田鈺

摘 要：中國實(shí)驗(yàn)快堆（CEFR）于2011年3月開始進(jìn)行C階段功率提升工作，在進(jìn)行蒸汽發(fā)生器水汽工況轉(zhuǎn)換調(diào)試過程中，先后引發(fā)4次保護(hù)停堆事件，占總保護(hù)停堆事件過半。該文通過總結(jié)歸納4次保護(hù)停堆事件詳細(xì)過程，分析停堆原因，以直流蒸汽發(fā)生器的特性，指導(dǎo)今后蒸汽發(fā)生器水汽工況轉(zhuǎn)換運(yùn)行，確保實(shí)現(xiàn)后續(xù)滿功率。同時(shí)也為今后直流式蒸汽發(fā)生器在中國快堆運(yùn)行方面提供技術(shù)支持。在此該文還提出適合快堆主蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，探討中國示范快堆相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：中國實(shí)驗(yàn)快堆 蒸汽發(fā)生器 給水流量 波動(dòng)

中圖分類號(hào)：TL43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）06（a）-0103-03

1 蒸汽發(fā)生器運(yùn)行工況簡(jiǎn)述

1.1 CEFR反應(yīng)堆啟動(dòng)過程

CEFR反應(yīng)堆開始啟動(dòng)時(shí)，兩條環(huán)路的一、二次鈉循環(huán)泵轉(zhuǎn)速從150 r/min 提升到500 r/min，直到反應(yīng)堆功率提升到40%額定功率水平為止。此后鈉循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速與反應(yīng)堆功率水平成線性關(guān)系增加，在提升功率的過程中流量始終超前。

反應(yīng)堆功率在0.1%額定功率水平時(shí)，手動(dòng)維持蒸發(fā)器的最小供水量（額定值的5%）和給水壓力10 MPa，過熱器隔離并充滿氮?dú)狻０殡S堆功率逐步提升，操縱員手動(dòng)增加給水流量維持蒸汽發(fā)生器水工況運(yùn)行。反應(yīng)堆9.45%額定功率狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器水-汽工況過渡。CEFR采用降低給水泵轉(zhuǎn)速的方法降低蒸發(fā)器給水壓力、流量，使蒸發(fā)器中的水汽化并形成一定的過熱度，當(dāng)蒸汽溫度達(dá)到330 ℃～340 ℃（壓力8 MPa左右、過熱度為20 ℃）時(shí)，即可接通過熱器模塊，整個(gè)啟動(dòng)過程圖如圖1所示。

1.2 CEFR蒸汽發(fā)生器運(yùn)行工況

CEFR的技術(shù)人員結(jié)合CEFR系統(tǒng)設(shè)計(jì)獨(dú)創(chuàng)提出主蒸汽系統(tǒng)和過熱器采用“逐段倒暖”法，共涉及3種運(yùn)行工況。

1.2.1 蒸汽發(fā)生器水工況

在反應(yīng)堆啟動(dòng)前，首先對(duì)蒸汽發(fā)生器內(nèi)保護(hù)氣體——氮?dú)膺M(jìn)行排放，隨后對(duì)蒸汽發(fā)生器水側(cè)進(jìn)出口管道進(jìn)行預(yù)暖。預(yù)暖結(jié)束后，應(yīng)立即向蒸汽發(fā)生器注水，反應(yīng)堆即可啟動(dòng)。

1.2.2 蒸汽發(fā)生器水汽轉(zhuǎn)換工況

蒸汽發(fā)生器在9.45%額定功率通過“降壓汽化”方法完成水汽轉(zhuǎn)換，具體過程為：按照0.1 MPa/min的速率降低蒸汽發(fā)生器給水母管壓力由10 MPa至7 MPa。

1.2.3 蒸汽發(fā)生器汽工況

水汽轉(zhuǎn)換工況結(jié)束后，堆功率維持不變，應(yīng)立即投過熱器，以便盡快實(shí)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器的汽工況，最終形成反應(yīng)堆3條回路系統(tǒng)匹配運(yùn)行。該工況下具體過程細(xì)分為旁路系統(tǒng)投入、過熱器排氮、預(yù)暖、疏水和過熱器投入5個(gè)階段。

2 水汽轉(zhuǎn)換過程中4次停堆現(xiàn)象及分析

2.1 第一次保護(hù)停堆事件

CEFR現(xiàn)場(chǎng)按調(diào)試計(jì)劃提升功率進(jìn)行接通過熱器的試驗(yàn)。試驗(yàn)前反應(yīng)堆功率穩(wěn)定運(yùn)行，一、二回路主泵轉(zhuǎn)速維持在500 rpm，三回路側(cè)按照計(jì)劃正在進(jìn)行過熱器蒸汽預(yù)熱并準(zhǔn)備連通過熱器，下午13：55分發(fā)生保護(hù)停堆。對(duì)歷史記錄分析，此次非計(jì)劃停堆的保護(hù)信號(hào)由“蒸汽發(fā)生器給水流量低低”引起。在過熱器進(jìn)汽接通的過程中，關(guān)閉疏水引起蒸發(fā)器出口壓力升高，進(jìn)而引發(fā)給水流量波動(dòng)所致，造成停堆并聯(lián)鎖切除二回路對(duì)應(yīng)的環(huán)路。熱工參數(shù)趨勢(shì)圖如圖2所示。

2.2 第二次保護(hù)停堆事件

CEFR三回路側(cè)按照計(jì)劃正在進(jìn)行過熱器蒸汽預(yù)熱并準(zhǔn)備連通過熱器。在1#過熱器已預(yù)熱完畢后出現(xiàn)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作。

如圖3所示，從壓力變化趨勢(shì)曲線可以得出，當(dāng)壓力由7.17 MPa上升至7.43 MPa時(shí)，引起流量變化從7.0 t/h至2.7 t/h，觸發(fā)“給水流量低低”保護(hù)動(dòng)作。

2.3 第三、四次保護(hù)停堆事件

三回路過熱器蒸汽預(yù)熱過程中。電動(dòng)打開主蒸汽母管旁路閥引起“給水壓力2#低低”保護(hù)停堆。

三回路按照操作票正在進(jìn)行過熱器蒸汽預(yù)熱中，手動(dòng)微開主蒸汽母管旁路閥引起“給水流量低”保護(hù)停堆。

2.4 4次保護(hù)停堆事件總結(jié)

4次保護(hù)CEFR停堆事件中直接原因?yàn)槿芈废到y(tǒng)進(jìn)行閥門操作引起，因此，從理論上分析蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行事件過程，能夠總結(jié)出優(yōu)化運(yùn)行操作的措施。

2.4.1 CEFR蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)淺析

CEFR蒸汽發(fā)生器是俄羅斯生產(chǎn)的直流式蒸汽發(fā)生器，與壓水堆核電站自然循環(huán)式蒸汽發(fā)生器有本質(zhì)的不同。從結(jié)構(gòu)上比較，壓水堆蒸汽發(fā)生器在水汽界面之間有較大汽腔并且布置有蒸汽汽水分離器；快堆直流式蒸汽發(fā)生器水汽空間在換熱管內(nèi)，無足夠汽腔。從原理上比較，壓水堆蒸汽發(fā)生器由于采用了自然循環(huán)，其工作原理為池式沸騰原理，二回路水屬于自然循環(huán)加熱過程。而快堆直流式蒸汽發(fā)生器是基于流動(dòng)沸騰原理，即三回路水在管內(nèi)強(qiáng)迫流動(dòng)，與蒸汽發(fā)生器傳熱管外流動(dòng)的鈉進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱。這表現(xiàn)在，CEFR蒸汽發(fā)生器在水汽轉(zhuǎn)換后，其出口壓力波動(dòng)非常明顯。壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器由于汽腔的存在，使這一影響并不顯著。

水汽轉(zhuǎn)換過程中蒸汽發(fā)生器采用兩環(huán)路運(yùn)行，快堆作為實(shí)驗(yàn)堆其熱功率較小，單環(huán)路給水流量最高不超過50 t/h，相應(yīng)的抗干擾能力較差。此外，電動(dòng)開啟過程中由于閥門控制精度不高易出現(xiàn)電動(dòng)閥門開度過大，給水流量和給水壓力大幅波動(dòng)的現(xiàn)象。因此，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)功率低，無論是電動(dòng)開啟閥門還是手動(dòng)開啟閥門均易引起壓力流量波動(dòng)也是導(dǎo)致觸發(fā)給水流量低保護(hù)的原因之一。

2.4.2 4次保護(hù)停堆分析小結(jié)

第三次停堆，直接原因?yàn)殡妱?dòng)開啟旁路閥，閥前蒸汽壓力與閥后暖管管道壓力相差較大，勢(shì)必導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器壓力產(chǎn)生巨大波動(dòng)，直接造成“壓力低低”保護(hù)停堆，這與CEFR因工藝閥門原因加大系統(tǒng)不可靠因素一致。其余三次保護(hù)停堆，均與“給水流量低”有關(guān)，這與之前分析CEFR主蒸汽系統(tǒng)不穩(wěn)定，蒸汽發(fā)生器波動(dòng)較大結(jié)果一致。此外，給水泵作為三回路蒸汽系統(tǒng)唯一動(dòng)力來源，其受到蒸汽發(fā)生器壓力波動(dòng)影響從而改變其原有特性運(yùn)行，導(dǎo)致出口流量波動(dòng)，有直接關(guān)系。

比較前兩次停堆蒸汽發(fā)生器熱工參數(shù)趨勢(shì)圖，可以明確看到通過改變工藝操作，將系統(tǒng)中的疏水閥全部改為手動(dòng)微調(diào)，可以減輕主蒸汽系統(tǒng)中壓力和流量波動(dòng)。但不能完全根除較大波動(dòng)現(xiàn)象，第四次保護(hù)停堆即可證明。

3 運(yùn)行中方法改進(jìn)

綜觀前兩節(jié)所述：“給水流量低”引起保護(hù)停堆，成為水汽轉(zhuǎn)換過程中難以逾越的門檻，該文總結(jié)并網(wǎng)發(fā)電期間調(diào)試和運(yùn)行兩方面經(jīng)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式提出3點(diǎn)需要改進(jìn)優(yōu)化之處。

3.1 CEFR主給水系統(tǒng)管道工藝改造

CEFR主給水管道實(shí)際安裝情況是4臺(tái)給水流量計(jì)布置處管道彎頭較多，容易積存空氣而觸發(fā)儀表測(cè)壓管的壓力波動(dòng)，進(jìn)而可能誘發(fā)虛假的流量波動(dòng)信號(hào)。這與差壓式流量計(jì)安裝要求不符，為排除儀表受到干擾引起給水流量波動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員在給水管道上加裝排空氣管線。

3.2 運(yùn)行操作優(yōu)化

根據(jù)該文對(duì)4次保護(hù)停堆事件的分析結(jié)果，考慮到CEFR直流式蒸汽發(fā)生器無足夠汽腔特點(diǎn)，應(yīng)擴(kuò)大蒸汽發(fā)生器汽腔邊界，將主蒸汽系統(tǒng)中若干段管道納入蒸汽發(fā)生器“內(nèi)部空間”。這樣增大了蒸汽發(fā)生器的汽容積，有利于在蒸汽流出該汽腔時(shí)，緩解流量波動(dòng)。在對(duì)閥門操作“緩慢”基礎(chǔ)上，優(yōu)化運(yùn)行操作方法如下。

（1）將給水調(diào)節(jié)閥變?yōu)榭刂普羝l(fā)生器汽腔的重要邊界閥門。在第一次停堆前為保證蒸汽發(fā)生器內(nèi)水汽工況轉(zhuǎn)換順利進(jìn)行，使用給水泵作為給水壓力主要降低手段，給水調(diào)節(jié)閥并未作為輔助降壓手段進(jìn)行調(diào)節(jié)。第一次停堆后，將給水調(diào)節(jié)閥差壓提高至2.0～2.5MPa將給水調(diào)節(jié)閥作為節(jié)流件使用。

（2）在現(xiàn)場(chǎng)操作閥門前確保操作閥門前后管道內(nèi)蒸汽壓力相大致平衡。在過熱器投運(yùn)前暖管時(shí)，先微開暖管段管道前電動(dòng)閥門，后開微啟疏水閥完成暖管操作。在開啟主蒸汽系統(tǒng)主管道電動(dòng)閥時(shí)，需要在現(xiàn)場(chǎng)核查過熱器管道溫度與蒸發(fā)器管道溫度基本一致，再檢查汽機(jī)旁排閥狀態(tài)，確認(rèn)主蒸汽母管內(nèi)蒸汽壓力與蒸發(fā)器出口蒸汽壓力較為接近。這樣可將閥門開關(guān)操作引發(fā)系統(tǒng)參數(shù)波動(dòng)影響降至最低。

（3）運(yùn)行操作順序優(yōu)化。

①改進(jìn)主蒸汽系統(tǒng)中雙道連通閥操作，即提前開啟一道閥門，在系統(tǒng)具備投運(yùn)時(shí)再開啟另一閥門，這樣可以保證兩閥之間管道有充分時(shí)間預(yù)熱，將一臺(tái)閥門作為一段管道投運(yùn)的邊界閥門，減少雙道閥門操作風(fēng)險(xiǎn)。

②對(duì)于過熱器出口隔離閥在暖管后關(guān)閉，在過熱器投運(yùn)后須要再次開啟的頻繁操作步驟，簡(jiǎn)化運(yùn)行。這樣可在過熱器投運(yùn)過程中，排除因隔離閥只能快速全開全關(guān)特點(diǎn)而引起系統(tǒng)狀態(tài)劇烈變化。

3.3 CEFR主蒸汽系統(tǒng)閥門管路改造

4次停堆事件中，為避免由于操作旁路聯(lián)通閥引發(fā)的保護(hù)停堆現(xiàn)象，可以設(shè)計(jì)旁路管線，如圖4所示。在最大壓差情況下，通過節(jié)流孔板的設(shè)計(jì)可以避免大流量蒸汽從蒸發(fā)器中流出，從而減緩了給水流量波動(dòng)現(xiàn)象。操作步驟為：在開啟或關(guān)閉4臺(tái)電動(dòng)閥時(shí)，先對(duì)其旁路進(jìn)行操作。

4 結(jié)論

該文從直流蒸汽發(fā)生器的特性入手，通過分析4次保護(hù)停堆事件的過程，提出改進(jìn)蒸汽發(fā)生器水汽工況轉(zhuǎn)換運(yùn)行方法，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化主蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要有以下結(jié)論。

（1）該文分析了CEFR直流式蒸汽發(fā)生器和主蒸汽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，說明了在進(jìn)行蒸汽發(fā)生器水汽工況轉(zhuǎn)換時(shí)，給水流量易引起波動(dòng)是系統(tǒng)內(nèi)在特性。

（2）該文表明通過正確的運(yùn)行方式和系統(tǒng)改造可以緩解水汽工況下給水流量產(chǎn)生的較大波動(dòng)，初步理論計(jì)算結(jié)果表明能夠?qū)⒔o水流量波動(dòng)控制在20%之內(nèi)，不引起反應(yīng)堆停堆保護(hù)動(dòng)作。

（3）該文結(jié)合實(shí)際運(yùn)行提出對(duì)現(xiàn)有主蒸汽管道閥門采用另加旁路的設(shè)計(jì)思路，可進(jìn)一步緩解電動(dòng)閥開啟（電動(dòng)和手動(dòng)）時(shí)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生波動(dòng)，可以減輕現(xiàn)場(chǎng)人工操作，安全可靠，優(yōu)化主蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 張東輝.快堆概述[R].北京：中國原子能科學(xué)研究院，2001.

[2] 黃東興.中國實(shí)驗(yàn)快堆蒸汽動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)講義[Z].中國中國原子能科學(xué)研究院，2004.

[3] 中國實(shí)驗(yàn)快堆工程主蒸汽系統(tǒng)手冊(cè)系統(tǒng)章節(jié)[Z].核工業(yè)第二研究院，2004.

[4] 中國實(shí)驗(yàn)快堆工程主給水系統(tǒng)手冊(cè)系統(tǒng)章節(jié)[Z].核工業(yè)第二研究院，2004.

[5] 中國實(shí)驗(yàn)快堆常規(guī)島系統(tǒng)立體圖[Z].運(yùn)行研究部，2010.

[6] CEFR最終安全分析報(bào)告[R].北京：中國原子能科學(xué)研究院，2008.

[7] 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].3版.高等教育出版社，1998.

[8] 孔瓏.工程流體力學(xué)[M].2版.中國電力出版社，1992.