鈉冷快堆汽輪機(jī)非核蒸汽沖轉(zhuǎn)可行性研究

姚 堯， 余 儼， 武方杰

(西安熱工研究院有限公司， 西安 710032)

汽輪機(jī)非核蒸汽沖轉(zhuǎn)是核電廠在反應(yīng)堆裝料前的一項(xiàng)重大機(jī)組聯(lián)合啟動(dòng)試驗(yàn)，旨在檢驗(yàn)常規(guī)島汽輪機(jī)及各系統(tǒng)的安裝、調(diào)試質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)并消除潛在的各種問(wèn)題[1-3]。核島施工工期相對(duì)常規(guī)島有所延后，為了避免常規(guī)島潛在的問(wèn)題對(duì)反應(yīng)堆核蒸汽沖轉(zhuǎn)啟動(dòng)產(chǎn)生不良影響，在反應(yīng)堆裝料前尚有充足時(shí)間窗口進(jìn)行汽輪機(jī)首次沖轉(zhuǎn)試驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)核島和常規(guī)島調(diào)試進(jìn)度的無(wú)縫對(duì)接，以便最大限度地合理利用調(diào)試工期[4-5]。

600 MW鈉冷快堆具有特殊的三回路熱力系統(tǒng)和直流式蒸汽發(fā)生器。鈉冷快堆的熱力系統(tǒng)比壓水堆更復(fù)雜，鈉冷快堆汽輪機(jī)的非核蒸汽沖轉(zhuǎn)涉及的熱力設(shè)備和過(guò)程也更復(fù)雜，因此壓水堆汽輪機(jī)非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的模型不能適用于鈉冷快堆的計(jì)算。汽輪機(jī)非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)為：(1)明確非核蒸汽沖轉(zhuǎn)過(guò)程中反應(yīng)堆和汽輪機(jī)的邊界條件；(2)準(zhǔn)確計(jì)算反應(yīng)堆可以利用的發(fā)熱功率，計(jì)算出汽輪機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下的沖轉(zhuǎn)時(shí)間。

在借鑒壓水堆汽輪機(jī)非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的經(jīng)驗(yàn)和模型的基礎(chǔ)上，筆者對(duì)鈉冷快堆汽輪機(jī)非核蒸汽沖轉(zhuǎn)相關(guān)的熱力系統(tǒng)建立簡(jiǎn)單模型，并且通過(guò)熱平衡計(jì)算和熱力系統(tǒng)優(yōu)化，提供一種適用于鈉冷快堆汽輪機(jī)非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的分析方法。

1 沖轉(zhuǎn)汽源

1.1 汽源的選擇

核電廠常用的非核蒸汽沖轉(zhuǎn)方式有2種，按照汽源的不同可分為采用反應(yīng)堆一回路蓄熱的方法和采用輔助鍋爐供汽的方法，具體需要根據(jù)汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)參數(shù)的要求和反應(yīng)堆的整體情況進(jìn)行選擇[6]。

根據(jù)汽輪機(jī)廠家的資料，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)蒸汽的最低參數(shù)要求為3.45 MPa、300 ℃的過(guò)熱蒸汽，本廠輔助鍋爐提供的最高蒸汽參數(shù)為2.0 MPa、280 ℃，輔助鍋爐蒸汽不滿足汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)的參數(shù)要求。因此，借鑒壓水堆汽輪機(jī)非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的經(jīng)驗(yàn)，利用反應(yīng)堆一二回路蓄熱通過(guò)蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)行汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)。

1.2 邊界條件

1.2.1 汽水回路邊界條件

汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)蒸汽的最低參數(shù)要求為3.45 MPa、300 ℃，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min所需要的主蒸汽(包括除氧器和高壓加熱器抽汽)質(zhì)量流量為106 788 kg/h。鈉冷快堆汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)曲線見(jiàn)圖1。

圖1 鈉冷快堆汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)曲線

各階段沖轉(zhuǎn)所需要的蒸汽流量見(jiàn)表1。

表1 汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)蒸汽流量

1.2.2 一二回路邊界條件

反應(yīng)堆一二回路通過(guò)主泵做功和電加熱器加熱，最高溫度為358 ℃。鈉冷快堆一二回路的參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 鈉冷快堆一二回路的參數(shù)

一二回路溫度變化速率的限值為30 K/h。沖轉(zhuǎn)蒸汽的最低溫度要求為300 ℃，考慮到一二和三回路的傳熱溫差，基于保守考慮將一二回路溫度最低降至318 ℃，可利用溫差為40 K。

2 熱平衡計(jì)算

2.1 熱力系統(tǒng)模型

鈉冷快堆共有3個(gè)回路，其中：一二回路工質(zhì)為液態(tài)金屬鈉，三回路為常規(guī)島汽水回路。根據(jù)鈉冷快堆具有3個(gè)回路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的流程簡(jiǎn)化模型[6-7]。鈉冷快堆一二回路和三回路非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的熱平衡模型見(jiàn)圖2。在此簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上推算出鈉冷快堆的熱平衡計(jì)算公式。

圖2 鈉冷快堆汽輪機(jī)非核蒸汽沖轉(zhuǎn)熱平衡模型

2.2 不含輔助鍋爐供汽的熱平衡計(jì)算

在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上，得到鈉冷快堆的熱平衡計(jì)算公式[6,8-9]為：

h汽qm, 汽=h凝qm, 凝+P泵+P鈉+P金+

P電-P散-P凈

(1)

P泵=P機(jī)·η

(2)

P鈉=c鈉m鈉V

(3)

P金=c金m金V

(4)

式中：h汽為汽輪機(jī)入口蒸汽比焓；qm,汽為汽輪機(jī)入口蒸汽質(zhì)量流量；h凝為凝結(jié)水比焓，取20 ℃對(duì)應(yīng)的比焓；qm,凝為凝結(jié)水質(zhì)量流量；P機(jī)為一二回路主泵的電動(dòng)機(jī)電功率；η為一二回路主泵的效率，取75%；P泵為一二回路主泵輸入功率；c鈉為鈉的比熱容，取1.23 kJ/(K·kg)；m鈉為一二回路鈉的總質(zhì)量，取2 491 t；V為一二回路的溫度變化速率；P鈉為一二回路鈉降溫輸出功率；c金為一二回路金屬設(shè)備的比熱容，取0.5 kJ/(K·kg)；m金為一二回路金屬設(shè)備的總質(zhì)量，取6 152.8 t；P金為一二回路金屬設(shè)備的輸出功率；P電為二回路的電加熱器功率；P散為一二回路和三回路的總散熱量，取1 200 kW；P凈為一二回路鈉凈化回路的損失熱量，取208 kW。

一二回路溫度變化速率為30 K/h時(shí)，汽輪機(jī)入口蒸汽質(zhì)量流量為86 586 kg/h(<109 180 kg/h)，即一回路蓄熱產(chǎn)生的蒸汽流量不滿足汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)的要求。

2.3 熱力系統(tǒng)優(yōu)化

考慮到除氧器抽汽的質(zhì)量流量高達(dá)33 328 kg/h，輔助鍋爐向除氧器和高壓加熱器提供1.9 MPa、274 ℃的輔助蒸汽以提高給水焓，同時(shí)將輔助蒸汽作為軸封供汽，減少反應(yīng)堆蓄熱的消耗速率[10]。按照高壓加熱器出口設(shè)計(jì)的最高溫度考慮，除氧器出口飽和水溫度為210 ℃，蒸汽發(fā)生器入口給水溫度為230 ℃。

利用汽輪機(jī)分別在無(wú)抽汽時(shí)和抽汽至除氧器的工況下，將汽輪機(jī)所需蒸汽的焓降近似相等作為計(jì)算前提，得到的計(jì)算公式為：

W1=h汽qm,汽1-h排qm,排1-h抽qm,抽

(5)

W2=h汽qm,汽2-h排qm,排2

(6)

qm,汽1=qm,排1+qm,抽

(7)

qm,汽2=qm,排2

(8)

W1=W2

(9)

式中：W1為抽汽時(shí)汽輪機(jī)做功；W2為無(wú)抽汽時(shí)汽輪機(jī)做功；qm,汽1為抽汽時(shí)汽輪機(jī)入口蒸汽質(zhì)量流量；h排為汽輪機(jī)排汽比焓；qm,排1為有抽汽時(shí)汽輪機(jī)排汽質(zhì)量流量；h抽為汽輪機(jī)抽汽比焓；qm,抽為汽輪機(jī)抽汽質(zhì)量流量；qm,汽2為無(wú)抽汽時(shí)汽輪機(jī)正常沖轉(zhuǎn)所需最小蒸汽質(zhì)量流量；qm,排2為無(wú)抽汽時(shí)汽輪機(jī)排汽質(zhì)量流量。

計(jì)算得到無(wú)抽汽時(shí)汽輪機(jī)入口蒸汽質(zhì)量流量為74 686 kg/h，即將輔助蒸汽作為除氧器和高壓加熱器抽汽、軸封供汽，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過(guò)程中無(wú)抽汽，蒸汽質(zhì)量流量達(dá)到74 686 kg/h時(shí)滿足非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的需求。

2.4 輔助鍋爐供汽的熱平衡計(jì)算

將輔助蒸汽作為除氧器和高壓加熱器抽汽、軸封供汽后，根據(jù)熱平衡模型建立的熱平衡計(jì)算公式為：

h汽q′m,汽=h給qm,給+P泵+P鈉+P金+

P電-P散-P凈

(10)

h給qm,給=h凝qm,凝+h輔qm,輔-h疏qm,疏

(11)

q′m,汽=qm,給=qm,凝+qm,輔

(12)

式中：q′m,汽為無(wú)抽汽時(shí)可以提供給汽輪機(jī)最大蒸汽質(zhì)量流量；h給為蒸汽發(fā)生器入口給水比焓；qm,給為蒸汽發(fā)生器給水質(zhì)量流量；h輔為輔助蒸汽比焓；qm,輔為輔助蒸汽供給除氧器和高壓加熱器的質(zhì)量流量；h疏為高壓加熱器殼側(cè)蒸汽疏水比焓；qm,疏為高壓加熱器殼側(cè)蒸汽疏水質(zhì)量流量。

當(dāng)一二回路溫度變化速率為30 K/h時(shí)，計(jì)算得到無(wú)抽汽時(shí)可以提供給汽輪機(jī)最大蒸汽質(zhì)量流量為125 111 kg/h(>74 686 kg/h)，即一回路蓄熱產(chǎn)生的蒸汽流量滿足汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)要求。輔助蒸汽總消耗質(zhì)量流量為25 877 kg/h，輔助鍋爐提供的最大蒸汽質(zhì)量流量為115 000 kg/h，遠(yuǎn)大于汽輪機(jī)非核蒸汽沖轉(zhuǎn)過(guò)程中所需的輔助蒸汽流量。

3 沖轉(zhuǎn)階段一二回路的溫度限制

計(jì)算反應(yīng)堆一二回路溫度變化速率和反應(yīng)堆一二回路溫度的變化，得到的結(jié)果見(jiàn)表3和圖3。

表3 反應(yīng)堆一二回路溫度變化速率

圖3 反應(yīng)堆一二回路溫度的變化

汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)至500 r/min的過(guò)程中，一二回路溫度有所上升，最高溫度為358.66 ℃，超過(guò)限值(358 ℃)。汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前，一二回路溫度可以略低于358 ℃，以避免汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)初期用汽量較少時(shí)反應(yīng)堆溫度過(guò)高。

汽輪機(jī)從0 r/min沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min需要95 min，一二回路溫度降低至318 ℃需要433 min。保守估算蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)汽水轉(zhuǎn)換工況需要約20 min，汽輪機(jī)在3 000 r/min額定轉(zhuǎn)速平臺(tái)可以持續(xù)運(yùn)行318 min，鈉冷快堆汽輪機(jī)非核蒸汽沖轉(zhuǎn)具有充足的時(shí)間裕量。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 將鈉冷快堆汽輪機(jī)的抽汽作為除氧器加熱汽源和軸封供汽時(shí)，在反應(yīng)堆一二回路降溫速率的限制下，僅依靠一二回路蓄熱提供的蒸汽流量不能滿足汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)的需要。

(2) 引入輔助鍋爐的汽源作為除氧器和高壓加熱器抽汽、軸封供汽時(shí)，依靠反應(yīng)堆一二回路蓄熱提供的蒸汽流量能夠滿足鈉冷快堆汽輪機(jī)非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的需求。反應(yīng)堆一二回路蓄熱能夠?yàn)槠啓C(jī)持續(xù)提供蒸汽433 min，鈉冷快堆汽輪機(jī)在3 000 r/min額定轉(zhuǎn)速平臺(tái)可以穩(wěn)定運(yùn)行318 min。

所采用的模型為簡(jiǎn)化模型，未考慮一二回路鈉充排過(guò)程、三回路金屬升溫、給水泵和凝結(jié)水泵對(duì)給水的焓升作用、汽輪機(jī)各平臺(tái)用汽量不同等因素的影響，存在一定誤差。但是，分析思路和計(jì)算過(guò)程可以作為更精細(xì)化的模型分析計(jì)算的基礎(chǔ)，同時(shí)為鈉冷快堆汽輪機(jī)非核蒸汽沖轉(zhuǎn)提供參考。