(中核霞浦核電有限公司，福建 寧德 355100)

由于鈉的高沸點物理特性(鈉常壓下的沸點為882.9 ℃)，額定工況下鈉冷快堆中一、二回路的鈉溫均在500 ℃以上，比常見壓水堆一回路溫度要高出將近200 ℃。所以不同于壓水堆采用自然循環(huán)式蒸汽發(fā)生器，鈉冷快堆均采用直流式蒸汽發(fā)生器，比如俄羅斯鈉冷快堆BN800、中國實驗快堆(CEFR)、中國示范快堆(CFR600)等。在高功率的情況下，二回路的鈉溫足夠高，給水一次流過直流式蒸汽發(fā)生器加熱面而轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?。但在低功率情況下由于過熱器不能進水，必須借助啟動和停堆冷卻系統(tǒng)(簡稱“啟停系統(tǒng)”)來接受、回收蒸汽發(fā)生器的工質(zhì)和熱量。所以啟動和停堆冷卻系統(tǒng)的設計對鈉冷快堆的啟動、停運過程的順利進行有著至關(guān)重要的作用。本文通過調(diào)研、分析CEFR、BN800啟動和停堆冷卻系統(tǒng)的設計，提出了CFR600啟動和停堆冷卻系統(tǒng)相關(guān)設計優(yōu)化建議。

1 啟動和停堆冷卻系統(tǒng)功能介紹

在反應堆啟動和停堆過程中，蒸汽發(fā)生器出口的過冷水(或蒸汽)進入啟動擴容器，擴容后的蒸汽進入高壓輔助蒸汽聯(lián)箱，疏放水排入凝汽器，或引入除氧器；水質(zhì)不合格時，疏水經(jīng)排污擴容器擴容降溫后，排入廢水坑。所以，啟動和停堆冷卻系統(tǒng)主要有以下功能：

1)在反應堆啟動和計劃停堆過程中，接受、回收蒸汽發(fā)生器模塊的工質(zhì)和熱量，滿足水/汽工況之間的轉(zhuǎn)換和傳輸熱量的需求；

2)蒸汽發(fā)生器水工況情況下，通過擴容閃蒸產(chǎn)生蒸汽，可減少輔助鍋爐出力，疏水返回除氧器加熱凝結(jié)水，提高能量利用率，提高經(jīng)濟效益；

3)作為高壓輔助蒸汽的汽源之一，可提高輔助蒸汽供除氧器、汽輪機軸封等使用。

2 CEFR啟停系統(tǒng)存在的問題

2.1 CEFR啟停系統(tǒng)運行介紹

中國實驗快堆CEFR的主要系統(tǒng)設置和物理參數(shù)選擇與大型快堆電廠相同。實驗快堆充分利用固有安全性并采用多種非能動安全技術(shù)，無需廠外應急，安全性已達到第四代核能系統(tǒng)的要求[1]。CEFR啟停系統(tǒng)由兩臺啟動擴容器、一臺高壓疏水擴容器、快速隔離閥、流量測量裝置、降壓調(diào)節(jié)閥、輔助蒸汽減壓閥、啟動擴容器水位調(diào)節(jié)閥、高壓疏水擴容器進水調(diào)節(jié)閥等組成，如圖1所示。CEFR兩個環(huán)路各有一個啟動擴容器，每個啟動擴容器有兩個入口閥，一個是降壓調(diào)節(jié)閥(F14101/F14201)，一個輔助蒸汽減壓閥(F10101/F10201)。降壓調(diào)節(jié)閥位于啟動擴容器進水管道，其作用是在蒸汽發(fā)生器水工況條件下，通過這個閥門來將蒸汽發(fā)生器出口10 MPa左右熱水降壓至1.8 MPa后進入啟動擴容器[2]，即自動維持降壓調(diào)節(jié)閥閥后壓力為1.8 MPa。輔助蒸汽減壓閥位于啟動擴容器進汽管道，其作用是在蒸汽發(fā)生器汽工況條件下，通過這個閥門將蒸汽發(fā)生器出口過熱蒸汽降壓后供給輔助蒸汽，維持輔助蒸汽供汽壓力為(1.8±0.2)MPa。輔助蒸汽溫度超過275 ℃時，噴水減溫閥(F10103/F10203)自動打開，維持輔助供汽溫度不超過280 ℃。

圖1 CEFR啟停系統(tǒng)簡圖Fig.1 Schematic of the startup and shutdown cooling system of the CEFR

在反應堆啟動過程中，首先打開降壓調(diào)節(jié)閥F14101和F14201，投入閥后壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使熱水進入啟動擴容器，此后投入液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過對F14105、F14205的調(diào)節(jié),保持擴容器水位,并把熱水排往高壓疏水擴容器閥后壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng);通過調(diào)節(jié)F14002的開度,控制進水壓力，此后投入液位調(diào)節(jié)系統(tǒng);通過調(diào)節(jié)F07042的開度,控制高壓疏水擴容器的液位。在正常工況下，啟動和停堆冷卻系統(tǒng)投入工作，啟動擴容器的汽壓和水位調(diào)節(jié)、高壓疏水擴容器進水壓力和水位調(diào)節(jié)，均為自動調(diào)節(jié)。

2.2 CEFR啟停系統(tǒng)存在的問題

CEFR啟動和停堆冷卻系統(tǒng)在實際運行中發(fā)現(xiàn)主要存在以下問題：

1)水汽轉(zhuǎn)換過程，需要將降壓調(diào)節(jié)閥切手動，手動控制降壓調(diào)節(jié)閥開度，協(xié)助進行降壓汽化操作，此時無法再通過降壓調(diào)節(jié)閥來控制啟動擴容器壓力，缺少了自動控制啟動擴容器壓力的手段。同時，由于水發(fā)生相變，體積快速膨脹，從而導致水汽轉(zhuǎn)換過程中，極易導致啟動擴容器超壓，引起啟擴安全閥動作；

2)啟動擴容器入口設置兩個入口調(diào)節(jié)閥，一個降壓調(diào)節(jié)閥適用于水汽轉(zhuǎn)換之前蒸汽發(fā)生器水工況狀態(tài)，一個輔助蒸汽降壓閥適用于水汽轉(zhuǎn)換之后蒸汽發(fā)生器汽工況狀態(tài)，導致水汽轉(zhuǎn)換之后要進行兩個閥門之間的切換操作，增加了操作難度，不利于水汽轉(zhuǎn)換之后的工況穩(wěn)定；

3)噴水減溫閥本來設計的功能為防止輔助蒸汽供汽溫度不超過280 ℃，但實際使用時一直處于手動控制狀態(tài)，目的也不是防止輔助蒸汽超溫，而是通過手動控制噴淋水量，來防止啟動擴容器超壓；

4)水汽轉(zhuǎn)換過程中，需要手動操作的設備太多，操作復雜，操作難度大，極大地增加了水汽轉(zhuǎn)換過程中的風險；

5)兩個蒸汽發(fā)生器的上游源頭是同一個給水母管，下游卻分別設置了一個相互獨立的啟動擴容器。每個啟動擴容器都有自己獨立的壓力、溫度、液位控制系統(tǒng)，這樣容易導致兩個環(huán)路之間存在偏差，需要人為控制兩個環(huán)路上下游參數(shù)的一致性，一個環(huán)路調(diào)節(jié)時容易引起另外一個環(huán)路發(fā)生變化，產(chǎn)生耦合現(xiàn)象，增加了環(huán)路間的流量控制難度。

3 BN800啟停系統(tǒng)設計及特點

BN800啟動和停堆冷卻的主要設備及相關(guān)功能如圖2所示。BN800啟停系統(tǒng)工藝圖所示。通過該工藝圖，我們可以發(fā)現(xiàn)，相對于CEFR的啟停系統(tǒng)設計，BN800具有以下主要特點：

圖2 BN800啟停系統(tǒng)工藝圖Fig.2 The process of the startup and shutdown cooling system of BN800

1)BN800一共有三個環(huán)路，但三個環(huán)路共用一個啟動擴容器，不僅減少了設備數(shù)量，同時從工藝設計上保證了三個環(huán)路的上、下游參數(shù)的一致性，減少了環(huán)路間的相互影響，減小了發(fā)生環(huán)路間偏差的風險，降低了控制難度；

2)BN800每個環(huán)路啟動擴容器入口只設置一個調(diào)節(jié)閥(CEFR每個環(huán)路啟擴入口設置了兩個調(diào)節(jié)閥：一個降壓調(diào)節(jié)閥，一個輔助蒸汽減壓閥)，水汽轉(zhuǎn)換之后不需要進行閥門切換，簡化了操作步驟。同時，BN800啟擴入口調(diào)節(jié)閥的功能設計也不一樣，BN800該調(diào)節(jié)閥的功能為自動控制蒸汽發(fā)生器出口壓力，維持蒸汽發(fā)生器出口壓力在要求的值;

3)BN800啟動擴容器下游設置了去凝汽器的排放閥，用于自動控制啟動擴容器的壓力[3]，可以有效防止啟擴超壓。BN800啟動擴容器設置了凝結(jié)水噴淋減溫閥，由于有專門的排放閥來控制壓力，所以噴淋減溫閥專門用來防止啟動擴容器超溫；

4)BN800設置了專門的啟動前反暖、疏水管線，理論上可以使反暖時間縮短，提高了反暖效果，可以縮短啟動時間。

總的來說，BN800工藝設計更加合理，簡化了操作，為實現(xiàn)主給水全流量自動控制，特別是水汽轉(zhuǎn)換過程在自動控制，奠定了工藝基礎，從而使BN800最終實現(xiàn)了主給水全流量自動控制(包括水汽轉(zhuǎn)換過程)。

4 CFR600啟停系統(tǒng)設計及優(yōu)化建議

4.1 CFR600啟停系統(tǒng)介紹

CFR600啟停系統(tǒng)由啟動擴容器、快速隔離閥、流量測量裝置、啟擴水側(cè)調(diào)節(jié)閥、啟擴汽側(cè)調(diào)節(jié)閥、啟動擴容器水位調(diào)節(jié)閥、噴淋減溫閥等設備組成，圖3為CFR600啟停系統(tǒng)簡圖。由于CFR600整體上是參考CEFR進行設計的，所以CFR600啟停系統(tǒng)也和CEFR啟停系統(tǒng)相類似，但也進行了一些改進?？偟膩碚f，CFR600啟停系統(tǒng)的設計功能及特點主要包括以下幾點：

圖3 CFR600啟停系統(tǒng)簡圖Fig.3 Schematic of the startup and shutdown cooling system of CFR600

1)在啟動擴容器數(shù)量方面，對CEFR兩個啟動擴容器的設計進行了改進。CFR600和BN800類似，兩個環(huán)路共用一個啟動擴容器，優(yōu)點是減少設備數(shù)量，從工藝設計上保證了兩個環(huán)路的上、下游參數(shù)的一致性，減少了環(huán)路間的相互影響，減小了發(fā)生環(huán)路間偏差的風險，降低了控制難度。從另外一個方面來說，則增加了啟動擴容器的開孔數(shù)量，對設備接口的焊接工藝提出了更高的要求，對設備的制造工藝提出了更高的要求。經(jīng)過調(diào)研，確認國內(nèi)廠家的設備制造工藝可以滿足這個要求，所以這個缺點也就沒有問題了。

2)在啟擴的噴淋減溫水方面，CEFR由主給水泵出口的高壓給水母管提供噴淋減溫水，CFR600和BN800的啟擴噴淋減溫水均是由凝結(jié)水泵出口的凝結(jié)水母管提供，即CEFR是主給水，CFR600和BN800是凝結(jié)水。主給水提供作為噴淋水的唯一優(yōu)點是主給水的溫度較高，和啟動擴容器內(nèi)的溫差較小，可以減小熱沖擊。但是存在一個比較大的問題是對主給水控制會產(chǎn)生一個比較大的擾動。CEFR的運行操作經(jīng)驗表明，在進行主給水控制時，經(jīng)常由于噴淋減溫水流量的波動，導致進入蒸汽發(fā)生器中的主給水流量以及蒸汽發(fā)生器出口壓力發(fā)生變化，從而需要操縱員對主給水流量、壓力進行手動重新調(diào)整。在主給水流量、蒸汽發(fā)生器出口壓力處于自動控制狀態(tài)時，如果由主給水提供噴淋減溫水，那么噴淋減溫水流量變化也必然會成為一個影響比較大的擾動量，對自動控制品質(zhì)產(chǎn)生重大影響。另外，用凝結(jié)水作為噴淋減溫水的減溫、減壓效果更加明顯，導致需要的減溫水流量小，有助于減小減溫水設計管徑，減小啟動擴容器的開孔孔徑，提高設備可靠性。

3)在啟動擴容器入口閥設計方面，CFR600沿用了CEFR的設計，每個環(huán)路依然設計了兩個入口調(diào)節(jié)閥，但兩個閥門的功能上有所不同。CFR600的水側(cè)調(diào)節(jié)閥用于蒸汽發(fā)生器水工況條件下控制蒸汽發(fā)生器出口壓力為10 MPa，汽側(cè)調(diào)節(jié)閥用于汽工況條件下控制閥后壓力(即啟動擴容器內(nèi)壓力)為(1.8±0.2)MPa。

4.2 CFR600啟停系統(tǒng)存在的問題及優(yōu)化建議

雖然CFR600的啟停系統(tǒng)設計在CEFR的基礎上進行了一些改進，但是也還存在一些問題：

1)水汽轉(zhuǎn)換過程中，啟擴入口調(diào)節(jié)閥需要配合進行蒸發(fā)器降壓汽化，啟擴壓力缺少自動控制手段。并且水汽轉(zhuǎn)換過程啟擴壓力變化快，操縱員往往來不及手動控制，極易導致啟擴超壓，啟擴安全閥頻繁動作(這也是CEFR的運行經(jīng)驗)；

2)水汽轉(zhuǎn)換之后到旁排可以投入控制蒸汽發(fā)生器出口壓力之前，這段時間需要開啟蒸汽發(fā)生器出口至主蒸汽母管的聯(lián)絡閥，對主蒸汽母管進行升壓及進一步暖管。這段時間屬于汽工況條件，啟擴入口汽側(cè)調(diào)閥用于控制啟擴壓力，所以此時蒸汽發(fā)生器出口壓力無自動控制手段；

3)CEFR由于沒有主蒸汽減壓供給輔助蒸汽的設計，所以必須由啟停系統(tǒng)提供輔助蒸汽直到75%FP一段抽取投入并輔助蒸汽之后，才能退出運行。而CFR600可以通過主蒸汽減壓提供輔助蒸汽，所以主蒸汽母管升壓完畢之后，旁排投入。此時即可將啟停系統(tǒng)退出運行，沒有必要等過熱器模塊投運后才停運啟停系統(tǒng)，也就沒必要在這個階段專門設置一個汽側(cè)調(diào)閥來控制啟擴的壓力。

針對這些問題，參考BN800的設計，提出以下優(yōu)化建議：

1)為了啟停系統(tǒng)運行時啟動擴容器壓力一直有自動控制手段，建議在啟擴下游設置到凝汽器的排放管路及自動控制閥門。這個設計類似一個小旁排管線，通過控制排往凝汽器的蒸汽量來控制啟動擴容器壓力，防止其超壓。

2)由于啟動擴容器有專門的閥門來控制壓力，不再需要啟擴汽側(cè)入口閥來控制啟擴壓力，所以可以將啟擴水/汽側(cè)調(diào)節(jié)閥合二為一，變?yōu)橐粭l管線和一個入口調(diào)節(jié)閥閥門，入口調(diào)節(jié)閥閥的功能設計為控制蒸汽發(fā)生器出口壓力。這個入口調(diào)節(jié)閥在蒸汽發(fā)生器水工況條件下控制蒸汽發(fā)生器出口過冷水壓力為10 MPa，水汽轉(zhuǎn)換之后控制蒸汽發(fā)生器出口蒸汽壓力為7 MPa。因為啟擴入口調(diào)節(jié)閥的工作環(huán)境存在汽水兩相的情況，容易對閥門造成汽蝕損壞。為了保證入口調(diào)節(jié)閥的可靠性，所以將啟擴水/汽側(cè)調(diào)節(jié)閥變更為一用一備，均用于控制蒸汽發(fā)生器出口壓力。這樣既保證了功能上的便捷性，又提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

3)優(yōu)化啟停系統(tǒng)運行方式。啟停系統(tǒng)由原設計的運行至11.9%Pn過熱器投入后退出運行，變更為運行至7%Pn水汽轉(zhuǎn)換之后便退出運行狀態(tài)，然后由主蒸汽降壓提供輔助蒸汽。縮短啟停系統(tǒng)運行時間，簡化運行，降低啟擴超壓風險。

按照優(yōu)化建議優(yōu)化之后的CFR600啟停系統(tǒng)簡圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的CFR600啟停系統(tǒng)簡圖Fig.4 Schematic of the optimized startup and shutdown cooling system of CFR600

5 結(jié)論

通過對比CEFR、BN800以及CFR600啟停系統(tǒng)的功能設計，分析它們的優(yōu)缺點及可能存在的問題，提出CFR600啟擴入口閥優(yōu)化建議，將原設計中兩個啟擴入口調(diào)節(jié)閥一個負責水工況下蒸汽發(fā)生器出口壓力控制、一個負責汽工況下啟擴壓力控制，變更為兩個閥門一用一備，但均負責蒸發(fā)器出口壓力控制(包括水工況及汽工況初期)。同時，建議啟擴下游增加至凝汽器的排放管線，設置排放閥自動控制啟擴壓力，防止啟擴超壓。消除了原設計中存在的以下問題：(1)水汽轉(zhuǎn)換之后至主蒸汽母管升壓期間無法自動控制蒸發(fā)器出口壓力；(2)水汽轉(zhuǎn)換期間啟擴存在超壓風險；(3)水/汽轉(zhuǎn)換后需要對兩個閥門進行復雜的切換操作，增加了操作風險；(4)啟擴必須連續(xù)運行至過熱器投入之后。

總的來說，此設計優(yōu)化建議可以優(yōu)化CFR600啟擴運行方式，有效避免啟擴超壓，提高運行可靠性，簡化水汽轉(zhuǎn)換操作，同時為以后實現(xiàn)水汽轉(zhuǎn)化過程自動控制奠定工藝基礎。