示范快堆正常余熱導出方式優(yōu)化研究

張福萍

(中核霞浦核電有限公司，福建 霞浦 355100)

示范快堆鈉冷快堆一回路系統(tǒng)采用液態(tài)鈉作為核反應堆的傳熱介質(zhì)，在停堆后，鈉池蓄熱量仍較大，加上堆芯的剩余裂變、放射性產(chǎn)物的衰變、俘獲產(chǎn)物的衰變，仍需要持續(xù)導出反應堆熱量[1]。停堆之后，一、二回路的主要散熱有：一、二回路冷阱的散熱、堆坑的通風冷卻散熱、事故余熱排出系統(tǒng)維持熱備用時的散熱等，這些熱量損失遠小于反應堆自身的蓄熱。根據(jù)停堆后熱量變化情況，預計7天后蓄熱量降低到4 MW左右，此時自身蓄熱加上鈉泵運行時產(chǎn)生的熱量，基本能夠維持一、二回路鈉溫在250 ℃左右，三回路方可以切除。

圖1為正常停堆過程蒸汽流量及溫度變化曲線，從圖中可以看出，正常停堆約10 h，反應堆功率降至0，蒸發(fā)器二次側(cè)出口溫度為250 ℃，給水流量降至5%額定給水流量，給水溫度為190 ℃。之后投入正常余熱導出系統(tǒng)(以下簡稱LBN系統(tǒng))，繼續(xù)導出反應堆的余熱。在這10 h過程中，隨反應堆功率下降，三回路個別系統(tǒng)會退出運行，除支持LBN運行的系統(tǒng)外均可進行檢修。

圖1 正常停堆過程蒸汽流量、溫度變化曲線Fig.1 The variation curve of steam flow and temperature during normal shutdown

示范快堆1號機組LBN系統(tǒng)單獨設(shè)置了疏水冷卻器、循環(huán)冷卻水泵和機力冷卻塔，在停堆后7天內(nèi)，承擔正常停堆換料期間余熱導出功能，利用新增的循環(huán)冷卻水泵和機力冷卻塔的循環(huán)冷卻水，通過疏水冷卻器對啟動擴容器出口的疏水進行冷卻，冷卻后的凝結(jié)水進入除氧器；啟動擴容器的閃蒸蒸汽對除氧器中的水進行加熱和除氧，之后利用啟動給水泵向蒸汽發(fā)生器提供5%額定主給水流量、溫度不低于190 ℃、壓力為10 MPa的給水，帶走二回路側(cè)的熱量后(溫度升為250 ℃)進入啟動擴容器。1號機組堆芯余熱導出工況流程如圖2所示，LBN系統(tǒng)的投入釋放了三回路大部分系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機組和海工冷源設(shè)備[2，3]。

圖2 堆芯余熱導出工況流程簡圖Fig.2 The schematic of core residual heat removal condition

然而，在2號機組的設(shè)計優(yōu)化工作開展中，經(jīng)與汽輪發(fā)電機組供貨商了解，在反應堆正常余熱導出階段，汽輪機雖已停運，鑒于高壓汽缸溫度較高，需投運盤車，直至高壓內(nèi)缸進汽腔室金屬壁溫低于120 ℃。在汽輪機盤車時，為冷卻汽輪機潤滑油等輔助系統(tǒng)，需閉式冷卻水系統(tǒng)及循環(huán)水系統(tǒng)投運，并持續(xù)7～10天。鑒于在反應堆正常余熱導出階段，閉式冷卻水系統(tǒng)及循環(huán)水系統(tǒng)需投運，無法提前釋放三回路和海工冷源系統(tǒng)檢修窗口，2號機組擬不再采用增設(shè)機力冷卻塔方案進行余熱導出，以減少項目前期投資和后期運維成本。按照此目的進行研究分析，2號機組正常余熱導出冷卻方式可進一步優(yōu)化以降低系統(tǒng)冗余，對于示范快堆2號機組的經(jīng)濟性和工程建設(shè)周期都有著重要意義，本文結(jié)合示范快堆停堆后LBN系統(tǒng)余熱導出的兩種不同冷卻方案進行研究分析，給出優(yōu)化方案，并對比兩種冷卻方式的優(yōu)缺點，給出優(yōu)化建議。

1 循環(huán)水泵—凝汽器余熱導出方案

1.1 方案描述

此方案考慮三回路采用1臺循環(huán)水泵、凝汽器及配套循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)備運行帶走反應堆余熱。

汽輪發(fā)電機組停運后，啟動擴容器的疏水進入凝汽器，循環(huán)水將凝汽器中的閃蒸蒸汽冷卻成凝結(jié)水，利用凝結(jié)水泵將凝結(jié)水輸送至除氧器；啟動擴容器的閃蒸蒸汽和來自鄰機的輔助蒸汽對除氧器中的凝結(jié)水進行加熱和除氧，之后利用啟動給水泵[4]將190 ℃的給水輸送至蒸汽發(fā)生器，帶走二回路側(cè)的熱量后(溫度升為250 ℃)進入啟動擴容器，系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 循環(huán)水泵—凝汽器方案流程簡圖Fig.3 The schematic of the circulating water pump-condenser scheme

經(jīng)初步計算，以及查詢水及水蒸氣熱力性質(zhì)軟件，在該方案中，啟動擴容器壓力為1.8 MPa時，閃蒸蒸汽量約為12.2 t/h，閃蒸蒸汽焓值為2 757.76 kJ/kg；疏水流量約為101.3 t/h，疏水溫度為207 ℃，疏水焓值為884.6 kJ/kg。

(1)循環(huán)水量計算

將101.3 t/h的凝結(jié)水從207 ℃冷卻到31.4 ℃(TMCR機組背壓4.6 kPa對應飽和溫度，對應焓值131.6 kJ/kg)，采用循環(huán)水冷卻，循環(huán)水溫升按7 ℃進行設(shè)計。

根據(jù)凝汽器換熱方程[5]：

則循環(huán)水流量為：

[884.6-131.6)×84.6-131.6]/

(4.2×7)=720.7 kg/s

此時需要的循環(huán)水流量遠小于單臺循環(huán)水泵流量(約15 m3/s)，即投運一臺循環(huán)水泵即可滿足冷卻要求。

(2)輔助蒸汽量計算

為維持除氧器出水溫度不低于190 ℃，除啟動擴容器的閃蒸汽外，還需要通過采用輔助蒸汽對除氧器進行加熱，輔助蒸汽的參數(shù)為1.8 MPa、274 ℃，將101.3 t/h凝結(jié)水從31.4 ℃加熱到190 ℃，查詢水及水蒸氣熱力性質(zhì)軟件，輔助蒸汽焓值對應焓值為2 969.68 kJ/kg，190 ℃凝結(jié)水焓值為807.57 kJ/kg。

根據(jù)除氧器質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程[5]：

Gw+Gs+Gc=Go

Gwhw+Gshs+Gchc=Goho+Gchc

式中，Gw為進除氧器的凝結(jié)水量，hw為其對應焓值；Gs為進除氧器的輔助蒸汽量，hs為其對應焓值；Go為除氧水出水量，ho為其對應焓值；Gc為進入除氧器的啟動擴容器閃蒸汽量，hc為其焓值。

則除氧器需要的輔助蒸汽量為：

[101.3×(807.57-131.6)-12.2×(2 757.76-807.57)]/(2 969.68-807.57)=20.67(t/h)

1.2 對運行、檢修影響

(1)在停堆后正常余熱導出的7天內(nèi)，需要汽輪發(fā)電機組范圍內(nèi)的盤車、頂軸油、軸封系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)等均投入運行，避免出現(xiàn)汽輪機大軸彎曲現(xiàn)象。

(2)此方案需要投運循環(huán)水系統(tǒng)、汽機房開式冷卻水系統(tǒng)、汽機房閉式冷卻水系統(tǒng)、啟動和停堆冷卻系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、主給水除氧器系統(tǒng)、啟動給水系統(tǒng)、凝汽器抽真空系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)，系統(tǒng)清單詳見表1。

表1 循環(huán)水泵—凝汽器方案需要投運的系統(tǒng)清單Table 1 The list of systems to be put into operation for the circulating pump-condenser scheme

(3)一臺循環(huán)水泵在停堆換料期間運行，循環(huán)水泵額定電機功率為4 100 kW。與循環(huán)水泵運行相關(guān)的其他系統(tǒng)還包括閉式冷卻水系統(tǒng)、生活水系統(tǒng)，要確保上述系統(tǒng)可用才能保證循環(huán)水泵正常運行。

1.3 投資及運行費用

通過上述分析，本方案利用已有三回路的系統(tǒng)實現(xiàn)機組正常停堆換料期間的余熱導出，無需新增設(shè)備，節(jié)省了工程投資。

在此期間(7天)需要投運循環(huán)水泵、閉式冷卻水泵、凝結(jié)水泵、啟動給水泵、真空泵、盤車裝置、頂軸油泵、輔助油泵、排煙風機、軸封風機等設(shè)備。其中，凝結(jié)水泵以小流量工況運行，運行功率約為600 kW；閉式冷卻水泵以其允許的最小流量運行，運行功率約為350 kW。三個方案中均投運凈凝結(jié)水泵，其按額定功率運行考慮。其他設(shè)備均按額定功率運行考慮。

設(shè)備總運行功率約為6 645 kW，按照0.85元/(kW·h)(工業(yè)用電價格)進行估算，設(shè)備運行7天的費用約為：

0.85×6 645×24×7=94.9(萬元)

本工程設(shè)計壽期為40年，每半年換料一次。按照每年正常停堆換料2次進行估算，年費用約為：

94.9×2=189.8(萬元)

2 循環(huán)水泵—閉式冷卻水余熱導出方案

2.1 方案描述

此方案中，采用啟動擴容器的疏水進入疏水冷卻器，利用常規(guī)島閉式冷卻水將疏水冷卻到50 ℃。利用啟動擴容器的閃蒸蒸汽和來自輔助鍋爐房的輔助蒸汽對除氧器中的水進行加熱和除氧，之后利用啟動給水泵將190 ℃的給水輸送至蒸汽發(fā)生器，帶走二回路側(cè)的熱量后(溫度升為250 ℃)進入啟動擴容器，流程如圖4所示。

圖4 循環(huán)水泵—閉式冷卻水系統(tǒng)方案流程簡圖Fig.4 The schematic flow chart of the circulating water pump-closed cooling water system

在該方案中，啟動擴容器壓力為1.8 MPa時，閃蒸蒸汽量約為12.2 t/h，閃蒸蒸汽焓值為2 757.76 kJ/kg；疏水流量約為101.3 t/h，疏水溫度為207 ℃，疏水焓值為884.6 kJ/kg。

將啟動擴容器的閃蒸蒸汽排至除氧器，與輔助蒸汽一起對疏水冷卻器冷卻后的疏水進行加熱，保證除氧器內(nèi)的水溫不低于190 ℃，以滿足蒸汽發(fā)生器對水溫和含氧量的要求。

二是調(diào)解組織方面的問題。雖然，從機構(gòu)建制和人員配置方面看，我國各級調(diào)解組織機構(gòu)設(shè)置是很健全的，人員配置是比較充足的。但是，從專業(yè)素質(zhì)和調(diào)解能力來看，還存在許多問題?！耙徽臼健彼痉ù_認機制的運行，要求人民調(diào)解員完全按照訴訟程序的標準開展調(diào)解活動，按照訴訟案件的標準制作調(diào)解筆錄、收集各類資料和證據(jù)，按照法律規(guī)定的標準起草調(diào)解協(xié)議，對于法律專業(yè)素養(yǎng)不足的人民調(diào)解員來說，還是有很大難度的。這就需要主管部門在人員配備、素質(zhì)培養(yǎng)等方面花大力氣。

疏水冷卻器按照將啟動擴容器疏水從207 ℃冷卻到50 ℃(對應焓值210.88 kJ/kg)進行選型，所需閉式冷卻水量為：(884.6-210.88)×101.3÷36÷(7×4.2)=644.8 kg/s=2321 t/h，現(xiàn)有閉式冷卻水系統(tǒng)設(shè)計流量滿足要求。

系統(tǒng)運行時，為降低輔助蒸汽消耗量，可控制疏水冷卻器出口疏水溫度136 ℃(對應焓值573.02 kJ/kg)，所需閉式冷卻水量為(884.6-573.02)×101.3÷36÷(7×4.2)=298.2 kg/s=1 074 t/h。

注：閉式冷卻水的溫升按7 ℃考慮，水的比熱容按4.2 kJ/(kg·℃)考慮。

2.2 對運行、檢修方面影響

(1)與循環(huán)水泵—凝汽器余熱導出方案類似，汽輪發(fā)電機組停運初期，汽輪發(fā)電機組范圍內(nèi)的盤車、頂軸油泵、輔助油泵、排煙風機、軸封系統(tǒng)等均需投入運行。參考火電機組運行經(jīng)驗，盤車運行3天后可破壞凝汽器真空。因此，汽輪發(fā)電機組停運3天內(nèi)，可按上述方案運行；3天后破壞凝汽器真空，停運軸封系統(tǒng)、凝汽器抽真空系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)，按“循環(huán)水泵—閉式冷卻水泵余熱導出方案”運行。

(2)需要投運循環(huán)水系統(tǒng)、汽機房開式冷卻水系統(tǒng)、汽機房閉式冷卻水系統(tǒng)、啟動和停堆冷卻系統(tǒng)、主給水除氧器系統(tǒng)、啟動給水系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)等，系統(tǒng)清單詳見表2。

表2 循環(huán)水泵—凝汽器方案需要投運的系統(tǒng)清單Table 2 The list of systems to be put into operation for the circulating pump-condenser scheme

(3)輔助蒸汽由啟動擴容器的擴容蒸汽自給自足，按零消耗考慮。

2.3 投資及運行費用

通過上述分析，本方案需要增設(shè)疏水冷卻器，參考1號機組，疏水冷卻器的投資為130萬元。同時，需要額外增設(shè)相應管線及閥門，投資按20萬元考慮。

在此期間(按7天考慮)，前3天需要投運循環(huán)水泵、閉式冷卻水泵、凝結(jié)水泵、啟動給水泵、真空泵、盤車裝置、頂軸油泵、輔助油泵、排煙風機、軸封風機等設(shè)備，后4天停運凝結(jié)水泵、真空泵、軸封風機。其中，凝結(jié)水泵運行時以小流量工況運行，運行功率約為600 kW；閉式冷卻水泵運行功率按350 kW考慮。設(shè)備總運行功率約為6 645 kW，按照0.85元/(kW·h)(工業(yè)用電價格)進行估算，運行費用為：

0.85×6 645×24×3+0.85×

5 736×24×4=87.5(萬元)

本工程設(shè)計壽期為40年，每半年換料一次。按照每年正常停堆換料2次進行估算，年費用約為：

87.5×2=175(萬元)

相較“循環(huán)水泵—凝汽器余熱導出方案”，“循環(huán)水泵—閉式冷卻水泵余熱導出方案”可以減少來自鄰機的輔助蒸汽消耗，相應蒸汽可用于發(fā)電。

經(jīng)計算，“循環(huán)水泵—凝汽器余熱導出方案”第3天用于除氧器加熱的輔助蒸汽消耗量約為17.7 t/h，第7天輔助蒸汽消耗量約為11.3 t/h，按平均值考慮，“循環(huán)水泵—閉式冷卻水泵余熱導出方案”可以節(jié)省的輔助蒸汽量為14.5 t/h，折算為對應的鄰機主蒸汽量為13.1 t/h。上述主蒸汽用于汽輪機組發(fā)電，可發(fā)電3.7 MW，每年按8天考慮(單次按4天考慮)，相較“循環(huán)水泵—凝汽器余熱導出方案”，“循環(huán)水泵—閉式冷卻水泵余熱導出方案”鄰機每年多發(fā)電的收益為：3.7×24×8×430=30.5(萬元)，其中，上網(wǎng)電價按430元/MW考慮。

綜上，相較“循環(huán)水泵—凝汽器余熱導出方案”，“循環(huán)水泵—閉式冷卻水方案”每年節(jié)省運行費用以及鄰機多發(fā)電的收益為45.3萬元，大約4年時間可回收所增加的投資費用。

3 結(jié)論

經(jīng)過以上分析，可得出以下結(jié)論。

1)兩種優(yōu)化方案都對LBN系統(tǒng)進行了大量的優(yōu)化甚至取消，涉及泵、循環(huán)冷卻塔、閥門、儀表、DCS點位以及相關(guān)電纜等，對前期項目投資和建設(shè)周期有積極的作用，并且針對系統(tǒng)維修成本幾乎降至“位以成本。

2)兩種優(yōu)化方案雖然各有不足之處，但在技術(shù)上都是可行的，能夠滿足機組停堆換料期間冷卻7天的要求。

3)“循環(huán)水泵—閉式冷卻水泵余熱導出方案”與“循環(huán)水泵—凝汽器余熱導出方案”相比，需新增疏水冷卻器設(shè)備及相應管線、閥門，工程投資相對較多，但前者能夠節(jié)省運行費用以及增加鄰機的發(fā)電收益，大約4年時間可回收所增加的投資費用，因此示范快堆2號機組的正常余熱導出優(yōu)化方案推薦采用“循環(huán)水泵—閉式冷卻水泵余熱導出方案”。

綜上，正常余熱導出優(yōu)化方案結(jié)合了示范快堆降本增效精細化管理的需求，也考慮了示范快堆繼續(xù)的特點和可靠性要求，示范快堆2號機組的正常余熱導出系統(tǒng)可采用循環(huán)水泵—閉式冷卻水泵余熱導出方案進行設(shè)計。