣，系統(tǒng)停機(jī)時(shí)蒸汽會(huì)冷凝，若積水未能及時(shí)排除，將導(dǎo)致管道腐蝕、產(chǎn)生水錘、甚至導(dǎo)致汽輪機(jī)進(jìn)水等事故。

蒸汽管道疏水主要作用是在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)、正常運(yùn)行或瞬態(tài)運(yùn)行等工況下排除冷凝積水，也在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)確保蒸汽的流動(dòng)能夠維持管道溫度。

核電廠常規(guī)島的蒸汽系統(tǒng)主要包括主蒸汽系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)、抽汽系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)、啟動(dòng)和停堆冷卻系統(tǒng)（CFR堆型）、蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（CPR 1 000堆型）等。文獻(xiàn)10以嶺澳二期為例側(cè)重于主蒸汽疏水管徑和疏水量的核算、文獻(xiàn)11對(duì)疏水器的選型進(jìn)行了詳細(xì)的分析、文獻(xiàn)12分析計(jì)算了不同工況下蒸汽管道的疏水量［10-12］，其研究結(jié)果也都適用于快堆核電廠。本文則以主蒸汽和抽汽管道為例，對(duì)蒸汽疏水系統(tǒng)的配置及其控制進(jìn)行分析研究。

2 疏水系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)

2.1 概述

蒸汽管道需要在蒸汽管道的低位點(diǎn)、蒸汽不經(jīng)常流通的管道死端和管道展開水平長度超過一定距離等位置設(shè)置疏水點(diǎn)［13-14］，通過該疏水系統(tǒng)將冷凝積水排放到凝汽器或疏水?dāng)U容器。

疏水系統(tǒng)通常配有動(dòng)力操作疏水閥或自動(dòng)疏水器，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)疏水功能，目前國內(nèi)外常規(guī)火電廠和壓水堆核電廠蒸汽管道的疏水系統(tǒng)主要有以上4個(gè)典型設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

[1]國家漢辦：《關(guān)于孔子學(xué)院/課堂》， http://www.hanban.edu.cn/confuciousinstitutes/node_10961.htm，2018年8月1日。

圖1 疏水系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)方案A-DFig.1 Representative steam drain system A-D

2.2 方案A

系統(tǒng)從蒸汽母管通過接管座直接引出疏水管道；疏水管道上串聯(lián)設(shè)置一個(gè)手動(dòng)隔離閥和一個(gè)氣動(dòng)疏水閥；氣動(dòng)疏水閥由控制室操作，手動(dòng)隔離閥作為氣動(dòng)疏水閥故障時(shí)的備用閥，在機(jī)組啟動(dòng)和正常運(yùn)行期間，該隔離閥處于開啟狀態(tài)。

該系統(tǒng)最為簡單，適用于過熱蒸汽管道，如常規(guī)火力發(fā)電廠的主蒸汽管道和抽汽管道。疏水閥主要根據(jù)機(jī)組負(fù)荷率進(jìn)行控制，在預(yù)定的某一負(fù)荷率下疏水閥全開，到達(dá)預(yù)定負(fù)荷率后則關(guān)閉疏水閥，該預(yù)定值在10%～30%額定負(fù)荷間；此外也會(huì)設(shè)有溫度測點(diǎn)進(jìn)行輔助監(jiān)測，如抽汽管道會(huì)在各段抽汽止回閥后第一個(gè)水平管段的頂部和相應(yīng)位置的底部各設(shè)置一對(duì)溫差熱電偶，以監(jiān)測管內(nèi)是否積水，溫差大時(shí)在控制室報(bào)警［15］。

2.3 方案B

系統(tǒng)從蒸汽母管接出，配有一垂直長度約300mm的疏水罐，疏水管道從疏水罐上引出；疏水管道上同樣串聯(lián)設(shè)置一個(gè)手動(dòng)隔離閥和一個(gè)氣動(dòng)疏水閥。

該系統(tǒng)較為簡單，適用于過熱蒸汽管道，如常規(guī)火力發(fā)電廠的熱再熱蒸汽管道。疏水閥的控制與方案A一樣。

2.4 方案C

系統(tǒng)從蒸汽母管接出，配有一垂直長度約1 000 mm的疏水罐，疏水管道從疏水罐上引出；疏水管道上同樣串聯(lián)設(shè)置一個(gè)手動(dòng)隔離閥和一個(gè)氣動(dòng)疏水閥；同時(shí)疏水罐上設(shè)有兩對(duì)液位測點(diǎn)，提供高液位和高高液位信號(hào)。

該系統(tǒng)較復(fù)雜，適用于過熱度較低的過熱蒸汽管道，如常規(guī)火力發(fā)電廠的冷再熱蒸汽管道。疏水閥的控制兼顧機(jī)組的負(fù)荷率及疏水罐的液位信號(hào)，如若疏水罐出現(xiàn)高高液位信號(hào)，則自動(dòng)開啟疏水閥。

2.5 方案D

系統(tǒng)從蒸汽母管接出，配有一垂直長度約300 mm的疏水罐，疏水管道從疏水罐上引出；每個(gè)疏水管道由兩個(gè)并聯(lián)的管路組成，一路設(shè)有自動(dòng)疏水器及其前后手動(dòng)隔離閥，一路設(shè)有電動(dòng)旁路閥及其前后手動(dòng)隔離閥；同時(shí)在疏水管道上（自動(dòng)疏水器前）設(shè)有一對(duì)液位測點(diǎn)，提供高液位信號(hào)；此外在靠近凝汽器或疏水?dāng)U容器的疏水管道上設(shè)有節(jié)流降壓孔板；并聯(lián)管路前的主管路上在壓力PN40及以上時(shí)還設(shè)有一個(gè)手動(dòng)截止閥。

該系統(tǒng)最復(fù)雜，適用于飽和蒸汽管道，如壓水堆核電廠的主蒸汽、抽汽管道等。電動(dòng)旁路閥管路作為備用，在機(jī)組啟動(dòng)等工況疏水量較大時(shí)開啟；機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)旁路閥處于關(guān)閉位置，管道疏水由自動(dòng)疏水器排放；當(dāng)疏水管道中水位達(dá)高水位時(shí)，旁路閥應(yīng)自動(dòng)開啟。

電動(dòng)旁路閥通常是根據(jù)機(jī)組負(fù)荷率進(jìn)行控制，一般在低于30%額定負(fù)荷時(shí)開啟；對(duì)于主蒸汽管道，電動(dòng)旁路閥也有通過主蒸汽母管的壓力進(jìn)行控制，如某1 000 MW壓水堆核電廠，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)當(dāng)主蒸汽母管的壓力到達(dá)約55 bar時(shí)電動(dòng)旁路閥關(guān)閉，停堆時(shí)當(dāng)壓力下降到約9 bar時(shí)電動(dòng)旁路閥開啟。

以上各疏水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案匯總?cè)绫?所示。

表1 典型疏水系統(tǒng)配置Tab.1 Representative steam drain system

3 快堆核電疏水系統(tǒng)

3.1 主蒸汽參數(shù)

如表2所示，快堆核電廠的主蒸汽為超高壓參數(shù)，與常規(guī)火電廠600 MW級(jí)的超超臨界（或超臨界或亞臨界）參數(shù)、壓水堆核電廠的高壓參數(shù)都不一樣。在TMCR工況下，核島接口處主蒸汽運(yùn)行參數(shù)為13.65 MPa（a）、485℃，蒸汽為過熱蒸汽且過熱度較高。

表2 主蒸汽參數(shù)Tab.2 Main steam system operation parameter of representative power plants

機(jī)組啟動(dòng)過程中主蒸氣的參數(shù)變化如下描述。快堆核電廠的蒸汽發(fā)生器與壓水堆核電廠不同，在設(shè)備頂部還設(shè)有過熱器；機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，蒸汽發(fā)生器首先在水工況下運(yùn)行，其出口熱水經(jīng)減壓閥排至啟動(dòng)與停堆冷卻系統(tǒng)的啟動(dòng)擴(kuò)容器，擴(kuò)容后閃蒸蒸汽排至輔助蒸汽聯(lián)箱，此時(shí)主蒸汽系統(tǒng)未投運(yùn)；當(dāng)負(fù)荷上升到約7%堆功率，蒸汽發(fā)生器進(jìn)行水汽切換，其出口蒸汽經(jīng)減壓閥主要排至啟動(dòng)擴(kuò)容器，多余的蒸汽通過主蒸汽聯(lián)箱經(jīng)旁路閥排至凝汽器，此時(shí)主蒸汽為飽和蒸汽；當(dāng)負(fù)荷上升到約11.9%堆功率，過熱器投入運(yùn)行，此時(shí)給水壓力為7 MPa，蒸汽發(fā)生器出口汽溫約330℃，此時(shí)主蒸汽為微過熱蒸汽（最大過熱度約47℃）；當(dāng)負(fù)荷上升到約14%堆功率，當(dāng)主蒸汽參數(shù)穩(wěn)定在約6.7 MPa，410℃時(shí)（蒸汽過熱度為127℃），即可打開電動(dòng)主汽門旁路閥，準(zhǔn)備對(duì)汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、暖機(jī)。

3.2 主蒸汽管道疏水設(shè)計(jì)

由上可知，機(jī)組啟動(dòng)初始階段主蒸汽為飽和蒸汽或微過熱蒸汽，但在汽輪機(jī)準(zhǔn)備沖轉(zhuǎn)時(shí)，主蒸汽已是過熱度較高的過熱蒸汽，因此主蒸汽疏水管道可以參考方案B和方案C。

結(jié)合現(xiàn)有核電廠主蒸汽的疏水設(shè)置，建議在汽輪機(jī)入口處管道的疏水點(diǎn)保留液位測點(diǎn)的配置以加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，可采用方案C，為簡化系統(tǒng)、推薦采用優(yōu)化方案E（如圖2所示）；其他位置的疏水點(diǎn)采用方案B即可。

方案E以方案C為參考，但進(jìn)行了簡化設(shè)計(jì)僅設(shè)置一對(duì)液位測點(diǎn)，提供高液位信號(hào)。

圖2 疏水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案E Fig.2 Optimized steam drain system E

因?yàn)樵谄啓C(jī)準(zhǔn)備沖轉(zhuǎn)時(shí)，主蒸汽已是過熱度較高的過熱蒸汽，因此可考慮在負(fù)荷～10%汽輪機(jī)額定負(fù)荷以下，開啟疏水閥；在負(fù)荷上升到～10%時(shí)，同時(shí)未有高液位信號(hào)時(shí)，關(guān)閉疏水閥。

3.3 抽汽管道疏水設(shè)計(jì)

示范快堆核電廠設(shè)有7級(jí)回?zé)嵯到y(tǒng)：除氧器、5級(jí)低壓加熱器和1級(jí)高壓加熱器。TMCR工況下，除氧器和5號(hào)低壓加熱器的抽汽為飽和蒸汽，3、4號(hào)低壓加熱器和7號(hào)高壓加熱器的抽汽為微飽和蒸汽。與國內(nèi)壓水堆核電的各級(jí)抽汽參數(shù)類似，因此可參考?jí)核押穗姴捎梅桨窪的疏水系統(tǒng)。為同主蒸氣管道等保持一樣帶疏水閥的方案、方便工程的采購等，也可采用優(yōu)化方案F，如圖3所示。

方案F中每個(gè)疏水管道由兩個(gè)并聯(lián)的管路組成，一路設(shè)有自動(dòng)疏水器，一路設(shè)有氣動(dòng)疏水閥；同時(shí)設(shè)有一對(duì)液位測點(diǎn)，提供高液位信號(hào)。

疏水閥同樣在機(jī)組啟動(dòng)等疏水量較大的工況下開啟，正常運(yùn)行時(shí)由疏水器進(jìn)行疏水，疏水閥同樣由汽輪機(jī)額定負(fù)荷率結(jié)合高液位的信號(hào)進(jìn)行控制。

4 結(jié)論

針對(duì)不同的蒸汽參數(shù)及機(jī)組啟動(dòng)過程的不同蒸汽狀態(tài)，疏水系統(tǒng)應(yīng)采用與其相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)配置和控制策略。對(duì)于快堆核電廠而言，依據(jù)其特點(diǎn)，主蒸汽管道的疏水系統(tǒng)推薦采用常規(guī)方案B與優(yōu)化方案E的組合設(shè)計(jì)，抽汽管道的疏水系統(tǒng)推薦采用優(yōu)化方案F。

圖3 疏水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案FFig.3 Optimized steam drain system F

本文提出的疏水設(shè)計(jì)方案適用于快堆核電廠，也可供后續(xù)其他堆型的核電廠參考。