钠冷快堆汽轮机非核蒸汽冲转可行性研究

姚 尧， 余 俨， 武方杰

(西安热工研究院有限公司， 西安 710032)

汽轮机非核蒸汽冲转是核电厂在反应堆装料前的一项重大机组联合启动试验，旨在检验常规岛汽轮机及各系统的安装、调试质量，发现并消除潜在的各种问题[1-3]。核岛施工工期相对常规岛有所延后，为了避免常规岛潜在的问题对反应堆核蒸汽冲转启动产生不良影响，在反应堆装料前尚有充足时间窗口进行汽轮机首次冲转试验，从而实现核岛和常规岛调试进度的无缝对接，以便最大限度地合理利用调试工期[4-5]。

600 MW钠冷快堆具有特殊的三回路热力系统和直流式蒸汽发生器。钠冷快堆的热力系统比压水堆更复杂，钠冷快堆汽轮机的非核蒸汽冲转涉及的热力设备和过程也更复杂，因此压水堆汽轮机非核蒸汽冲转的模型不能适用于钠冷快堆的计算。汽轮机非核蒸汽冲转的关键点为：(1)明确非核蒸汽冲转过程中反应堆和汽轮机的边界条件；(2)准确计算反应堆可以利用的发热功率，计算出汽轮机在额定转速下的冲转时间。

在借鉴压水堆汽轮机非核蒸汽冲转的经验和模型的基础上，笔者对钠冷快堆汽轮机非核蒸汽冲转相关的热力系统建立简单模型，并且通过热平衡计算和热力系统优化，提供一种适用于钠冷快堆汽轮机非核蒸汽冲转的分析方法。

1 冲转汽源

1.1 汽源的选择

核电厂常用的非核蒸汽冲转方式有2种，按照汽源的不同可分为采用反应堆一回路蓄热的方法和采用辅助锅炉供汽的方法，具体需要根据汽轮机冲转参数的要求和反应堆的整体情况进行选择[6]。

根据汽轮机厂家的资料，汽轮机冲转蒸汽的最低参数要求为3.45 MPa、300 ℃的过热蒸汽，本厂辅助锅炉提供的最高蒸汽参数为2.0 MPa、280 ℃，辅助锅炉蒸汽不满足汽轮机冲转的参数要求。因此，借鉴压水堆汽轮机非核蒸汽冲转的经验，利用反应堆一二回路蓄热通过蒸汽发生器产生的蒸汽进行汽轮机冲转。

1.2 边界条件

1.2.1 汽水回路边界条件

汽轮机冲转蒸汽的最低参数要求为3.45 MPa、300 ℃，汽轮机冲转至3 000 r/min所需要的主蒸汽(包括除氧器和高压加热器抽汽)质量流量为106 788 kg/h。钠冷快堆汽轮机冲转曲线见图1。

图1 钠冷快堆汽轮机冲转曲线

各阶段冲转所需要的蒸汽流量见表1。

表1 汽轮机冲转蒸汽流量

1.2.2 一二回路边界条件

反应堆一二回路通过主泵做功和电加热器加热，最高温度为358 ℃。钠冷快堆一二回路的参数见表2。

表2 钠冷快堆一二回路的参数

一二回路温度变化速率的限值为30 K/h。冲转蒸汽的最低温度要求为300 ℃，考虑到一二和三回路的传热温差，基于保守考虑将一二回路温度最低降至318 ℃，可利用温差为40 K。

2 热平衡计算

2.1 热力系统模型

钠冷快堆共有3个回路，其中：一二回路工质为液态金属钠，三回路为常规岛汽水回路。根据钠冷快堆具有3个回路的结构特点，建立了非核蒸汽冲转的流程简化模型[6-7]。钠冷快堆一二回路和三回路非核蒸汽冲转的热平衡模型见图2。在此简化模型的基础上推算出钠冷快堆的热平衡计算公式。

图2 钠冷快堆汽轮机非核蒸汽冲转热平衡模型

2.2 不含辅助锅炉供汽的热平衡计算

在简化模型的基础上，得到钠冷快堆的热平衡计算公式[6,8-9]为：

h汽qm, 汽=h凝qm, 凝+P泵+P钠+P金+

P电-P散-P净

(1)

P泵=P机·η

(2)

P钠=c钠m钠V

(3)

P金=c金m金V

(4)

式中：h汽为汽轮机入口蒸汽比焓；qm,汽为汽轮机入口蒸汽质量流量；h凝为凝结水比焓，取20 ℃对应的比焓；qm,凝为凝结水质量流量；P机为一二回路主泵的电动机电功率；η为一二回路主泵的效率，取75%；P泵为一二回路主泵输入功率；c钠为钠的比热容，取1.23 kJ/(K·kg)；m钠为一二回路钠的总质量，取2 491 t；V为一二回路的温度变化速率；P钠为一二回路钠降温输出功率；c金为一二回路金属设备的比热容，取0.5 kJ/(K·kg)；m金为一二回路金属设备的总质量，取6 152.8 t；P金为一二回路金属设备的输出功率；P电为二回路的电加热器功率；P散为一二回路和三回路的总散热量，取1 200 kW；P净为一二回路钠净化回路的损失热量，取208 kW。

一二回路温度变化速率为30 K/h时，汽轮机入口蒸汽质量流量为86 586 kg/h(<109 180 kg/h)，即一回路蓄热产生的蒸汽流量不满足汽轮机冲转的要求。

2.3 热力系统优化

考虑到除氧器抽汽的质量流量高达33 328 kg/h，辅助锅炉向除氧器和高压加热器提供1.9 MPa、274 ℃的辅助蒸汽以提高给水焓，同时将辅助蒸汽作为轴封供汽，减少反应堆蓄热的消耗速率[10]。按照高压加热器出口设计的最高温度考虑，除氧器出口饱和水温度为210 ℃，蒸汽发生器入口给水温度为230 ℃。

利用汽轮机分别在无抽汽时和抽汽至除氧器的工况下，将汽轮机所需蒸汽的焓降近似相等作为计算前提，得到的计算公式为：

W1=h汽qm,汽1-h排qm,排1-h抽qm,抽

(5)

W2=h汽qm,汽2-h排qm,排2

(6)

qm,汽1=qm,排1+qm,抽

(7)

qm,汽2=qm,排2

(8)

W1=W2

(9)

式中：W1为抽汽时汽轮机做功；W2为无抽汽时汽轮机做功；qm,汽1为抽汽时汽轮机入口蒸汽质量流量；h排为汽轮机排汽比焓；qm,排1为有抽汽时汽轮机排汽质量流量；h抽为汽轮机抽汽比焓；qm,抽为汽轮机抽汽质量流量；qm,汽2为无抽汽时汽轮机正常冲转所需最小蒸汽质量流量；qm,排2为无抽汽时汽轮机排汽质量流量。

计算得到无抽汽时汽轮机入口蒸汽质量流量为74 686 kg/h，即将辅助蒸汽作为除氧器和高压加热器抽汽、轴封供汽，汽轮机冲转过程中无抽汽，蒸汽质量流量达到74 686 kg/h时满足非核蒸汽冲转的需求。

2.4 辅助锅炉供汽的热平衡计算

将辅助蒸汽作为除氧器和高压加热器抽汽、轴封供汽后，根据热平衡模型建立的热平衡计算公式为：

h汽q′m,汽=h给qm,给+P泵+P钠+P金+

P电-P散-P净

(10)

h给qm,给=h凝qm,凝+h辅qm,辅-h疏qm,疏

(11)

q′m,汽=qm,给=qm,凝+qm,辅

(12)

式中：q′m,汽为无抽汽时可以提供给汽轮机最大蒸汽质量流量；h给为蒸汽发生器入口给水比焓；qm,给为蒸汽发生器给水质量流量；h辅为辅助蒸汽比焓；qm,辅为辅助蒸汽供给除氧器和高压加热器的质量流量；h疏为高压加热器壳侧蒸汽疏水比焓；qm,疏为高压加热器壳侧蒸汽疏水质量流量。

当一二回路温度变化速率为30 K/h时，计算得到无抽汽时可以提供给汽轮机最大蒸汽质量流量为125 111 kg/h(>74 686 kg/h)，即一回路蓄热产生的蒸汽流量满足汽轮机冲转要求。辅助蒸汽总消耗质量流量为25 877 kg/h，辅助锅炉提供的最大蒸汽质量流量为115 000 kg/h，远大于汽轮机非核蒸汽冲转过程中所需的辅助蒸汽流量。

3 冲转阶段一二回路的温度限制

计算反应堆一二回路温度变化速率和反应堆一二回路温度的变化，得到的结果见表3和图3。

表3 反应堆一二回路温度变化速率

图3 反应堆一二回路温度的变化

汽轮机冲转至500 r/min的过程中，一二回路温度有所上升，最高温度为358.66 ℃，超过限值(358 ℃)。汽轮机冲转前，一二回路温度可以略低于358 ℃，以避免汽轮机冲转初期用汽量较少时反应堆温度过高。

汽轮机从0 r/min冲转至3 000 r/min需要95 min，一二回路温度降低至318 ℃需要433 min。保守估算蒸汽发生器启动汽水转换工况需要约20 min，汽轮机在3 000 r/min额定转速平台可以持续运行318 min，钠冷快堆汽轮机非核蒸汽冲转具有充足的时间裕量。

4 结语

(1) 将钠冷快堆汽轮机的抽汽作为除氧器加热汽源和轴封供汽时，在反应堆一二回路降温速率的限制下，仅依靠一二回路蓄热提供的蒸汽流量不能满足汽轮机冲转的需要。

(2) 引入辅助锅炉的汽源作为除氧器和高压加热器抽汽、轴封供汽时，依靠反应堆一二回路蓄热提供的蒸汽流量能够满足钠冷快堆汽轮机非核蒸汽冲转的需求。反应堆一二回路蓄热能够为汽轮机持续提供蒸汽433 min，钠冷快堆汽轮机在3 000 r/min额定转速平台可以稳定运行318 min。

所采用的模型为简化模型，未考虑一二回路钠充排过程、三回路金属升温、给水泵和凝结水泵对给水的焓升作用、汽轮机各平台用汽量不同等因素的影响，存在一定误差。但是，分析思路和计算过程可以作为更精细化的模型分析计算的基础，同时为钠冷快堆汽轮机非核蒸汽冲转提供参考。