鈉冷快堆汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)優(yōu)化

左創(chuàng)舉， 孫文釗， 李保廷， 高玉峰， 李 蒙， 曾乃頌

(1. 西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司， 西安 710054；2. 西安熱工研究院有限公司， 西安 710054； 3. 中核霞浦核電有限公司， 福建寧德 355100)

核電在實現(xiàn)能源低碳化過程中發(fā)揮極其重要的作用[1]。快中子反應(yīng)堆(簡稱快堆)能夠保證鈾資源長期穩(wěn)定的供應(yīng)，并且可焚燒和嬗變掉壓水堆乏燃料中的長壽命高放射性廢物[2]，成為世界上第四代先進核能系統(tǒng)的首選堆型之一。

針對1 000 MW以上的大型商用鈉冷快堆，當(dāng)采用鈾钚氧化物燃料運行時，其增殖比可達(dá)1.3，如果換用鈾钚金屬燃料，增殖比將會達(dá)到1.582。金屬鈉在熱物性上的優(yōu)點[3]主要表現(xiàn)在：熔點低，易于熔化；沸點高，不易沸騰產(chǎn)生鈉氣泡；密度低于水，節(jié)省泵功率等。此外，更重要的是，在反應(yīng)堆運行情況下，鈉的熱導(dǎo)率比水高百倍以上[4]，可以保證堆芯和燃料不易過熱。

汽輪機沖轉(zhuǎn)試驗即根據(jù)不同的堆型和現(xiàn)場情況，利用合適的熱源，將冷卻劑在汽輪機回路內(nèi)加熱產(chǎn)生飽和蒸汽，并將汽輪發(fā)電機組沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速的試驗[5]。核電廠汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)主要目的是驗證蒸汽回路整體是否可以正常運轉(zhuǎn)，并盡早發(fā)現(xiàn)汽輪發(fā)電機組在安裝過程中的各種問題[6]。對于鈉冷快堆，非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的成功表明蒸汽回路調(diào)試已基本完成，并且即將進入鈉-水-汽聯(lián)合調(diào)試階段[7]。

目前，按照沖轉(zhuǎn)汽源可將非核蒸汽沖轉(zhuǎn)方法分為：(1)在熱態(tài)試驗階段，利用一回路主冷卻劑泵和穩(wěn)壓器的電加熱器的熱量，加熱汽水回路冷卻劑產(chǎn)生蒸汽，進行非核蒸汽沖轉(zhuǎn)。該方法在一些發(fā)達(dá)國家(如日本和德國)中使用較為廣泛，在我國現(xiàn)有壓水堆[8]調(diào)試過程中也有應(yīng)用。將一回路主冷卻劑泵和穩(wěn)壓器的電加熱器[9-10]的熱量作為熱源能否滿足汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)蒸汽參數(shù)的要求，需要進行計算驗證。(2)設(shè)置足夠容量的輔助鍋爐[11]，利用輔助鍋爐產(chǎn)生的蒸汽進行非核蒸汽沖轉(zhuǎn)。該方法在另一些發(fā)達(dá)國家(如法國)使用廣泛，可以保證熱源有足夠的加熱功率，但輔助鍋爐燃料的費用較高，在主冷卻劑泵和穩(wěn)壓器的電加熱器能產(chǎn)生足夠熱量的前提下，我國多數(shù)壓水堆不設(shè)置輔助鍋爐。

筆者對國內(nèi)外核電廠汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的經(jīng)驗進行總結(jié)，參考我國鈉冷快堆的實際工況和工程經(jīng)驗，歸納了適合鈉冷快堆的汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗方法。同時，通過對系統(tǒng)進行優(yōu)化，提出了針對鈉冷快堆汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的優(yōu)化方案，并對優(yōu)化后的經(jīng)濟性和安全性進行了分析。

1 非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗

鈉冷快堆與壓水堆非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗的不同為：

(1) 鈉冷快堆與壓水堆的傳熱模式[12-13]不同。從安全性的角度考慮，鈉冷快堆比壓水堆增加了中間鈉回路(見圖1)。中間鈉回路[14]的增加會導(dǎo)致熱量耗散的增加，三回路的蒸汽參數(shù)也會降低。

圖1 我國鈉冷快堆結(jié)構(gòu)

(2) 鈉冷快堆與壓水堆的汽輪機沖轉(zhuǎn)蒸汽參數(shù)不同。在對鈉冷快堆的汽源進行選擇時，必須依據(jù)傳熱學(xué)的數(shù)值計算結(jié)果。根據(jù)鈉冷快堆汽輪機廠商推薦的非核蒸汽沖轉(zhuǎn)參數(shù)，沖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速曲線見圖2。

圖2 非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速變化

非核蒸汽沖轉(zhuǎn)時，直流式蒸汽發(fā)生器運行有流動穩(wěn)定性要求，鈉冷快堆的設(shè)計最小給水質(zhì)量流量為5%額定給水質(zhì)量流量(水工況)、8%額定給水質(zhì)量流量(汽工況)。蒸汽發(fā)生器在汽工況下最小給水質(zhì)量流量為181.6 t/h。

沖轉(zhuǎn)蒸汽所需壓力的計算公式為：

p0=qm,min(h2-h1)

(1)

式中：p0為沖轉(zhuǎn)蒸汽所需壓力，MPa；qm,min為沖轉(zhuǎn)所需最小蒸汽質(zhì)量流量，t/h；h2為沖轉(zhuǎn)蒸汽比焓，kJ/kg；h1為給水比焓，kJ/kg。

根據(jù)水的物性參數(shù)及鈉冷快堆的設(shè)計數(shù)據(jù)，鈉冷快堆機組的主要參數(shù)見表1。

表1 鈉冷快堆的主要參數(shù)

根據(jù)鈉冷快堆設(shè)計方法，輔助鍋爐房設(shè)置3臺燃油鍋爐及其附屬設(shè)備，其中：2臺燃油鍋爐的額定蒸汽質(zhì)量流量均為50 t/h，1臺燃油鍋爐的額定蒸汽質(zhì)量流量為15 t/h。出口蒸汽的壓力為2.1 MPa、溫度為280 ℃。在試驗過程中，要求蒸汽參數(shù)不發(fā)生振蕩，輔助鍋爐保持95%額定蒸汽質(zhì)量流量(109 t/h)不變，通過調(diào)節(jié)汽輪機旁路來控制汽輪機進汽壓力，進而控制各階段沖轉(zhuǎn)參數(shù)。

由于常規(guī)島汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的蒸汽凝結(jié)水直接外排不返回輔助鍋爐給水系統(tǒng)，輔助鍋爐給水采用20 ℃的除鹽水，輔助鍋爐在額定工況運行時汽輪機軸封供汽需要11.6 t/h的輔助鍋爐蒸汽，因此輔助鍋爐可向用戶提供的蒸汽質(zhì)量流量約為97 t/h。在汽輪機沖轉(zhuǎn)達(dá)到2 000 r/min轉(zhuǎn)速平臺時，需要輔助鍋爐提供67 t/h蒸汽；在汽輪機沖轉(zhuǎn)達(dá)到3 000 r/min轉(zhuǎn)速平臺時，需要輔助鍋爐提供92 t/h蒸汽。

輔助鍋爐雖然能夠滿足汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的蒸汽供應(yīng)要求，但仍然可以對汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)方法進行優(yōu)化，減少輔助鍋爐補水需求量、提高非核蒸汽沖轉(zhuǎn)過程安全性，同時降低成本。

2 汽水回路優(yōu)化

2.1 存在的不足

圖3為利用輔助鍋爐進行非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的汽水回路。利用輔助鍋爐進行非核蒸汽沖轉(zhuǎn)，除鹽水由除鹽水廠房生產(chǎn)，經(jīng)輔助鍋爐加熱產(chǎn)生蒸汽，部分蒸汽用于汽輪機軸封供汽，余下蒸汽經(jīng)主汽聯(lián)箱，進入汽輪機旁路。蒸汽先對進入汽輪機之前的管路進行沖洗，待蒸汽品質(zhì)合格后，利用汽輪機旁路調(diào)節(jié)汽輪機進汽壓力，蒸汽進入汽輪機沖轉(zhuǎn)，乏汽經(jīng)過凝汽器冷凝為凝結(jié)水，不經(jīng)過凝結(jié)水精處理系統(tǒng)，然后排入汽輪機房廢液收集系統(tǒng)。

圖3 利用輔助鍋爐進行非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的汽水回路

在鈉冷快堆汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)設(shè)計方法中，由于原方法將凝結(jié)水直接排入汽輪機房廢液收集系統(tǒng)，造成了除鹽水的浪費；并且經(jīng)凝汽器凝結(jié)而成的凝結(jié)水比除鹽水廠房生產(chǎn)的除鹽水的溫度更高，將凝結(jié)水直接排放也會造成高焓冷卻劑的浪費，進而造成輔助鍋爐燃料的浪費，增加非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗的成本。

2.2 汽水回路優(yōu)化

圖4為優(yōu)化后利用輔助鍋爐進行非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的汽水回路。在乏汽經(jīng)過凝汽器凝結(jié)成凝結(jié)水后，經(jīng)凝結(jié)水泵升壓及凝結(jié)水精處理之后，通過增加管線接入除鹽水供應(yīng)管線的支管，并在靠近接管位置，在除鹽水上游增加1個逆止閥和1個手動閘閥，在支管管路上增加1個逆止閥和1個手動閘閥。通過增加的支管及閥門，將凝汽器凝結(jié)而成的高焓凝結(jié)水經(jīng)精處理后重新導(dǎo)入輔助鍋爐汽水循環(huán)。

圖4 優(yōu)化后利用輔助鍋爐進行非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的汽水回路

優(yōu)化后汽水回路的優(yōu)點為：

(1) 減少除鹽水的浪費。除鹽水生產(chǎn)需要大量時間成本和經(jīng)濟成本，將除鹽水直接排出不進行回收，對水資源造成了極大的浪費。將凝結(jié)水精處理后回收至輔助鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)，可以節(jié)省水資源和經(jīng)濟成本。

(2) 減少輔助鍋爐燃料的成本。經(jīng)增加的支管回收再進行汽水循環(huán)的凝結(jié)水與直接從除鹽水廠房生產(chǎn)的除鹽水相比，其溫度更高。將回收的除鹽水加熱至沖轉(zhuǎn)所需參數(shù)，需要的燃料減少，可以節(jié)約燃料的成本。

(3) 提高非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗的延伸性和可持續(xù)性。鈉冷快堆每次停機換料或大修，停堆再次啟堆時都需要進行非核蒸汽沖轉(zhuǎn)。新增的管線和閥門可以多次使用，不會造成設(shè)備的浪費；并且可以減少除鹽水供應(yīng)壓力，提升系統(tǒng)供應(yīng)穩(wěn)定性。

3 優(yōu)化結(jié)果的計算分析

3.1 經(jīng)濟性

優(yōu)化后的非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗方法新增了一段支管和4個閥門(2個逆止閥和2個手動閘閥)，增加了相應(yīng)成本。與原非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗方法相比，在沖洗階段、蒸汽參數(shù)提升階段、沖轉(zhuǎn)升轉(zhuǎn)速階段和沖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速維持階段，優(yōu)化后的方法都有利于節(jié)省除鹽水和燃油的成本。根據(jù)快堆非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗方法，從輔助鍋爐以95%額定蒸汽質(zhì)量流量(109 t/h)產(chǎn)生蒸汽到汽輪機非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗結(jié)束，共持續(xù)約15.5 h。

針對鈉冷快堆非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的經(jīng)濟性計算為：

(1) 支管和閥門成本的增加。

根據(jù)相似工程經(jīng)驗估算，管道和閥門的成本及施工費用增加約2萬元。

(2) 燃油成本的節(jié)省。

使用輔助鍋爐進行非核蒸汽沖轉(zhuǎn)，鍋爐需要將20 ℃的除鹽水加熱至出口蒸汽參數(shù)。在對管線進行優(yōu)化后，蒸汽先經(jīng)過凝汽器凝結(jié)成凝結(jié)水，再經(jīng)過凝結(jié)水精處理系統(tǒng)，最后進入輔助鍋爐加熱，進入輔助鍋爐的凝結(jié)水溫度取40 ℃。根據(jù)非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗要求，沖洗階段進行大流量沖洗，后續(xù)每階段蒸汽量保持不變。

節(jié)省燃油質(zhì)量的計算公式為：

mo=cwmwΔTw/qo

(2)

式中：mo為節(jié)省燃油質(zhì)量，t；cw為除鹽水比熱容，J/(kg·K)；mw為除鹽水質(zhì)量，t；ΔTw為除鹽水溫升，K；qo為燃油熱值，J/kg。

優(yōu)化后節(jié)省的燃油計算結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化后節(jié)省的燃油計算結(jié)果

僅考慮燃油成本，燃油單價按3 000元/t計算，單次沖轉(zhuǎn)可節(jié)約燃油成本10 185元。考慮換料周期和壽期，停堆換料次數(shù)和大修次數(shù)約為30次，可節(jié)省成本約305 550元。

(3) 除鹽水成本的節(jié)省。

通過優(yōu)化試驗汽水回路，在15.5 h試驗時間內(nèi)系統(tǒng)回收的除鹽水量，即為優(yōu)化后非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗方法節(jié)約的除鹽水量。

參照其他電廠，綜合原材料費、固定資產(chǎn)折舊費、人工費、備品備件費、儀表維護費和排水費等，將除鹽水成本定位為30元/t，即單次沖轉(zhuǎn)除鹽水成本節(jié)約50 685元?？紤]換料周期和壽期，停堆換料次數(shù)和大修次數(shù)約為30次，共可節(jié)省除鹽水成本約1 520 550元。

綜合分析，在電廠壽期內(nèi)，使用優(yōu)化后的非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗方法，可節(jié)省總成本約180.6萬元。

3.2 安全性

優(yōu)化后的非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗方法，其安全性的提升主要體現(xiàn)為：

(1) 除鹽水經(jīng)過回收再利用，極大降低了除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)的壓力，使非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗的安全性大大提高。原試驗方法需要除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)時刻運轉(zhuǎn)，為非核蒸汽沖轉(zhuǎn)提供大量除鹽水。如果除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)無法持續(xù)提供足量除鹽水，非核蒸汽沖轉(zhuǎn)只能被迫停止；采用優(yōu)化過后的非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗方法，如果輔助鍋爐給水循環(huán)系統(tǒng)需要補水，可通過凝汽器補水，整個非核蒸汽沖轉(zhuǎn)汽水系統(tǒng)為閉式循環(huán)，不需要除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)持續(xù)提供大量除鹽水。優(yōu)化后的非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗方法使非核蒸汽沖轉(zhuǎn)對除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)的除鹽水供應(yīng)要求大大降低。只要除鹽水供應(yīng)量滿足非核蒸汽沖轉(zhuǎn)汽水循環(huán)補水的需求，則非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗不會因除鹽水的供應(yīng)不足而被迫停止。

(2) 優(yōu)化后的非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗方法完全回收了從凝汽器排出的高焓凝結(jié)水，不需要考慮高焓凝結(jié)水對設(shè)備和人員的影響，同時減少了隔離流程和隔離措施。

4 結(jié)語

對鈉冷快堆非核蒸汽沖轉(zhuǎn)方法進行討論，分析了2種主流非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗方法，重點說明了設(shè)置輔助鍋爐的鈉冷快堆非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗方法，總結(jié)了適合鈉冷快堆的非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗方法。

同時，提出了具有創(chuàng)新性的非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的汽水回收優(yōu)化方法，通過增加一段支管和少量閥門，使鈉冷快堆非核蒸汽沖轉(zhuǎn)的成本和安全得到了較大的優(yōu)化。在鈉冷快堆壽期內(nèi)約30次非核蒸汽沖轉(zhuǎn)中，使用優(yōu)化后的非核蒸汽沖轉(zhuǎn)試驗方法，可以節(jié)省成本約180.6萬元。