左創(chuàng)舉， 孫文釗， 高玉峰， 趙 峰， 余 儼

(1. 西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責任公司，西安 710054；2. 西安熱工研究院有限公司，西安 710054；3. 華能山東石島灣核電有限公司，山東榮成 264312)

核電不僅可以滿足國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平提高的需求，還在實現(xiàn)能源低碳化過程中發(fā)揮極其重要的作用[1]。蒸汽發(fā)生器是核電廠熱量傳遞的樞紐，它將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器常規(guī)島側(cè)的水，進而產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機做功。蒸汽發(fā)生器也是分隔工質(zhì)的屏障，它對于核電廠的安全運行也十分重要。

蒸汽發(fā)生器可按照工質(zhì)流動方式、傳熱管形狀、安放形式及結(jié)構(gòu)特點進行分類。按照二回路工質(zhì)在蒸汽發(fā)生器中的流動方式，可將蒸汽發(fā)生器分為自然循環(huán)和直流(強制循環(huán))蒸汽發(fā)生器；按照傳熱管形狀，可將蒸汽發(fā)生器分為U形管、直管、螺旋管蒸汽發(fā)生器；按照設(shè)備的安放形式，可將蒸汽發(fā)生器分為立式和臥式蒸汽發(fā)生器；按照結(jié)構(gòu)特點，可將蒸汽發(fā)生器分為帶預熱器和不帶預熱器的蒸汽發(fā)生器。

在我國目前設(shè)計的反應(yīng)堆中，大型商用鈉冷快堆使用直流蒸汽發(fā)生器。鈉冷快堆采用鈾钚氧化物燃料運行時，增殖比可達1.3；如果換用鈾钚金屬燃料，增殖比將會達到1.582[2]。金屬鈉在熱物理性質(zhì)上的優(yōu)點主要表現(xiàn)[2]為：熔點低，易于熔化使用；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。更重要的是，在反應(yīng)堆運行的情況下，鈉的熱導率要比水高百倍以上[3]，從而保證堆芯和燃料不易過熱。

在核反應(yīng)堆開始裝料后，當堆功率上升到約7%額定功率時[4-5]，蒸汽發(fā)生器的三回路的工質(zhì)開始進行由水至汽的轉(zhuǎn)換[6-7]。直流蒸汽發(fā)生器與自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的設(shè)計不同，其缺少主水箱和汽水分離器，在三回路進行水汽轉(zhuǎn)換時，極有可能發(fā)生水汽狀態(tài)的不穩(wěn)定互相轉(zhuǎn)換[8]。在水汽轉(zhuǎn)換時，如何保證迅速、準確、振蕩盡可能小的轉(zhuǎn)換，是調(diào)試階段需要攻克的技術(shù)難點。

目前，國內(nèi)外有關(guān)鈉冷快堆的研究主要集中在一回路、二回路和涉鈉安全方面[9-12]，而有關(guān)三回路的研究較少，并且缺乏鈉冷快堆三回路水汽轉(zhuǎn)換的相關(guān)研究。筆者針對鈉冷快堆三回路水汽轉(zhuǎn)換存在的問題，提出了一種新式水汽轉(zhuǎn)換方法，并且給出采用該方法的預測效果。

1 蒸汽發(fā)生器

1.1 現(xiàn)有蒸汽發(fā)生器

盡管核電廠采用的蒸汽發(fā)生器形式繁多，但是壓水堆核電廠使用較廣泛的只有3種，具體為立式U形管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器、臥式U形管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器和立式直管直流蒸汽發(fā)生器。其中，立式U形管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的應(yīng)用最廣泛。表1給出了幾種主要蒸汽發(fā)生器的特征。

表1 幾種主要蒸汽發(fā)生器的特征

1.2 直流蒸汽發(fā)生器

在直流蒸汽發(fā)生器中二回路工質(zhì)的流動靠強制循環(huán)[13-14]。在二回路工質(zhì)的加熱下，給水經(jīng)預熱、蒸發(fā)、過熱而達到所要求的溫度。核電廠直流蒸汽發(fā)生器只能產(chǎn)生過熱的蒸汽，這對于提高汽輪機工作的可靠性和提高循環(huán)熱效率是有利的。

在國內(nèi)，直流蒸汽發(fā)生器主要應(yīng)用于鈉冷快堆及高溫氣冷堆。鈉冷快堆蒸汽發(fā)生器模塊包含蒸汽發(fā)生器與過熱器。鈉在蒸汽發(fā)生器殼側(cè)流動，在蒸汽發(fā)生器中自上而下流動，在過熱器中自下而上流動。三回路的工質(zhì)在蒸汽發(fā)生器管內(nèi)流動，并且其流動方向與鈉流動方向相反。

2 現(xiàn)有水汽轉(zhuǎn)換方法

2.1 現(xiàn)有水汽轉(zhuǎn)換方法介紹

選用直流蒸汽發(fā)生器的情況下，在蒸汽發(fā)生器水汽工況轉(zhuǎn)換階段，給水流量、壓力的控制及方法與帶汽水分離器的蒸汽發(fā)生器的控制及方法存在很大差異。具體影響為：(1)如果在水工況轉(zhuǎn)換為汽工況時調(diào)節(jié)不好，會使兩種狀態(tài)反復轉(zhuǎn)換，影響機組的安全；(2)如果水工況轉(zhuǎn)換汽工況的時間太長，會造成過多的熱量損失。直流蒸汽發(fā)生器現(xiàn)有水汽轉(zhuǎn)換流程見圖1。

圖1 直流蒸汽發(fā)生器現(xiàn)有水汽轉(zhuǎn)換流程

直流蒸汽發(fā)生器三回路在主給水泵和蒸汽發(fā)生器之間設(shè)計有主給水調(diào)節(jié)閥。在啟堆階段蒸汽發(fā)生器水汽工況轉(zhuǎn)換時，降低主給水泵轉(zhuǎn)速并減少通過主給水調(diào)節(jié)閥的流量，使處于飽和溫度的給水汽化，進而完成水汽轉(zhuǎn)化，詳細過程為：

(1) 預熱階段。對啟動擴容器及其上游管路和蒸汽發(fā)生器進行預熱后，系統(tǒng)內(nèi)充滿合格的給水。當堆功率從零(冷態(tài))提升到7%額定功率左右時，通過控制主給水泵和主給水調(diào)節(jié)閥使通過蒸汽發(fā)生器的給水流量從5%額定流量左右提升到28%額定流量左右。通過蒸汽發(fā)生器的給水經(jīng)啟動擴容器入口調(diào)節(jié)閥組進入啟動擴容器后排入凝汽器，降壓擴容后產(chǎn)生的蒸汽排入高壓輔汽聯(lián)箱。

(2) 水汽轉(zhuǎn)換階段。堆功率穩(wěn)定在7%額定功率左右時，先用降壓汽化的辦法使蒸汽發(fā)生器從水工況向汽工況過渡。先開大啟動擴容器入口調(diào)節(jié)閥組降低蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)壓力，再關(guān)小主給水調(diào)節(jié)閥降低蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)流量，同時配合主給水泵轉(zhuǎn)速降低維持主給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不變，使蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)產(chǎn)生過熱度。然后打開第一電動閥組，關(guān)閉啟動擴容器入口調(diào)節(jié)閥組，由汽輪機旁路系統(tǒng)維持蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)壓力。

(3) 隨著堆功率的提升，蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)滿足過熱度的要求后，打開過熱器入口閥組、第二電動閥組，投入過熱器。然后關(guān)閉第一電動閥組，蒸汽發(fā)生器水汽轉(zhuǎn)換完成。

2.2 現(xiàn)有水汽轉(zhuǎn)換方法缺點

直流蒸汽發(fā)生器現(xiàn)有水汽轉(zhuǎn)換的主要缺點為：

(1) 調(diào)節(jié)設(shè)備過多且互相干擾。

直流蒸汽發(fā)生器在水汽轉(zhuǎn)換過程中，通過同時控制主給水泵轉(zhuǎn)速和主給水調(diào)節(jié)閥。在水汽轉(zhuǎn)換過程中，通過減小主給水調(diào)節(jié)閥的開度來減少蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)的流量，會使主給水調(diào)節(jié)閥前后壓差增大，進而導致主給水泵產(chǎn)生反饋調(diào)節(jié)動作，以補償壓差的變化。采用現(xiàn)有水汽轉(zhuǎn)換方法時，主給水調(diào)節(jié)閥的控制邏輯會限制主給水泵的調(diào)節(jié)范圍和速度，即無法在短時間內(nèi)對主給水泵和主給水調(diào)節(jié)閥進行大范圍的調(diào)節(jié)。

(2) 水汽反復轉(zhuǎn)換。

在水汽轉(zhuǎn)換階段，當蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)溫度超過飽和溫度，即由水工況轉(zhuǎn)化為汽工況后，需要關(guān)閉啟動擴容器入口調(diào)節(jié)閥組。這一操作會造成蒸汽壓力上升，從而造成水的飽和溫度上升，可能導致已經(jīng)轉(zhuǎn)化為蒸汽的水重新液化。

(3) 水汽轉(zhuǎn)換時間長，熱源存在浪費。

在蒸汽發(fā)生器水汽轉(zhuǎn)換時，先用降壓汽化的辦法使蒸汽發(fā)生器從水工況向汽工況過渡，開大啟動擴容器入口調(diào)節(jié)閥組降低蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)壓力，此過程會增加蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)的流量，進而產(chǎn)生熱源的浪費；再關(guān)小主給水調(diào)節(jié)閥降低蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)流量，同時配合主給水泵轉(zhuǎn)速降低維持主給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不變，此過程控制冗長，增加轉(zhuǎn)換時間。

3 新式水汽轉(zhuǎn)換方法

3.1 新式水汽轉(zhuǎn)換方法

參考火電廠相關(guān)調(diào)試及運行經(jīng)驗，提出一種核電直流蒸汽發(fā)生器新式水汽轉(zhuǎn)換的方法。蒸汽發(fā)生器新式水汽轉(zhuǎn)換流程見圖2。

圖2 直流蒸汽發(fā)生器新式水汽轉(zhuǎn)換流程

直流蒸汽發(fā)生器新式水汽轉(zhuǎn)換流程相比于現(xiàn)有水汽轉(zhuǎn)換流程，去除了主給水調(diào)節(jié)閥，并且控制方法不同，詳見下文。

3.2 新式水汽轉(zhuǎn)換具體流程

新式直流蒸汽發(fā)生器水汽轉(zhuǎn)化的具體流程為：

(1) 預熱階段。將啟動擴容器入口調(diào)節(jié)閥組切至手動，并且保持其開度不變；主給水泵的轉(zhuǎn)速投入自動，設(shè)置主給水泵的轉(zhuǎn)速跟蹤進入直流蒸汽發(fā)生器的給水流量，并逐漸減少主給水泵的流量設(shè)定值。二回路提供的熱量不變，給水流量減小后，給水溫度逐漸提升。當直流蒸汽發(fā)生器內(nèi)的工質(zhì)接近飽和蒸汽溫度時，將主給水泵的流量設(shè)定值設(shè)為當前流量值。

(2) 水汽轉(zhuǎn)換階段。手動將啟動擴容器入口調(diào)節(jié)閥組的開度逐漸增大，此時直流蒸汽發(fā)生器內(nèi)的工質(zhì)壓力逐漸減小。啟動擴容器入口調(diào)節(jié)閥組的開度增大時進入直流蒸汽發(fā)生器的給水流量增加，但是主給水泵通過自動降轉(zhuǎn)速來維持流量設(shè)定值，從而進一步降低直流蒸汽發(fā)生器內(nèi)工質(zhì)的壓力。由于在蒸汽發(fā)生器內(nèi)工質(zhì)的流量、二回路熱源維持不變，所以蒸汽發(fā)生器內(nèi)工質(zhì)的溫度不變，但是蒸汽發(fā)生器內(nèi)工質(zhì)壓力下降導致工質(zhì)對應(yīng)的飽和蒸汽溫度降低，從而汽化產(chǎn)生一定過熱度的蒸汽。打開第一電動閥組，蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)經(jīng)過主汽聯(lián)箱進入汽輪機旁路系統(tǒng)，由汽輪機旁路系統(tǒng)維持蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)壓力。

(3) 功率提升階段。隨著堆功率逐漸提升，手動全開過熱器入口閥組及第二電動閥組，全關(guān)第一電動閥組，過熱器投入。此時主給水泵跟蹤進入直流蒸汽發(fā)生器的給水流量，汽輪機旁路系統(tǒng)控制蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)壓力。手動關(guān)閉啟動擴容器入口調(diào)節(jié)閥組，至此直流蒸汽發(fā)生器的水汽工況轉(zhuǎn)換完成。

4 新式水汽轉(zhuǎn)換的效果預測

目前，國內(nèi)外針對核電直流蒸汽發(fā)生器水汽轉(zhuǎn)換的研究較少，暫無詳細的理論研究或工程實踐可供參考。對于采用類似設(shè)計的火電機組，在水汽轉(zhuǎn)換時，都取得了較好的效果[15-17]。根據(jù)火電廠主給水泵與直流蒸汽發(fā)生器的相關(guān)調(diào)試及運行經(jīng)驗，對采用新式水汽轉(zhuǎn)換方法的效果給出如下預測：

(1) 新式水汽轉(zhuǎn)換通過去除主給水調(diào)節(jié)閥，消除了主給水泵和主給水調(diào)節(jié)閥之間的相互影響，使主給水泵的調(diào)節(jié)更加靈活，且無邏輯束縛。

(2) 新式水汽轉(zhuǎn)換消除了水汽反復轉(zhuǎn)換的隱患。

在水汽轉(zhuǎn)換過程中，先通過主給水泵降低蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)的流量，然后主給水泵投自動維持流量不變；再通過開大啟動擴容器入口調(diào)節(jié)閥組減少蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)壓力。當開大啟動擴容器入口調(diào)節(jié)閥組時，會導致蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)流量增加，但是主給水泵會通過降低轉(zhuǎn)速維持蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)流量不變，因而進一步導致蒸汽發(fā)生器內(nèi)壓力下降。此時，蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)過熱度會增大，不會有重新液化的風險。

(3) 新式水汽轉(zhuǎn)換過程縮短轉(zhuǎn)換時間，減少熱源浪費，提高機組安全穩(wěn)定性。在預熱階段，通過主給水泵調(diào)節(jié)進入直流蒸汽發(fā)生器的給水流量，使蒸汽發(fā)生器內(nèi)給水溫度快速上升，減少熱源浪費。在水汽轉(zhuǎn)換階段，通過開大啟動擴容器入口調(diào)節(jié)閥組降低蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)壓力，同時使主給水泵轉(zhuǎn)速降低，達到蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)壓力二次降低的作用，再次提高了蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)的過熱度，加快水汽轉(zhuǎn)換完成，以減少對機組運行的影響，提高機組的安全性及穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

新式水汽轉(zhuǎn)換首先利用主給水泵轉(zhuǎn)速控制蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)的流量，然后利用啟動擴容器入口調(diào)節(jié)閥組控制直流蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)的壓力，從而控制整個水汽轉(zhuǎn)換流程。新式水汽轉(zhuǎn)換不僅可應(yīng)用于核電廠直流蒸汽發(fā)生器，也可應(yīng)用于有相似轉(zhuǎn)換流程的蒸汽發(fā)生裝置。采用新式水汽轉(zhuǎn)換可以節(jié)省時間，但是其操作的靈活性和可控性需要在工程實踐中得到進一步的驗證。