中國實驗快堆蒸汽發生器啟動工況研究

吳 強，紀西勝，牛敬娟，張煥旗，謝海昕

（中國原子能科學研究院快堆研究設計所，北京 102413）

中國實驗快堆蒸汽發生器啟動工況研究

吳 強，紀西勝，牛敬娟，張煥旗，謝海昕

（中國原子能科學研究院快堆研究設計所，北京 102413）

中國實驗快堆蒸汽發生器為直流式，啟動方式與壓水堆核電廠的有較大區別，啟動過程較為復雜。本文對中國實驗快堆蒸汽發生器啟動工況進行了研究，并將運行參數與理論設計參數進行了比較。結果表明，運行參數理論計算值與試驗值基本吻合。提出了蒸汽發生器啟動運行的優化方案，以指導運行人員操作，有效地保障了中國實驗快堆功率運行試驗的開展。

中國實驗快堆；直流式；蒸汽發生器；啟動工況

中國實驗快堆（CEFR）的主要系統設置和物理參數選擇與大型快堆電站相同。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，無需廠外應急，安全性已達到第4代核能系統的要求［1］。直流式蒸汽發生器啟動過程中水汽兩相自由液面尚無監測手段，所以快堆蒸汽發生器啟動初期相比壓水堆更易出現水動力不穩定現象，系統運行操作較為困難。因此，為避免在啟動過程中觸發系統保護參數，須優化啟動參數，探索最佳運行方式。本文在CEFR多次啟動試驗基礎上，對蒸汽發生器啟動工況進行詳細分析，闡述啟動方式優化后的影響和成功實踐經驗。

1 蒸汽發生器功率啟動

CEFR主熱傳輸系統采用鈉-鈉-水三回路布置形式，其設計熱功率為65 MW，電功率為20 MW。三回路系統的工作流程為：除氧器190℃給水經給水泵升壓后送入蒸汽發生器，吸收核熱后轉變成壓力為14 MPa、溫度為480℃的過熱蒸汽，進入汽輪機做功；乏蒸汽進入凝汽器被循環水冷卻后，冷凝水經凝結水泵及升壓泵升壓，在低壓加熱器中連續吸收汽輪機抽汽熱量，進入除氧器持續被加熱至190℃，實現三回路水和蒸汽的閉式循環。蒸汽發生器作為主熱傳輸系統中三回路系統的關鍵設備，其安全穩定運行對于保證電站的負荷因子有著非常重要的意義。CEFR主熱傳輸系統簡圖示于圖1。

圖1 CEFR主熱傳輸系統簡圖Fig.1 Sketch of main thermal transmission system for CEFR

CEFR蒸汽發生器為直流式蒸發結構，由蒸發器模塊和過熱器模塊組成（圖2），雙環路、直管立式布置，鈉走殼程，水／蒸汽走管程［2］。依據CEFR調試大綱，在蒸汽發生器事故保護系統靜態試驗結束后，三回路系統具備啟動條件即可進行蒸汽發生器熱態水沖洗工作。蒸汽發生器熱態水沖洗工作結束后，反應堆具備了功率啟動的先決條件。

圖2 蒸汽發生器模塊示意圖Fig.2 Sketch of steam generator module

2 蒸汽發生器啟動工況物理參數分析

2.1 啟動工況簡介

快堆蒸汽發生器啟動工況涉及反應堆功率為0～40%Pn（Pn為額定功率），包含蒸發器暖管、蒸發器水工況、蒸發器水汽轉換、過熱器暖管、過熱器汽工況和蒸汽發生器發電工況等物理過程［3］。除蒸發器水工況與一般電站啟動調試過程類似外，其余物理過程均有工藝控制特殊要求。

在熱態水沖洗階段，反應堆尚未啟動，三回路系統利用啟動鍋爐將除氧器加熱至190℃，進行水回路沖洗工作。水質合格后，利用啟動鍋爐蒸汽對蒸發器出口管道進行預暖，以避免管道振動及水擊。

蒸發器水工況（0～9.45%Pn）運行過程為：蒸發器暖管完成后進行蒸發器注水，再啟動反應堆并提升功率至水汽轉換點進行水汽轉換，蒸發器進入水汽兩相區工作狀態。其循環流程為：凝汽器→凝泵→升壓泵→軸封加熱器→1＃、2＃、3＃低壓加熱器→除氧器→給水泵→高壓給水母管→蒸發器模塊→啟動擴容器→高疏→凝汽器，如圖3所示。

蒸發器汽工況（9.45%Pn～14%Pn）運行過程為：水汽轉換完成后，將蒸發器模塊出口引出蒸汽至主蒸汽母管，投入旁排閥，建立蒸發器微過熱蒸汽區工作狀態。其循環流程為：凝汽器→凝泵→升壓泵→軸封加熱器→1＃、2＃、3＃低壓加熱器→除氧器→給水泵→高壓給水母管→蒸發器模塊→主蒸汽母管→旁排管道→凝汽器。

圖3 CEFR三回路系統流程圖Fig.3 Flow diagram of third circuit system for CEFR

過熱器汽工況（14%Pn）運行過程為：繼續提升功率至14%Pn后，利用主蒸汽內管道蒸汽對過熱器模塊出口連接管道進行預暖，再投入過熱器模塊。其循環流程為：凝汽器-凝泵→升壓泵→軸封加熱器→1＃、2＃、3＃低壓加熱器→除氧器→給水泵→高壓給水母管→蒸發器模塊→過熱器模塊→主蒸汽母管→旁排管道→凝汽器。

蒸汽發生器發電工況（14%Pn～40%Pn）運行過程為：提升功率至26.5%Pn臺階下，沖轉汽輪機，逐步關小旁排閥，直至切除旁排管道，連續提升功率轉入發電工況運行。其循環流程為：凝汽器→凝泵→升壓泵→軸封加熱器→1＃、2＃、3＃低壓加熱器→除氧器→給水泵→高壓給水母管→蒸發器模塊→過熱器模塊→主蒸汽母管→汽輪機→凝汽器。

2.2 數據來源

使用SAC-CFR軟件進行蒸汽發生器理論計算分析，分析結果來源于文獻［4］。為從海量快堆功率運行期間的數據記錄中提煉出有效數據，本文參考國內電站試驗導則，確定試驗數據有效的原則是：反應堆分別在一定功率臺階（試驗選取3%Pn、8%Pn、14%Pn、18%Pn、32%Pn、35%Pn）連續穩定運行4 h以上；壓力、流量變化不超過2%；溫度變化范圍為－5～5℃。共處理有效數據2 000余個。

2.3 溫度分析

圖4示出蒸汽發生器啟動溫度曲線。從圖4可得到如下結論。

1）在反應堆功率為0～14%Pn之間時，理論計算與實際運行值吻合較好。但在汽水轉換工況后，過熱器出口蒸汽溫度、蒸發器出口蒸汽溫度與理論計算結果相差較大，其中，過熱器出口蒸汽溫度低于理論計算值約10℃，蒸發器出口蒸汽溫度高于理論計算值約25℃。進一步的熱力分析結果表明，這種現象出現的原因在于蒸發器出口過熱度控制較高，約60℃，導致二回路鈉循環的熱負荷集中在蒸發器模塊。由于鈉水式直流熱交換器的蒸發器出口過熱度是衡量蒸發器是否傳熱惡化的關鍵數據［5－7］，因此為避免蒸發器傳熱惡化，應將蒸發器出口過熱度控制在5～25℃之間。

圖4 蒸汽發生器啟動溫度曲線Fig.4 Temperature curve of SG startup

2）給水溫度在±10℃偏差情況下，對蒸發器出口和過熱器出口溫度影響并不顯著。

3）理論溫度曲線表明，在26.5%Pn功率臺階下，蒸發器出口和過熱器出口溫度存在階躍現象，實際運行試驗均無法實現溫度突升。

2.4 壓力分析

圖5示出蒸汽發生器啟動壓力曲線。由圖5可得到如下結論。

圖5 蒸汽發生器啟動壓力曲線Fig.5 Pressure curve of SG startup

1）蒸汽發生器設計壓力曲線與實際運行曲線存在較大不同，特別是在反應堆功率達26.5%Pn附近，實際蒸汽發生器壓力存在一近似于開口向上拋物線形狀。這是因為在水汽轉換過程中，如瞬間降壓易引起系統壓力突變，故水汽轉換過程采用了緩慢降壓過程。在水汽轉換工況完成后，蒸汽發生器給水進口壓力、蒸發器出口蒸汽壓力、過熱器出口蒸汽壓力曲線均吻合較好。

2）反應堆功率達到26.5%Pn后，理論值與蒸汽發生器實際運行值不同，其原因為由于蒸汽發生器啟動升壓速率和蒸發器出口過熱度的限制，壓力一直緩慢提升，以確保蒸汽發生器安全。

2.5 流量分析

圖6示出蒸汽發生器啟動蒸汽流量曲線。由圖6可到如下結論。

圖6 蒸汽發生器啟動蒸汽流量曲線Fig.6 Steam flow curve of SG startup

1）過熱器出口蒸汽流量運行值曲線與過熱器出口蒸汽流量理論值曲線完全一致，約在反應堆功率達26.5%Pn后，實際運行中的過熱器蒸汽出口流量接近于蒸發器出口蒸汽流量。理論計算值與實際運行值存在偏差的原因為：理論計算時，將過熱器與蒸發器視為同時投入運行。實際運行工況中，當蒸發器出口產生微過熱蒸汽后，蒸發器內已形成較為穩定的汽水兩相工作區。再投入過熱器時，最大程度緩解了水變汽之后因為體積膨脹給三回路系統帶來的壓力沖擊。圖6也表明，蒸汽發生器工況計算中，蒸汽發生器水工況僅需單獨考慮蒸發器模塊投入（過熱器不投入），而在14%Pn功率臺階以上，蒸發器模塊和過熱器模塊才應共同計算分析。

2）在反應堆功率達30%Pn后，過熱器蒸汽出口流量實際運行值與理論值較為接近，偏差產生的原因是，實際運行工況中，在蒸發器出口進入啟動擴容器有一股小流量蒸汽用于除氧器自身加熱（圖3），這導致了進入過熱器的蒸汽流量低于蒸發器出口蒸汽流量。

3 蒸汽發生器啟動優化措施

溫度分析結果表明，在14%Pn水平之上，由于運行中蒸發器出口過熱度（約60℃）偏高，導致蒸發器和過熱器出口蒸汽溫度偏離設計值。因此，蒸汽發生器壓力在此工況下應根據出口過熱度進行適時調整，及時投入過熱器及旁路排放系統，確保蒸發器模塊和過熱器模塊共同轉入汽工況穩定運行，將過熱度控制在5～25℃之間。

壓力分析結果表明，在蒸汽發生器注水后，蒸發器工作壓力不得低于6 MPa運行。在蒸發器汽水工況轉換階段，采用給水泵轉速和給水調節閥共同調節降壓以平滑實現降壓汽化，降壓速率為0.1 MPa／min，降壓過程中需密切注意啟動擴容器壓力的波動，防止水汽化瞬間引起壓力突增觸發系統安全閥動作，以最大程度地確保蒸發器水動力工況穩定。由于快堆的直流式蒸汽發生器汽水工況轉換與一般電站不同之處在于采用降壓汽化，在蒸汽發生器啟動調試過程中試圖采用有別于降壓汽化的方法，即三回路系統維持狀態不變，反應堆持續提升功率以使水系統進入汽化狀態。試驗結果表明，此種啟動過程下，二回路鈉溫變化趨勢不顯著，三回路水汽轉換點形成較為模糊，且蒸汽發生器狀態易對運行人員產生誤導。

流量分析結果表明，蒸汽發生器在汽工況下流量最小約為6 t／h，約為額定流量（48 t／h）的12%。低流量的設計對于運行人員的工況調節提出了更高要求。為避免觸及反應堆給水流量保護引發非計劃停堆，在過熱器暖管工況下，工藝控制應遵照以下原則：1）兩環路并聯運行時，1個環路阻力變化會引起兩個環路流量重新分配，故疏水操作宜兩環路同時進行；2）由于蒸發器模塊水側體積（0.37 m3）較小，任意與蒸發器模塊相連接的閥門動作均易引起壓力的大幅波動，故主蒸汽系統用于暖管的閥門應手動調節以控制最低預暖蒸汽流量；3）過熱器模塊和蒸發器模塊接通前應充分預暖，過熱器內蒸汽過熱度至少在5℃以上方可接通過熱器模塊。此外，在汽工況（14%Pn）至發電工況（40%Pn）之間，蒸發器出口至啟動擴容器段存在約5 t／h左右的蒸汽用于加熱除氧器，該工況下過熱器入口流量低于設計值，對過熱器換熱存在不利因素。這表明在功率啟動過程中，應減少在啟動工況的停留時間，須盡快將啟動工況轉換到發電工況，以將除氧器加熱熱源切換至正常汽輪機抽汽加熱狀態，保證蒸汽發生器運行安全。

4 結論

CEFR直流式蒸汽發生器在運行工藝上有其特殊性，通過在CEFR蒸汽發生器試運行期間的工況分析和試驗驗證，優化了啟動方案，最終保證了CEFR低功率運行試驗的順利完成，為大型快堆核電站設計提供了參考。

［1］ 張東輝.鈉冷快堆安全分析［R］.北京：中國原子能科學研究院，2002.

［2］ 蒸汽發生器設計說明書［R］.北京：中國原子能科學研究院，1997.

［3］ 凱達洛夫B B，巴爾捷涅夫B H，法拉克申M P，等.蒸汽發生器SG-33運行手冊［M］.下諾夫格羅德：俄羅斯液壓機設計試驗局，2000.

［4］ 中國實驗快堆穩態運行工況分析報告［R］.北京：華北電力大學核科學與工程學院，2010.

［5］ 郭正榮，張寶峰.蒸汽發生器運行極限計算［J］.中國核電，2012，9（3）：225-227.

GUO Zhengrong，ZHANG Baofeng.The calculation principle for steam generator operating limits［J］.China Nuclear Power，2012，9（3）：225-227（in Chinese）.

［6］ WILLBYETAL C.Material choices for the commercial fast reactor steam generator［R］.London：BNES，1978.

［7］ International Working Group on Fast Reactors.Specialists’Meeting on Theoretical and Experimental Work on LMFBR Steam Generator Integrity and Reliability with a Particular to Leak Development and Detection［C］.Netherlands：［s.n.］，1983.

Research on Startup Condition of Steam Generator in China Experimental Fast Reactor

WU Qiang，JI Xi-sheng，NIU Jing－juan，ZHANG Huan-qi，XIE Hai-xin
（China Institute of Atomic Energy，P.O.Box 275-34，Beijing 102413，China）

The steam generator in China Experimental Fast Reactor（CEFR）is direct flow type，and the steam generator startup of CEFR is quite different and more complicated than that of PWR.In this paper，the startup condition of steam generator was studied，and the operation parameters were compared with theoretical design parameters.The results show that the calculated theoretical value of operation parameters is basically coincident with test value.The optimized startup program of steam generator for guiding operator was also introduced.The optimized procedure to start up the steam generator is proposed for guiding operators，and it effectively ensures the power operation test of CEFR.

China Experimental Fast Reactor；direct flow type；steam generator；startup condition

TL382

A

1000-6931（2015）09-1606-05

10.7538／yzk.2015.49.09.1606

2014-05-30；

2014-12-04

863計劃資助項目（2007AA05A201）

吳 強（1977—），男，安徽無為人，高級工程師，碩士，從事快堆三回路系統與設備調試及運行研究