姚文卓, 周 濤, 劉建全, 楊已顥

(1.上海電力大學 能源與機械工程學院, 上海 200082;2.東南大學 能源與環(huán)境學院, 江蘇 南京 210000)

隨著社會的發(fā)展和環(huán)保理念的普及,清潔能源的開發(fā)和利用愈發(fā)受到人們的重視和提倡。其中,核能被認為是清潔可靠的能源之一[1],核電站則是和平利用核能的典范。相較于傳統(tǒng)火力發(fā)電的方式,核電發(fā)展起步較晚,但發(fā)展速度較快。這與核電從發(fā)展之初便受到各國的廣泛關注和重視有很大關系。與此同時,我國也提出了有計劃、有步驟地發(fā)展核電的能源戰(zhàn)略[2-4]。要大規(guī)模發(fā)展核電,除了要研究機組特性和電力系統(tǒng)調度策略[5-6]外,所面臨的主要問題是如何進一步提高自主設計水平以及如何實現(xiàn)相關設備的全面國產化[7]。尤其是一些大型設備,例如被稱為核電站一、二回路樞紐的蒸汽發(fā)生器,屬于大型換熱設備,其能否穩(wěn)定運行直接關系到整座核電站的安全,而其自身的換熱特性也決定了其是否具有很好的熱經濟性優(yōu)化潛力。為此,SUN B Z等人[8]通過建立二次側管隙的局部模型,研究了管隙內流體的局部渦流現(xiàn)象以及局部再循環(huán)的分布狀況;江嘉銘等人[9]采用N-S方程和流體換熱方程對一體化核反應堆蒸汽發(fā)生器換熱回路進行了分析,研究了額定功率下不同換熱管結構對換熱效率的影響;阮辰鶴[10]建立了蒸汽發(fā)生器一、二次側的三維流動與耦合傳熱過程的數(shù)值模型,以兩相流模型的方法研究了能量和質量的轉換,得出了穩(wěn)態(tài)工況下蒸汽含汽率、傳熱管內外壁溫和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及一、二次側壓力等關鍵參數(shù)的分布規(guī)律。

上述研究針對的是二次側提出的相應模型模擬過程,或使用數(shù)學方法對物理數(shù)值進行擬合分析,或采用實驗進行模擬對比并加以分析,難以解決實際工程設計及項目施工過程中面臨的選擇成本問題。本文以某AP1000機組蒸汽發(fā)生器二次側為研究對象,引入經濟學成本概念,并結合成本理論,在確定設計參數(shù)下的額定工況后,對系統(tǒng)進行熱經濟學成本的分析計算,并根據不同運行參數(shù)建立熱經濟學成本函數(shù)模型,對運行過程中不同因素對熱經濟學成本的影響進行了分析和探討,得出了不同負荷下溫度和壓力等參數(shù)的變化對蒸汽發(fā)生器二次側經濟性影響的趨勢和程度,以期對機組調峰、設備運行及維護等過程提供參考。

1 AP1000機組蒸汽發(fā)生器的結構及設計參數(shù)

1.1 基本結構

AP1000機組采用第三代先進壓水反應堆技術[11],使用立式、殼形、U型管蒸汽發(fā)生器,每臺機組配備2臺蒸汽發(fā)生器,形成兩個環(huán)路。與傳統(tǒng)核電機組內三環(huán)路布置方式[12]相比,AP1000蒸汽發(fā)生器具有傳熱管數(shù)量多、管束換熱面積大、單個蒸汽發(fā)生器熱容量大、結構設計布局緊湊等特點。其基本結構如圖1所示。

圖1 AP1000機組蒸汽發(fā)生器基本結構

一回路循環(huán)水在反應堆吸熱后經下封頭一側入口流入,進入U型管,經直管段上升,在彎管段改變流向后,再經另一側直管段下降,在筒體內放熱后流回下封頭另一側,并經出口流出后流回反應堆。二回路循環(huán)水經給水環(huán)管流入筒體,并在底部流向筒體中部并接觸U型管開始吸熱,經管隙不斷吸熱上升并發(fā)生相變。該過程分為過冷段、沸騰段和上升段3個階段[13],產生的蒸汽經過汽水分離器后由蒸汽出口噴嘴流出。

1.2 設計參數(shù)

AP1000機組蒸汽發(fā)生器部分設計參數(shù)如表1所示。

表1 AP1000機組蒸汽發(fā)生器設計參數(shù)

2 熱經濟學成本

2.2 函數(shù)模型

設環(huán)境溫度t0=20 ℃,環(huán)境壓力p0=0.101 MPa,則蒸汽值為

e=h-h0-T0(s-s0)

(1)

式中:e——比,kJ/kg;

h——比焓值,kJ/kg;

h0——環(huán)境溫度下比焓值,kJ/kg;

T0——環(huán)境溫度,K;

s——比熵值,kJ/(kg·K);

s0——環(huán)境溫度下比熵值,kJ/(kg·K)。

E=eqm

(2)

式中:E——值,kW。

2.2.2 設備等額分期償還成本

設備成本往往包括很多方面,如購買、安裝、調試、運行、維護等費用。通常情況下設備成本的估算需要經驗數(shù)據支持,即采用經驗公式[15]計算

(3)

式中:Z——蒸汽發(fā)生器設備估算成本,$;

η——蒸汽發(fā)生器熱效率。

而設備成本對熱經濟學成本的影響,應以等額分期償還成本的方式加以計算。

(4)

(5)

q=(1+i)(1+r)

(6)

式中:Zl——蒸汽發(fā)生器等額分期償還成本,$/s;

φ——系統(tǒng)維護因子;

f——年度化因子;

H——設備年運行時間,h/y;

q——中間變量參數(shù);

k,N——償還周期和建造周期,y;

i——利率;

r——通貨膨脹率。

2.2.3 熱經濟學成本方程

(7)

式中:c——蒸汽發(fā)生器熱經濟學成本,$/kJ。

3 計算結果可視化及分析

3.1 不同運行負荷下熱經濟學成本

以額定滿負荷參數(shù)為上限,代入不同運行負荷下的參數(shù)進行計算,得到的結果如圖2所示。

圖2 不同運行負荷下熱經濟學成本

由圖2可知,隨著負荷的降低,蒸汽發(fā)生器熱經濟學成本呈加速增長的趨勢。

結合核電站實際運行情況及上述結果進行分析,目前核電站機組一般通過日負荷跟蹤運行、季節(jié)性調峰和長期降功率運行3種方式參與電網調峰,而AP1000機組通常采用機械補償模式進行功率調節(jié),雖然其可在單個燃料循環(huán)壽期中的大部分時間內進行30%Pn(額定功率)以上的功率調節(jié),但在低負荷運行狀態(tài)下,首先會導致包殼內應力變化,易導致包殼破裂損傷;其次控制棒棒位發(fā)生改變,會降低堆芯安全裕度;再次堆芯內部中毒反應加劇、瞬態(tài)效應明顯,存在局部超功率熔毀風險;最后負荷變化需配合硼濃度變化,這一過程會增加放射性廢物的產生和處理量。因此,考慮到設備壽命、安全運行和經濟性等因素,不建議進行頻繁降低負荷運行。此外,雖然在變負荷工況下核電熱經濟學成本變化趨勢與傳統(tǒng)火電相似,但核電機組蒸汽參數(shù)更低,變負荷工況的熱經濟學成本增量更大,從而導致核電機組參與調峰的優(yōu)先級并不高。

3.2 不同工況參數(shù)下熱經濟學成本

以額定參數(shù)為上限,代入不同運行工況下的壓力和溫度參數(shù)進行計算,得到的結果如圖3所示。

圖3 不同工況參數(shù)下熱經濟學成本

選取圖3中部分參數(shù)值,整理結果如表2所示。

表2 部分工況參數(shù)下熱經濟學成本

由表2可知,在275～285 ℃和5.70～5.90 MPa的工況區(qū)間內,熱經濟成本在2.094 8×10-6～2.135 1×10-6$/kJ范圍內變化,表明蒸汽發(fā)生器內二次側蒸汽出口壓強和溫度對熱經濟學成本有不同程度的影響,隨著溫度的升高,壓強增大,熱經濟學成本逐漸下降,其中溫度的影響更加顯著。

結合核電站實際運行情況及上述分析結果,為提高蒸汽發(fā)生器的熱經濟性,目前較為有效且使用廣泛的方法也是以強化換熱、增加蒸汽發(fā)生器內換熱功率等來提高二次側蒸汽出口溫度。蒸汽發(fā)生器占核電站設備投資比重較高,而其工作過程又產生了有限溫差換熱損失、排污損耗等其他各種不可逆損失,使其效率偏低。蒸汽出口溫度的增加,不僅降低了損耗,提高了效率,提升了設備的熱經濟性,而且能降低主蒸汽濕度,除減少濕氣損失外,還能改善汽輪機做功環(huán)境,減緩汽輪機動葉片沖蝕現(xiàn)象的發(fā)生,起到了提高機組運行安全性和壽命的作用。

4 結 論

(1)隨著機組負荷的降低,蒸汽發(fā)生器二次側熱經濟學成本逐漸增加,且增速呈加快的趨勢。原因在于核電機組蒸汽參數(shù)低,變負荷工況下的熱經濟學成本增量更容易被放大,而這一趨勢在蒸汽參數(shù)水平更高的火電機組上的熱經濟學成本增量更小。因此,相比火電機組,核電機組更不適合進行頻繁降低負荷運行,且參與變負荷調峰的優(yōu)先級更低。

(2)蒸汽發(fā)生器內二次側蒸汽出口的壓強對熱經濟學成本影響較小,壓強的提升對于熱經濟學成本的降低幅度有限。在實際運行狀態(tài)下,維持較高的壓強水平會增加泵功耗和廠用電,從而影響發(fā)電經濟性。因此,在蒸汽發(fā)生器的改造或設計過程中,可以綜合考慮熱經濟學成本的降低和泵能耗的增加幅度,選取一個適當?shù)膲簭娮鳛轭~定工況參數(shù)。

(3)蒸汽發(fā)生器內二次側蒸汽出口的溫度對熱經濟學成本的影響更加顯著,溫度的提升可更大幅度地降低其熱經濟學成本,改善二次側換熱條件,通過優(yōu)化換熱效率的方式,更容易降低熱經濟學成本。因此,在蒸汽發(fā)生器的改造或設計過程中,考慮強化換熱或提高一次側工質的設計溫度參數(shù),能更有效地提升其熱經濟性。