左創(chuàng)舉， 孫文釗， 李保廷， 高玉峰， 李 蒙， 曾乃頌

(1. 西安益通熱工技術服務有限責任公司， 西安 710054；2. 西安熱工研究院有限公司， 西安 710054； 3. 中核霞浦核電有限公司， 福建寧德 355100)

核電在實現(xiàn)能源低碳化過程中發(fā)揮極其重要的作用[1]?？熘凶臃磻?簡稱快堆)能夠保證鈾資源長期穩(wěn)定的供應，并且可焚燒和嬗變掉壓水堆乏燃料中的長壽命高放射性廢物[2]，成為世界上第四代先進核能系統(tǒng)的首選堆型之一。

針對1 000 MW以上的大型商用鈉冷快堆，當采用鈾钚氧化物燃料運行時，其增殖比可達1.3，如果換用鈾钚金屬燃料，增殖比將會達到1.582。金屬鈉在熱物性上的優(yōu)點[3]主要表現(xiàn)在：熔點低，易于熔化；沸點高，不易沸騰產生鈉氣泡；密度低于水，節(jié)省泵功率等。此外，更重要的是，在反應堆運行情況下，鈉的熱導率比水高百倍以上[4]，可以保證堆芯和燃料不易過熱。

汽輪機沖轉試驗即根據(jù)不同的堆型和現(xiàn)場情況，利用合適的熱源，將冷卻劑在汽輪機回路內加熱產生飽和蒸汽，并將汽輪發(fā)電機組沖轉至額定轉速的試驗[5]。核電廠汽輪機非核蒸汽沖轉主要目的是驗證蒸汽回路整體是否可以正常運轉，并盡早發(fā)現(xiàn)汽輪發(fā)電機組在安裝過程中的各種問題[6]。對于鈉冷快堆，非核蒸汽沖轉的成功表明蒸汽回路調試已基本完成，并且即將進入鈉-水-汽聯(lián)合調試階段[7]。

目前，按照沖轉汽源可將非核蒸汽沖轉方法分為：(1)在熱態(tài)試驗階段，利用一回路主冷卻劑泵和穩(wěn)壓器的電加熱器的熱量，加熱汽水回路冷卻劑產生蒸汽，進行非核蒸汽沖轉。該方法在一些發(fā)達國家(如日本和德國)中使用較為廣泛，在我國現(xiàn)有壓水堆[8]調試過程中也有應用。將一回路主冷卻劑泵和穩(wěn)壓器的電加熱器[9-10]的熱量作為熱源能否滿足汽輪機非核蒸汽沖轉蒸汽參數(shù)的要求，需要進行計算驗證。(2)設置足夠容量的輔助鍋爐[11]，利用輔助鍋爐產生的蒸汽進行非核蒸汽沖轉。該方法在另一些發(fā)達國家(如法國)使用廣泛，可以保證熱源有足夠的加熱功率，但輔助鍋爐燃料的費用較高，在主冷卻劑泵和穩(wěn)壓器的電加熱器能產生足夠熱量的前提下，我國多數(shù)壓水堆不設置輔助鍋爐。

筆者對國內外核電廠汽輪機非核蒸汽沖轉的經驗進行總結，參考我國鈉冷快堆的實際工況和工程經驗，歸納了適合鈉冷快堆的汽輪機非核蒸汽沖轉試驗方法。同時，通過對系統(tǒng)進行優(yōu)化，提出了針對鈉冷快堆汽輪機非核蒸汽沖轉的優(yōu)化方案，并對優(yōu)化后的經濟性和安全性進行了分析。

1 非核蒸汽沖轉試驗

鈉冷快堆與壓水堆非核蒸汽沖轉試驗的不同為：

(1) 鈉冷快堆與壓水堆的傳熱模式[12-13]不同。從安全性的角度考慮，鈉冷快堆比壓水堆增加了中間鈉回路(見圖1)。中間鈉回路[14]的增加會導致熱量耗散的增加，三回路的蒸汽參數(shù)也會降低。

圖1 我國鈉冷快堆結構

(2) 鈉冷快堆與壓水堆的汽輪機沖轉蒸汽參數(shù)不同。在對鈉冷快堆的汽源進行選擇時，必須依據(jù)傳熱學的數(shù)值計算結果。根據(jù)鈉冷快堆汽輪機廠商推薦的非核蒸汽沖轉參數(shù)，沖轉轉速曲線見圖2。

圖2 非核蒸汽沖轉的轉速變化

非核蒸汽沖轉時，直流式蒸汽發(fā)生器運行有流動穩(wěn)定性要求，鈉冷快堆的設計最小給水質量流量為5%額定給水質量流量(水工況)、8%額定給水質量流量(汽工況)。蒸汽發(fā)生器在汽工況下最小給水質量流量為181.6 t/h。

沖轉蒸汽所需壓力的計算公式為：

p0=qm,min(h2-h1)

(1)

式中：p0為沖轉蒸汽所需壓力，MPa；qm,min為沖轉所需最小蒸汽質量流量，t/h；h2為沖轉蒸汽比焓，kJ/kg；h1為給水比焓，kJ/kg。

根據(jù)水的物性參數(shù)及鈉冷快堆的設計數(shù)據(jù)，鈉冷快堆機組的主要參數(shù)見表1。

表1 鈉冷快堆的主要參數(shù)

根據(jù)鈉冷快堆設計方法，輔助鍋爐房設置3臺燃油鍋爐及其附屬設備，其中：2臺燃油鍋爐的額定蒸汽質量流量均為50 t/h，1臺燃油鍋爐的額定蒸汽質量流量為15 t/h。出口蒸汽的壓力為2.1 MPa、溫度為280 ℃。在試驗過程中，要求蒸汽參數(shù)不發(fā)生振蕩，輔助鍋爐保持95%額定蒸汽質量流量(109 t/h)不變，通過調節(jié)汽輪機旁路來控制汽輪機進汽壓力，進而控制各階段沖轉參數(shù)。

由于常規(guī)島汽輪機非核蒸汽沖轉的蒸汽凝結水直接外排不返回輔助鍋爐給水系統(tǒng)，輔助鍋爐給水采用20 ℃的除鹽水，輔助鍋爐在額定工況運行時汽輪機軸封供汽需要11.6 t/h的輔助鍋爐蒸汽，因此輔助鍋爐可向用戶提供的蒸汽質量流量約為97 t/h。在汽輪機沖轉達到2 000 r/min轉速平臺時，需要輔助鍋爐提供67 t/h蒸汽；在汽輪機沖轉達到3 000 r/min轉速平臺時，需要輔助鍋爐提供92 t/h蒸汽。

輔助鍋爐雖然能夠滿足汽輪機非核蒸汽沖轉的蒸汽供應要求，但仍然可以對汽輪機非核蒸汽沖轉方法進行優(yōu)化，減少輔助鍋爐補水需求量、提高非核蒸汽沖轉過程安全性，同時降低成本。

2 汽水回路優(yōu)化

2.1 存在的不足

圖3為利用輔助鍋爐進行非核蒸汽沖轉的汽水回路。利用輔助鍋爐進行非核蒸汽沖轉，除鹽水由除鹽水廠房生產，經輔助鍋爐加熱產生蒸汽，部分蒸汽用于汽輪機軸封供汽，余下蒸汽經主汽聯(lián)箱，進入汽輪機旁路。蒸汽先對進入汽輪機之前的管路進行沖洗，待蒸汽品質合格后，利用汽輪機旁路調節(jié)汽輪機進汽壓力，蒸汽進入汽輪機沖轉，乏汽經過凝汽器冷凝為凝結水，不經過凝結水精處理系統(tǒng)，然后排入汽輪機房廢液收集系統(tǒng)。

圖3 利用輔助鍋爐進行非核蒸汽沖轉的汽水回路

在鈉冷快堆汽輪機非核蒸汽沖轉設計方法中，由于原方法將凝結水直接排入汽輪機房廢液收集系統(tǒng)，造成了除鹽水的浪費；并且經凝汽器凝結而成的凝結水比除鹽水廠房生產的除鹽水的溫度更高，將凝結水直接排放也會造成高焓冷卻劑的浪費，進而造成輔助鍋爐燃料的浪費，增加非核蒸汽沖轉試驗的成本。

2.2 汽水回路優(yōu)化

圖4為優(yōu)化后利用輔助鍋爐進行非核蒸汽沖轉的汽水回路。在乏汽經過凝汽器凝結成凝結水后，經凝結水泵升壓及凝結水精處理之后，通過增加管線接入除鹽水供應管線的支管，并在靠近接管位置，在除鹽水上游增加1個逆止閥和1個手動閘閥，在支管管路上增加1個逆止閥和1個手動閘閥。通過增加的支管及閥門，將凝汽器凝結而成的高焓凝結水經精處理后重新導入輔助鍋爐汽水循環(huán)。

圖4 優(yōu)化后利用輔助鍋爐進行非核蒸汽沖轉的汽水回路

優(yōu)化后汽水回路的優(yōu)點為：

(1) 減少除鹽水的浪費。除鹽水生產需要大量時間成本和經濟成本，將除鹽水直接排出不進行回收，對水資源造成了極大的浪費。將凝結水精處理后回收至輔助鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)，可以節(jié)省水資源和經濟成本。

(2) 減少輔助鍋爐燃料的成本。經增加的支管回收再進行汽水循環(huán)的凝結水與直接從除鹽水廠房生產的除鹽水相比，其溫度更高。將回收的除鹽水加熱至沖轉所需參數(shù)，需要的燃料減少，可以節(jié)約燃料的成本。

(3) 提高非核蒸汽沖轉試驗的延伸性和可持續(xù)性。鈉冷快堆每次停機換料或大修，停堆再次啟堆時都需要進行非核蒸汽沖轉。新增的管線和閥門可以多次使用，不會造成設備的浪費；并且可以減少除鹽水供應壓力，提升系統(tǒng)供應穩(wěn)定性。

3 優(yōu)化結果的計算分析

3.1 經濟性

優(yōu)化后的非核蒸汽沖轉試驗方法新增了一段支管和4個閥門(2個逆止閥和2個手動閘閥)，增加了相應成本。與原非核蒸汽沖轉試驗方法相比，在沖洗階段、蒸汽參數(shù)提升階段、沖轉升轉速階段和沖轉轉速維持階段，優(yōu)化后的方法都有利于節(jié)省除鹽水和燃油的成本。根據(jù)快堆非核蒸汽沖轉試驗方法，從輔助鍋爐以95%額定蒸汽質量流量(109 t/h)產生蒸汽到汽輪機非核蒸汽沖轉試驗結束，共持續(xù)約15.5 h。

針對鈉冷快堆非核蒸汽沖轉的經濟性計算為：

(1) 支管和閥門成本的增加。

根據(jù)相似工程經驗估算，管道和閥門的成本及施工費用增加約2萬元。

(2) 燃油成本的節(jié)省。

使用輔助鍋爐進行非核蒸汽沖轉，鍋爐需要將20 ℃的除鹽水加熱至出口蒸汽參數(shù)。在對管線進行優(yōu)化后，蒸汽先經過凝汽器凝結成凝結水，再經過凝結水精處理系統(tǒng)，最后進入輔助鍋爐加熱，進入輔助鍋爐的凝結水溫度取40 ℃。根據(jù)非核蒸汽沖轉試驗要求，沖洗階段進行大流量沖洗，后續(xù)每階段蒸汽量保持不變。

節(jié)省燃油質量的計算公式為：

mo=cwmwΔTw/qo

(2)

式中：mo為節(jié)省燃油質量，t；cw為除鹽水比熱容，J/(kg·K)；mw為除鹽水質量，t；ΔTw為除鹽水溫升，K；qo為燃油熱值，J/kg。

優(yōu)化后節(jié)省的燃油計算結果見表2。

表2 優(yōu)化后節(jié)省的燃油計算結果

僅考慮燃油成本，燃油單價按3 000元/t計算，單次沖轉可節(jié)約燃油成本10 185元?？紤]換料周期和壽期，停堆換料次數(shù)和大修次數(shù)約為30次，可節(jié)省成本約305 550元。

(3) 除鹽水成本的節(jié)省。

通過優(yōu)化試驗汽水回路，在15.5 h試驗時間內系統(tǒng)回收的除鹽水量，即為優(yōu)化后非核蒸汽沖轉試驗方法節(jié)約的除鹽水量。

參照其他電廠，綜合原材料費、固定資產折舊費、人工費、備品備件費、儀表維護費和排水費等，將除鹽水成本定位為30元/t，即單次沖轉除鹽水成本節(jié)約50 685元?？紤]換料周期和壽期，停堆換料次數(shù)和大修次數(shù)約為30次，共可節(jié)省除鹽水成本約1 520 550元。

綜合分析，在電廠壽期內，使用優(yōu)化后的非核蒸汽沖轉試驗方法，可節(jié)省總成本約180.6萬元。

3.2 安全性

優(yōu)化后的非核蒸汽沖轉試驗方法，其安全性的提升主要體現(xiàn)為：

(1) 除鹽水經過回收再利用，極大降低了除鹽水生產系統(tǒng)的壓力，使非核蒸汽沖轉試驗的安全性大大提高。原試驗方法需要除鹽水生產系統(tǒng)時刻運轉，為非核蒸汽沖轉提供大量除鹽水。如果除鹽水生產系統(tǒng)無法持續(xù)提供足量除鹽水，非核蒸汽沖轉只能被迫停止；采用優(yōu)化過后的非核蒸汽沖轉試驗方法，如果輔助鍋爐給水循環(huán)系統(tǒng)需要補水，可通過凝汽器補水，整個非核蒸汽沖轉汽水系統(tǒng)為閉式循環(huán)，不需要除鹽水生產系統(tǒng)持續(xù)提供大量除鹽水。優(yōu)化后的非核蒸汽沖轉試驗方法使非核蒸汽沖轉對除鹽水生產系統(tǒng)的除鹽水供應要求大大降低。只要除鹽水供應量滿足非核蒸汽沖轉汽水循環(huán)補水的需求，則非核蒸汽沖轉試驗不會因除鹽水的供應不足而被迫停止。

(2) 優(yōu)化后的非核蒸汽沖轉試驗方法完全回收了從凝汽器排出的高焓凝結水，不需要考慮高焓凝結水對設備和人員的影響，同時減少了隔離流程和隔離措施。

4 結語

對鈉冷快堆非核蒸汽沖轉方法進行討論，分析了2種主流非核蒸汽沖轉試驗方法，重點說明了設置輔助鍋爐的鈉冷快堆非核蒸汽沖轉試驗方法，總結了適合鈉冷快堆的非核蒸汽沖轉試驗方法。

同時，提出了具有創(chuàng)新性的非核蒸汽沖轉的汽水回收優(yōu)化方法，通過增加一段支管和少量閥門，使鈉冷快堆非核蒸汽沖轉的成本和安全得到了較大的優(yōu)化。在鈉冷快堆壽期內約30次非核蒸汽沖轉中，使用優(yōu)化后的非核蒸汽沖轉試驗方法，可以節(jié)省成本約180.6萬元。