模塊式小型堆ACP100二回路給水泵配置分析

梁鐵波+嚴思偉+黎春梅+任云+曾暢+王亮+郝承明

【摘 要】模塊式小型堆ACP100二回路采用2×50%容量汽動調速泵為主給水泵、2×25%容量電動調速泵為啟動給水泵的配置，從模塊式小型堆核電機組啟動程序、二回路運行特性、主給水調節方式及降負荷能力等方面對模塊式小型堆二回路給水泵配置方式進了分析，并與M310機組及在建的三代核電AP1000、EPR1000機組的給水泵配置進行對比分析。通過分析，為我國后續模塊式小型核電機組的常規島給水系統設計提供借鑒和參考。

【關鍵詞】模塊式；小型堆；主給水；給水泵；二回路

0 引言

常規壓水堆核電站主給水系統的主要功能是將溫度、壓力和水質合格的給水送到蒸汽發生器，并利用給水系統調節功能將蒸汽發生器水位維持在給定范圍，它是保證核島安全運行和汽水品質的重要熱工系統，與常規火電站一樣，壓水堆核電站主給水調節系統也有兩類，即定速給水泵給水系統和調速給水泵給水系統，兩種給水系統在較高負荷下（大于15%～20%）采用三沖量調節控制的原則。在低負荷下由于蒸汽參數低，負荷變化小，蒸汽發生器假水位現象不太嚴重，維持給定水位的要求不太高，加之蒸汽流量和給水流量小而很難準確測量等原因，所以低負荷下給水采用單沖量旁路調節控制方法。

主給水流量喪失事故，作為RCC-PⅡ類事故（中等頻率事故），是核電站設計基準事故之一。主給水泵失效是二回路正常給水流量喪失的主要原因，該工況將導致輔助給水系統投運（針對M310機組）或第二層次縱深防御的啟動給水系統啟動（針對AP1000機組）、甚至是反應堆停堆等一系列動作。這將給機組帶來巨大的經濟損失。因此，設計合適的二回路給水系統，合理配置給水泵數量和容量，采取符合機組運行特性的調節方式等，對核電廠安全運行和經濟效益至關重要。模塊式小型堆是我國自主開發的小型核電機組，其常規島給水系統采用2×50%容量汽動調速泵為主給水泵、2×25%容量電動調速泵為啟動給水泵的配置，這與目前我過在運行核電機組給水泵配置差別很大，與AP1000為代表的三代壓水堆機組常規島主給水系統采用3×33%容量電動定速給水泵的配置也存在一定差異。本文從模塊式小型堆機組啟動程序、二回路運行特性、主給水調節方式及降負荷能力等方面進行對其二回路給水泵配置方式進分析，并與M310機組及在建的三代核電AP1000、ERP1000機組的給水泵配置進行對比，以期為我國后續的小型核電機組的給水系統設計提供參考。

1 模塊式小型堆二回路給水系統

1.1 模塊式小型堆二回路運行特性

模塊式小型堆運行特性，與M310、AP1000等采用飽和式蒸汽發生器的核電站相比，存在較大的差異。第一、模塊式小型堆反應堆冷卻劑系統在穩態運行時保持反應堆冷卻劑平均溫度不變，這樣有利于改善核蒸汽供應系統的穩態特性，反應堆冷卻劑系統靜態運行特性曲線如圖1所示；第二、模塊式小型堆二回路在穩定功率范圍運行時，蒸汽發生器二次側出口蒸汽壓力保持不變（圖2中B-E線），而蒸汽發生器二次側出口蒸汽溫度隨功率變化的關系如圖3所示；第三、蒸汽發生器二次側水裝量少，瞬態性能差，需控制系統的響應足夠快；第四、反應堆冷卻劑系統運行時，蒸汽發生器沒有排污流量，這樣提高了對給水水質的要求，也需要考慮蒸汽發生器的污垢清除；第五、在機組啟動過程中，質量、能量、壓力和溫度發生強烈的變化，運行設備的熱應力比正常運行穩態工況下產生的熱應力大得多。為了不犧牲蒸汽發生系統的效率，也不影響裝置的可靠性和利用率，必須努力提高裝置的運行安全性。在啟動的過程中，調節的參數和動作愈少，通過切換動作引入結構轉換愈少，沖動汽輪機的時間愈提前，產生故障的可能性愈低。

1.2 采用調速泵的可行性分析

1.2.1 機組啟動程序

模塊式小型堆核電機組，二回路設有主給水系統和啟動給水系統，其啟動流程如圖4所示。當機組啟動時，給水通過電動調速泵流經給水管道送至蒸汽發生器，水源為除氧器中的水或小冷凝器的水。啟動給水系統設有兩臺25%容量的電動調速泵。機組啟動過程中，一臺電動調速泵運行，為減少啟動過程的調節參數和動作，降低故障的發生概率，采用定流量啟動方式，即蒸汽發生器二次側在穩壓器建立汽腔時，手動控制電動調速泵及旁路調節閥，控制蒸汽發生器的給水流量和壓力，在整個啟動過程中給水流量不再變化，只需控制二回路壓力，并隨著一回路功率、溫度的升高逐漸達到要求的蒸汽品質。當堆芯熱功率升至蒸汽發生器穩定運行功率點時，給水切換至主給水泵及主給水調節閥供給。

因蒸汽發生器的結構特性，無法實現運行過程的排污，因此在每次停堆換料期間需要考慮蒸汽發生器的污垢清除，在停堆階段，通過電動調速泵及旁路調節閥，利用一定濕度的濕蒸汽對蒸汽發生器二次側進行清洗，以清除二次污垢。

1.2.2 主給水調節方式

因模塊式小型堆蒸汽發生器二次側水裝量少，瞬態性能差，需控制系統的響應足夠快，以保證二回路的定壓運行方式要求，同時沒有設置蒸汽發生器水位測量，因此模塊式小型堆給水系統不能像其他飽和式蒸汽發生器那樣，利用蒸汽發生器水位對給水流量進行調節。模塊式小型堆主給水系統通過如下兩個控制系統調節給水流量，實現蒸汽發生器二次側出口蒸汽壓力恒定和對應負荷的給水流量需求值：

1）給水泵轉速控制

給水泵的轉速控制系統用于維持蒸汽發生器二次側出口蒸汽壓力恒定。通過二次側蒸汽目標壓力值P0和二次側蒸汽測量壓力值P比較，產生主給水泵轉速控制信號，其原理如圖5所示。

2）主給水調節閥控制

主給水調節閥用于蒸汽發生器最低穩定運行功率以上的給水流量自動調節。首先通過蒸汽流量測量信號與蒸汽流量-負荷曲線比較，產生一個蒸汽流量需求值，然后該需求值與給水流量信號比較，產生給水流量信號去控制主給水流量調節閥，其原理如圖6所示。

1.2.3 與其他類型機組二回路給水泵配置的對比endprint

表1給出了不同類型機組二回路給水泵配置方式比較。

從在建的三代核電站AP1000和EPR1000二回路給水泵的配置可以看出，目前三代核電站二回路給水泵的配置方式并不唯一。模塊式小型堆作為固有安全性與三代核電站相當的小型核電站，其二回路給水泵配置也體現了其本身的特點，由于蒸汽發生器結構特點，二回路固有的瞬態響應能力較飽和式蒸汽發生器而言較差，同時二回路的定壓運行方式對系統的瞬態響應能力要求增加，因此模塊式小型堆采用2×50%容量汽動調速泵為主給水泵、2×25%容量電動調速泵為啟動給水泵的配置方式，通過泵調節+閥調節的方式，能較好符合模塊式小型堆機組啟動要求和二回路給水系統瞬態響應要求。同時為提高啟動給水泵的利用率（兩臺啟動給水泵僅在反應堆啟動和停堆過程使用），考慮將兩臺電動調速泵作為主給水泵的備用泵，這樣即不降低整個核電機組安全性經前提下，減少了整個模塊式小型堆給水系統泵的數量，提高機組的經濟性。

2 問題分析

通過上述分析，可以得出對于模塊式小型堆核電機組，二回路給水系統采用2×50%容量汽動調速泵為主給水泵、2×25%容量電動調速泵為啟動給水泵的配置方式，滿足模塊式小型堆核電機組的運行特性要求，同時統籌考慮二回路給水泵的設置，不設置專門的備用主給水泵，而是充分利用二回路已存在的其他給水泵，作為主給水泵的備用泵，這即可保證機組的安全性不降低也能保證單臺泵故障后機組的經濟性不降低。但是，這種配置方式存在以下問題：

1）由于采用小汽輪機驅動給水泵，小汽輪機本身帶有抽汽管道、調節潤滑油系統、前置泵減速機構、小汽輪機汽封系統、疏水放汽系統以及小汽輪機排汽管道等，同時汽動給水泵及其相關系統占地面積大約是電動給水泵的2倍、占用空間高度至少是電動給水泵的3倍，這些不利因素將導致汽動調速給水泵投資費用比電動調速給水泵投資費用高出許多。

2）目前我國核電機組容量占整個電力裝機容量的比例較小，同時模塊式小型堆機組為小型核電站，機組的發電量較小，可不用考慮其參加電網的負荷調節，因此可以考慮采用電動定速主給水泵+調速啟動給水泵的配制方式，進一步優化模塊式小型堆給水泵的設置方式。

3 結論

通過上述分析，可知對于模塊式小型堆核電機組，二回路給水系統采用2×50%容量汽動調速泵為主給水泵、2×25%容量電動調速泵為啟動給水泵的配置方式，滿足機組的運行特性要求，能較好符合機組啟動要求和二回路給水系統瞬態響應要求，同時統籌考慮二回路給水泵的設置，不設置專門的備用主給水泵，而是充分利用二回路已存在的其他給水泵，作為主給水泵的備用泵，這即可保證機組的安全性不降低也能保證單臺泵故障后機組的經濟性不降低。但是從經濟上分析，采用汽動調速主給水泵，較電動調速給水泵而言，對常規島廠房占地面積、初期投資都存在一定改進的空間，需要進行安全性、技術性和經濟性對比分析后決定是否改用電動調速給水泵或采用電動定速主給水泵+調速啟動給水泵的配制方式。

[責任編輯：田吉捷]endprint