钠冷快堆汽轮机非核蒸汽冲转优化

左创举， 孙文钊， 李保廷， 高玉峰， 李 蒙， 曾乃颂

(1. 西安益通热工技术服务有限责任公司， 西安 710054；2. 西安热工研究院有限公司， 西安 710054； 3. 中核霞浦核电有限公司， 福建宁德 355100)

核电在实现能源低碳化过程中发挥极其重要的作用[1]。快中子反应堆(简称快堆)能够保证铀资源长期稳定的供应，并且可焚烧和嬗变掉压水堆乏燃料中的长寿命高放射性废物[2]，成为世界上第四代先进核能系统的首选堆型之一。

针对1 000 MW以上的大型商用钠冷快堆，当采用铀钚氧化物燃料运行时，其增殖比可达1.3，如果换用铀钚金属燃料，增殖比将会达到1.582。金属钠在热物性上的优点[3]主要表现在：熔点低，易于熔化；沸点高，不易沸腾产生钠气泡；密度低于水，节省泵功率等。此外，更重要的是，在反应堆运行情况下，钠的热导率比水高百倍以上[4]，可以保证堆芯和燃料不易过热。

汽轮机冲转试验即根据不同的堆型和现场情况，利用合适的热源，将冷却剂在汽轮机回路内加热产生饱和蒸汽，并将汽轮发电机组冲转至额定转速的试验[5]。核电厂汽轮机非核蒸汽冲转主要目的是验证蒸汽回路整体是否可以正常运转，并尽早发现汽轮发电机组在安装过程中的各种问题[6]。对于钠冷快堆，非核蒸汽冲转的成功表明蒸汽回路调试已基本完成，并且即将进入钠-水-汽联合调试阶段[7]。

目前，按照冲转汽源可将非核蒸汽冲转方法分为：(1)在热态试验阶段，利用一回路主冷却剂泵和稳压器的电加热器的热量，加热汽水回路冷却剂产生蒸汽，进行非核蒸汽冲转。该方法在一些发达国家(如日本和德国)中使用较为广泛，在我国现有压水堆[8]调试过程中也有应用。将一回路主冷却剂泵和稳压器的电加热器[9-10]的热量作为热源能否满足汽轮机非核蒸汽冲转蒸汽参数的要求，需要进行计算验证。(2)设置足够容量的辅助锅炉[11]，利用辅助锅炉产生的蒸汽进行非核蒸汽冲转。该方法在另一些发达国家(如法国)使用广泛，可以保证热源有足够的加热功率，但辅助锅炉燃料的费用较高，在主冷却剂泵和稳压器的电加热器能产生足够热量的前提下，我国多数压水堆不设置辅助锅炉。

笔者对国内外核电厂汽轮机非核蒸汽冲转的经验进行总结，参考我国钠冷快堆的实际工况和工程经验，归纳了适合钠冷快堆的汽轮机非核蒸汽冲转试验方法。同时，通过对系统进行优化，提出了针对钠冷快堆汽轮机非核蒸汽冲转的优化方案，并对优化后的经济性和安全性进行了分析。

1 非核蒸汽冲转试验

钠冷快堆与压水堆非核蒸汽冲转试验的不同为：

(1) 钠冷快堆与压水堆的传热模式[12-13]不同。从安全性的角度考虑，钠冷快堆比压水堆增加了中间钠回路(见图1)。中间钠回路[14]的增加会导致热量耗散的增加，三回路的蒸汽参数也会降低。

图1 我国钠冷快堆结构

(2) 钠冷快堆与压水堆的汽轮机冲转蒸汽参数不同。在对钠冷快堆的汽源进行选择时，必须依据传热学的数值计算结果。根据钠冷快堆汽轮机厂商推荐的非核蒸汽冲转参数，冲转转速曲线见图2。

图2 非核蒸汽冲转的转速变化

非核蒸汽冲转时，直流式蒸汽发生器运行有流动稳定性要求，钠冷快堆的设计最小给水质量流量为5%额定给水质量流量(水工况)、8%额定给水质量流量(汽工况)。蒸汽发生器在汽工况下最小给水质量流量为181.6 t/h。

冲转蒸汽所需压力的计算公式为：

p0=qm,min(h2-h1)

(1)

式中：p0为冲转蒸汽所需压力，MPa；qm,min为冲转所需最小蒸汽质量流量，t/h；h2为冲转蒸汽比焓，kJ/kg；h1为给水比焓，kJ/kg。

根据水的物性参数及钠冷快堆的设计数据，钠冷快堆机组的主要参数见表1。

表1 钠冷快堆的主要参数

根据钠冷快堆设计方法，辅助锅炉房设置3台燃油锅炉及其附属设备，其中：2台燃油锅炉的额定蒸汽质量流量均为50 t/h，1台燃油锅炉的额定蒸汽质量流量为15 t/h。出口蒸汽的压力为2.1 MPa、温度为280 ℃。在试验过程中，要求蒸汽参数不发生振荡，辅助锅炉保持95%额定蒸汽质量流量(109 t/h)不变，通过调节汽轮机旁路来控制汽轮机进汽压力，进而控制各阶段冲转参数。

由于常规岛汽轮机非核蒸汽冲转的蒸汽凝结水直接外排不返回辅助锅炉给水系统，辅助锅炉给水采用20 ℃的除盐水，辅助锅炉在额定工况运行时汽轮机轴封供汽需要11.6 t/h的辅助锅炉蒸汽，因此辅助锅炉可向用户提供的蒸汽质量流量约为97 t/h。在汽轮机冲转达到2 000 r/min转速平台时，需要辅助锅炉提供67 t/h蒸汽；在汽轮机冲转达到3 000 r/min转速平台时，需要辅助锅炉提供92 t/h蒸汽。

辅助锅炉虽然能够满足汽轮机非核蒸汽冲转的蒸汽供应要求，但仍然可以对汽轮机非核蒸汽冲转方法进行优化，减少辅助锅炉补水需求量、提高非核蒸汽冲转过程安全性，同时降低成本。

2 汽水回路优化

2.1 存在的不足

图3为利用辅助锅炉进行非核蒸汽冲转的汽水回路。利用辅助锅炉进行非核蒸汽冲转，除盐水由除盐水厂房生产，经辅助锅炉加热产生蒸汽，部分蒸汽用于汽轮机轴封供汽，余下蒸汽经主汽联箱，进入汽轮机旁路。蒸汽先对进入汽轮机之前的管路进行冲洗，待蒸汽品质合格后，利用汽轮机旁路调节汽轮机进汽压力，蒸汽进入汽轮机冲转，乏汽经过凝汽器冷凝为凝结水，不经过凝结水精处理系统，然后排入汽轮机房废液收集系统。

图3 利用辅助锅炉进行非核蒸汽冲转的汽水回路

在钠冷快堆汽轮机非核蒸汽冲转设计方法中，由于原方法将凝结水直接排入汽轮机房废液收集系统，造成了除盐水的浪费；并且经凝汽器凝结而成的凝结水比除盐水厂房生产的除盐水的温度更高，将凝结水直接排放也会造成高焓冷却剂的浪费，进而造成辅助锅炉燃料的浪费，增加非核蒸汽冲转试验的成本。

2.2 汽水回路优化

图4为优化后利用辅助锅炉进行非核蒸汽冲转的汽水回路。在乏汽经过凝汽器凝结成凝结水后，经凝结水泵升压及凝结水精处理之后，通过增加管线接入除盐水供应管线的支管，并在靠近接管位置，在除盐水上游增加1个逆止阀和1个手动闸阀，在支管管路上增加1个逆止阀和1个手动闸阀。通过增加的支管及阀门，将凝汽器凝结而成的高焓凝结水经精处理后重新导入辅助锅炉汽水循环。

图4 优化后利用辅助锅炉进行非核蒸汽冲转的汽水回路

优化后汽水回路的优点为：

(1) 减少除盐水的浪费。除盐水生产需要大量时间成本和经济成本，将除盐水直接排出不进行回收，对水资源造成了极大的浪费。将凝结水精处理后回收至辅助锅炉水循环系统，可以节省水资源和经济成本。

(2) 减少辅助锅炉燃料的成本。经增加的支管回收再进行汽水循环的凝结水与直接从除盐水厂房生产的除盐水相比，其温度更高。将回收的除盐水加热至冲转所需参数，需要的燃料减少，可以节约燃料的成本。

(3) 提高非核蒸汽冲转试验的延伸性和可持续性。钠冷快堆每次停机换料或大修，停堆再次启堆时都需要进行非核蒸汽冲转。新增的管线和阀门可以多次使用，不会造成设备的浪费；并且可以减少除盐水供应压力，提升系统供应稳定性。

3 优化结果的计算分析

3.1 经济性

优化后的非核蒸汽冲转试验方法新增了一段支管和4个阀门(2个逆止阀和2个手动闸阀)，增加了相应成本。与原非核蒸汽冲转试验方法相比，在冲洗阶段、蒸汽参数提升阶段、冲转升转速阶段和冲转转速维持阶段，优化后的方法都有利于节省除盐水和燃油的成本。根据快堆非核蒸汽冲转试验方法，从辅助锅炉以95%额定蒸汽质量流量(109 t/h)产生蒸汽到汽轮机非核蒸汽冲转试验结束，共持续约15.5 h。

针对钠冷快堆非核蒸汽冲转的经济性计算为：

(1) 支管和阀门成本的增加。

根据相似工程经验估算，管道和阀门的成本及施工费用增加约2万元。

(2) 燃油成本的节省。

使用辅助锅炉进行非核蒸汽冲转，锅炉需要将20 ℃的除盐水加热至出口蒸汽参数。在对管线进行优化后，蒸汽先经过凝汽器凝结成凝结水，再经过凝结水精处理系统，最后进入辅助锅炉加热，进入辅助锅炉的凝结水温度取40 ℃。根据非核蒸汽冲转试验要求，冲洗阶段进行大流量冲洗，后续每阶段蒸汽量保持不变。

节省燃油质量的计算公式为：

mo=cwmwΔTw/qo

(2)

式中：mo为节省燃油质量，t；cw为除盐水比热容，J/(kg·K)；mw为除盐水质量，t；ΔTw为除盐水温升，K；qo为燃油热值，J/kg。

优化后节省的燃油计算结果见表2。

表2 优化后节省的燃油计算结果

仅考虑燃油成本，燃油单价按3 000元/t计算，单次冲转可节约燃油成本10 185元。考虑换料周期和寿期，停堆换料次数和大修次数约为30次，可节省成本约305 550元。

(3) 除盐水成本的节省。

通过优化试验汽水回路，在15.5 h试验时间内系统回收的除盐水量，即为优化后非核蒸汽冲转试验方法节约的除盐水量。

参照其他电厂，综合原材料费、固定资产折旧费、人工费、备品备件费、仪表维护费和排水费等，将除盐水成本定位为30元/t，即单次冲转除盐水成本节约50 685元。考虑换料周期和寿期，停堆换料次数和大修次数约为30次，共可节省除盐水成本约1 520 550元。

综合分析，在电厂寿期内，使用优化后的非核蒸汽冲转试验方法，可节省总成本约180.6万元。

3.2 安全性

优化后的非核蒸汽冲转试验方法，其安全性的提升主要体现为：

(1) 除盐水经过回收再利用，极大降低了除盐水生产系统的压力，使非核蒸汽冲转试验的安全性大大提高。原试验方法需要除盐水生产系统时刻运转，为非核蒸汽冲转提供大量除盐水。如果除盐水生产系统无法持续提供足量除盐水，非核蒸汽冲转只能被迫停止；采用优化过后的非核蒸汽冲转试验方法，如果辅助锅炉给水循环系统需要补水，可通过凝汽器补水，整个非核蒸汽冲转汽水系统为闭式循环，不需要除盐水生产系统持续提供大量除盐水。优化后的非核蒸汽冲转试验方法使非核蒸汽冲转对除盐水生产系统的除盐水供应要求大大降低。只要除盐水供应量满足非核蒸汽冲转汽水循环补水的需求，则非核蒸汽冲转试验不会因除盐水的供应不足而被迫停止。

(2) 优化后的非核蒸汽冲转试验方法完全回收了从凝汽器排出的高焓凝结水，不需要考虑高焓凝结水对设备和人员的影响，同时减少了隔离流程和隔离措施。

4 结语

对钠冷快堆非核蒸汽冲转方法进行讨论，分析了2种主流非核蒸汽冲转试验方法，重点说明了设置辅助锅炉的钠冷快堆非核蒸汽冲转试验方法，总结了适合钠冷快堆的非核蒸汽冲转试验方法。

同时，提出了具有创新性的非核蒸汽冲转的汽水回收优化方法，通过增加一段支管和少量阀门，使钠冷快堆非核蒸汽冲转的成本和安全得到了较大的优化。在钠冷快堆寿期内约30次非核蒸汽冲转中，使用优化后的非核蒸汽冲转试验方法，可以节省成本约180.6万元。