CEFR常規島輔助蒸汽系統汽源切換仿真實驗

路云

【摘 要】中國實驗快堆（CEFR）的常規島輔助蒸汽系統設計有三種供汽汽源以適應常規島在不同運行階段的用汽要求。反應堆高功率水平下，輔助蒸汽應由蒸發器出口微過熱蒸汽切換為汽輪機一段抽汽提供，但是在CEFR的調試運行期間，為保證反應堆的穩定運行，尚未在系統中開展過此項實驗，因此有必要通過仿真實驗模擬此工況，以便獲得常規島系統關鍵參數的變化趨勢和波動范圍，對尚未開展此項實驗的實際運行工作給出數據參考以及判斷保護動作危險點的數據支持，對實際系統提出改進建議。

【關鍵詞】中國實驗快堆；常規島；輔助蒸汽；汽源切換

0 引言

中國實驗快堆（CEFR）是我國第一座池式鈉冷的實驗性快中子反應堆。熱功率65MW，電功率20MW。主要目的是用于快堆燃料元件的考驗和積累快堆電站的設計、運行經驗。CEFR于1995年完成概念設計，1998年完成初步設計，2000年正式施工，2010年達到首次臨界，2011年實現并網發電，2014實現滿功率運行144小時的技術指標。通過中國實驗快堆工程的實施，我國基本掌握了快堆的設計、建造、調試技術。

快堆一共有4個回路，其中一、二回路為鈉回路，三回路為汽/水回路，四回路為循環冷卻水回路。一回路鈉將堆芯產生的熱量通過中間熱交換器傳遞給二回路鈉，二回路鈉將熱量通過蒸汽發生器傳遞給三回路的合格給水，給水被加熱后產生過熱蒸汽進入常規島系統，推動汽輪發電機組發電，最終乏汽進入凝汽器，與四回路的循環冷卻水進行熱交換凝結成凝結水，重新回到三回路汽水循環系統當中，進行熱力循環。

由于CEFR采用“鈉-鈉-水”的主熱傳輸系統設計，因此快堆的輔助蒸汽系統除了向常規島系統提供預熱汽用汽和汽輪機暖機用汽以外，其最重要的功能是在系統啟動以前向除氧器提供加熱蒸汽，將常規島給水溫度加熱到190℃，以滿足蒸汽發生器進水條件。

1 CEFR常規島輔助蒸汽系統簡介

CEFR常規島系統流程圖如圖1所示。其中輔助蒸汽系統由啟動鍋爐、輔助蒸汽母管、減溫減壓器及必要的管道和閥門組成。在系統啟動前，啟動鍋爐向輔助蒸汽系統供汽，一路直接去除氧器加熱給水，一路通過減溫減壓后向3#低壓加熱器供汽，加熱進入到除氧器前的凝結水。反應堆啟動以后，隨系統熱功率的提高，蒸汽發生器由水工況逐漸過渡到汽工況，之后輔助蒸汽系統汽源逐漸由蒸發器出口微過熱蒸汽通過啟動擴容器減壓降溫后提供，啟動鍋爐處于熱備用狀態；這種工況將一直持續到汽輪機負荷升到75%額定負荷以上，汽輪機一段抽汽具備向輔助蒸汽系統提供汽源條件為止；之后輔助蒸汽系統的汽源由汽輪機一段抽汽提供。

CEFR常規島系統的實際運行過程中，尚未投入過汽輪機一段抽汽作為輔助蒸汽系統的汽源，原因可歸納為以下兩方面：

1）汽輪機一段抽汽具備可投入的條件是，反應堆以及汽輪機功率較高（75%額定功率以上），汽輪機一段抽汽壓力達到～1.4MPa及以上。但是實際CEFR常規島系統的檢測手段有限，無法可靠的判斷一段抽汽的壓力，因此，不能確定一段抽汽的切入時機。

2）未開展過輔助蒸汽系統汽源切換的相關實驗，缺少動態運行的數據信息支持，從安全角度考慮，在反應堆高功率運行的條件下，應避免此類不確定性實驗對反應堆系統帶來的影響。

根據以上分析，有必要在仿真系統中進行輔助蒸汽系統的汽源切換實驗，進而獲得系統參數變化的動態信息，獲得對實際操作有益的數據資料。

2 仿真實驗環境簡介

在本實驗開展以前，筆者為研究CEFR熱力循環系統仿真系統的國產化開發，利用國內擁有完全自主知識產權的仿真支持平臺——“大型科學計算與仿真支撐平臺SimuWorks”，以CEFR常規島熱力系統整體為仿真建模對象，建立了CEFR常規島熱力系統仿真計算模型，并對該模型開展了穩態設計參數驗證工作。

在該仿真計算模型中，對二回路向三回路傳遞熱量的邊界設備蒸汽發生器進行了簡化處理，建立了集總參數法的計算模型，該模型基于軟件自身模型庫中的直流鍋爐模型進行開發，采用輸入蒸發器和過熱器的設計熱功率以及設計給水流量的對應線性變化參數的方法，定義其所傳遞的熱功率與給水流量的關系曲線，并通過該曲線進行整個仿真系統的熱功率變化和實驗條件的定義，具體設計輸入參數見表1。

針對CEFR常規島仿真系統的穩態設計參數驗證，分別選取100%、75%、40%額定功率條件下進行系統穩態仿真測試，并將仿真結果與CEFR常規島系統的設計參數進行對比，如表2所示。

綜合仿真系統100%額定功率和75%額定功率穩態運行的計算結果進行誤差分析，其中重要參數的仿真計算結果誤差均在2%以內，例如蒸汽發生器出口（即過熱器出口）蒸汽參數，機組出力，給水參數等。但是個別參數誤差較大，例如在100%額定功率穩態驗證結果中，汽輪機排汽壓力（0.0217MPa）與設計值（0.02MPa）相比較稍高（誤差為8.5%），造成這一結果的原因是汽輪機各段抽汽的計算數值偏小（二段抽汽計算誤差為-9.7%），因此機組排汽流量稍大（設計值：19.725kg/s，計算值：20.07kg/s），引起機組排汽壓力稍高。而在75%額定功率穩態驗證結果中，誤差最大的為“蒸發器出口溫度”一項，設計值為386℃，計算值為347℃，誤差約為10%。分析認為，本文所建立的蒸發器模型為基于直流鍋爐的集總參數簡化計算模型，設計參數給出的蒸發器出口流量為計算值，而真實的蒸汽發生器應該基于鈉側熱力參數的變化來計算熱功率，而鈉的物性、傳熱特性與煙氣相對鍋爐水冷壁的傳熱特性有較大差別，因此對于“蒸發器的出口溫度”該項參數有較大的誤差；但是對于蒸汽發生器的整體模型而言，其總的熱功率以及其出口蒸汽溫度均與設計參數相當，因此認為作為向常規島系統提供汽源并作為整個流網的阻力件而言，簡化的蒸汽發生器模型滿足本文的研究要求。

從整體上看，穩態設計參數驗證結果中，機組出力情況以及主蒸汽的溫度和壓力等計算結果等重要參數的誤差控制在5%，整體數據的誤差不超過10%[1]，因此可以認為CEFR熱力循環仿真系統額定功率狀態運行的穩態仿真結果是較為準確和可靠的。

在40%額定功率的設計參數驗證中，根據設計資料[2-3]，在此工況條件下，輔助蒸汽由蒸發器出口微過熱蒸汽通過啟動擴容器減溫降壓后提供；而且除蒸汽發生器設計參數以外，設計資料沒有明確顯示在40%額定功率條件下其他系統參數，因此對本工況仿真驗證的目的在于驗證啟動停堆冷卻系統的仿真工作能力。結果顯示，本工況條件下，整個常規島仿真系統全部投入運行，除氧器的加熱蒸汽由啟動擴容器提供，整個流網的壓力降低，仿真系統行較為穩定，滿足開展針對實際運行參數驗證工作的條件。

3 CEFR常規島輔助蒸汽系統汽源切換仿真實驗

3.1 實驗方案及數據

調整CEFR常規島仿真系統75%額定功率的穩態運行條件下，開展輔助蒸汽系統汽源切換的操作，全程維持蒸汽發生器熱功率不變，不開展其他任何操作；假設系統管道已經充分預暖，不存在開閥引起的水錘現象。

在實驗過程中，將汽輪機一段抽汽隔離閥門開度按照0.1的設定值，由0（全關）依次開啟到1（全開），然后通過控制模塊逐漸降低啟動擴容器內的壓力設定值，將啟擴內的壓力由1.4MPa，逐漸設定為0MPa，使啟動擴容器的進汽調節閥逐漸關閉；此過程即實現了由蒸發器出口微過熱蒸汽經啟動擴容器減溫減壓提供輔助蒸汽切換為汽輪機一段抽汽提供輔助蒸汽。系統各主要參數變化曲線入圖2所示，汽輪發電機組主要參數變化如圖3所示。

3.2 實驗結論

1）CEFR常規島輔助蒸汽系統汽源切換實驗的仿真數據顯示，75%額定功率條件下，汽輪機一段抽汽的壓力為1.467MPa，相對于啟擴的運行壓力1.36MPa要高，具備了投入一段抽汽作為輔助蒸汽汽源的條件。

2）在投入汽輪機一段抽汽的過程中，會發生給水參數的波動情況，該波動雖不會觸發保護限值，但是仍值得運行人員重點關注。1、2#蒸發器給水參數峰值列于表3。

表3 汽源切換過程中1、2#蒸汽發生器給水參數變化峰值列表

3）汽源切換完畢后，仿真系統顯示系統流網內壓力升高，相應給水流量降低，熱功率一定的條件下，主蒸汽溫度升高。

4）汽源切換完畢后，機組一段抽汽的壓力略有降低，由1.467MPa降低到1.31MPa趨于穩定。

5）一段抽汽開始向除氧器供汽以后，除氧器內的壓力開始逐漸降低，給水溫度也處于下降趨勢。

6） 汽源切換過程中，機組軸端功率由15461kW經過微小波動，逐漸在14510kW附近趨于穩定。該波動由主蒸汽流量的波動引起。

4 對實際輔助蒸汽系統的分析及建議

實際CEFR常規島系統的輔助蒸汽系統汽源切換的相關管線及設備的流程圖，如圖4所示。

通過圖4可知，用于測量機組一段抽汽的壓力表設置在一段抽汽的液壓逆止閥之后，因此在一段抽汽逆止閥沒有開啟的條件下無法準確測量一段抽汽的壓力，這也是在實際運行過程中技術人員觀測到一段抽汽壓力較低的原因之一。

當一段抽汽開始向除氧器供汽以后，由于高度差的存在，進入除氧器的蒸汽壓力會偏低約0.01MPa，因此在一段抽汽的壓力本就較額定設計參數低（結論4））的情況下，容易發生除氧器的壓力降低，給水參數降低的情況，但是由于除氧器本身熱容較大，給水溫度變化比較緩慢，仿真計算顯示（圖2，4）），若維持除氧器液位為1950mm，在6分鐘之內除氧器出口給水溫度降低約2.5℃。

由仿真結論4）、5）可知，如果切換一段抽汽為除氧器加熱汽源以后，須盡快通過升功率的方式，提高主蒸汽參數和流量，進而提高機組一段抽汽壓力，防止因除氧器壓力下降，導致給水泵發生汽蝕現象，觸發保護系統動作。

通過仿真實驗數據的分析，結合真實的CEFR常規島系統，給出如下建議：

1）改變汽輪機一段抽汽壓力測點位置。將該測點設置在抽汽逆止閥與汽輪機抽汽口之間的管道上，以解決汽輪機一段抽汽壓力的讀取問題。

2）機組進汽參數較低或者進汽流量較低的條件下，不建議做切換除氧器加熱汽源的操作。原因有兩點：

①切換汽源后，若不調整系統其他部位，會造成系統主蒸汽溫度、壓力提高，流量下降，損失部分發電功率（與圖3顯示情況類似）；

②若調整系統給水流量使之與汽源切換之前保持一致，則造成主蒸汽溫度下降、主蒸汽流量上升，雖然貢獻了部分發電功率，但是機組一段抽汽參數較低，除氧器壓力、溫度下降較快（延圖2，4）顯示情況迅速發展），給水泵容易發生汽蝕，引發保護系統動作。

3）建議在輔助蒸汽向除氧器供汽的閥門F10001之后增加逆止閥。防止切換一段抽汽的過程中，一段抽汽向啟動擴容器發生倒灌現象，引起系統波動。

4）輔助蒸汽系統切換汽源完成后，不建議立即切除啟動擴容器，以便蒸發器出口微過熱蒸汽輔助一段抽汽維持除氧器供汽壓力，直到一段抽汽壓力和溫度達到設計參數。

5 結論

本文利用由大型科學計算與仿真支撐平臺SimuWorks建立的CEFR常規島系統仿真計算模型，首次模擬常規島實際運行過程中尚未實施過操作的輔助蒸汽系統汽源切換的實驗，得出了在此瞬態過程中CEFR常規島系統關鍵參數的波動范圍，通過對系統重要參數的瞬態變化過程進行分析，得出了該操作的實施建議和系統改進建議。

【參考文獻】

[1]馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及計算[M].北京：科學出版社，1992.

[2]三回路運行工況說明[R].CEFR設計資料.

[3]HN20-13.0型汽輪機熱力特性H02.000.1J（D）[R].CEFR.設計資料.

[責任編輯：王偉平]