CEFR发电效率影响因素分析

刘夫臣，罗德康，宋小松，蔡兴旺

(1.中国原子能科学研究院，北京102413；2.北京市电力公司，北京100031)

CEFR发电效率影响因素分析

刘夫臣1，罗德康1，宋小松2，蔡兴旺1

(1.中国原子能科学研究院，北京102413；2.北京市电力公司，北京100031)

2014年12月中国实验快堆(CEFR)满功率运行期间，汽轮-发电机的发电功率达到14.2 MW，距离设计值20 MW还有较大差距。本文通过运行监测数据与设计参数比较，进行理论分析计算，给出了CEFR发电效率较低的影响因素。

中国实验快堆；发电效率低；影响因素

中国实验快堆(以下简称CEFR)是我国第一座钠冷快中子反应堆，设计热功率65 MW，发电功率20 MW，采用钠-钠-水三回路设计。CEFR于2010年7月首次实现临界，2014年12月完成满功率运行72小时目标。

发电效率是评价电厂经济效益的重要目标参数，如何提高汽轮发电机效率仍是当今世界研究的一个重要课题。在参考文献[1]中认为汽轮机的安装和新蒸汽参数是影响汽轮机热效率的主要因素，并给出了提高热效率的方法。在2014年的CEFR首次满功率运行期间，发电功率仅为14 MW，远低于设计值。影响快堆发电效率的因素是多方面的，本文主要从核功率、冷却剂流量匹配、汽轮机抽汽、凝汽器真空等方面进行分析。

1 CEFR流程简介

CEFR的主热传输系统包括一回路主冷却系统、二回路主冷却系统和蒸汽-电力转换系统(三回路)[2]。发电工况下，反应堆堆芯通过核反应发出热功率，热量由一回路钠泵驱动的冷却剂钠带到中间热交换器(IHX)，通过中间热交换器将热量传输给二回路主冷却系统。被加热的二回路钠在二次钠泵的驱动下，在蒸汽发生器(SG)内将三回路的给水加热成高温高压的过热蒸汽。蒸汽推动汽轮机做功，将热能转化为机械能并最终通过发电机转化为电能。图1给出了中国实验快堆主热传输系统流程。

图1 CEFR主热传输系统流程图Fig.1 Flow chart of CEFR primary heat transport system

2 CEFR发电效率影响因素分析

2.1 核测系统

在2014年CEFR的首次满功率运行期间，通过实际参数计算，当时CEFR达到的最大热功率约为88%Pn，而功率保护系统六通道的核功率都在95%Pn以上，最大的达到了99%，这就限制了堆功率的继续提升。表1为12月21日14时50分核测六通道功率计算机记录值。在88%额定热功率工况下设计电功率为17.6 MW，比20 MW少了2.4 MW。

表1 六通道功率记录值

2.2 功率流量的匹配不合适流量偏大

2014年CEFR运行期间，操纵员依照事先计算好的“功率—钠泵转速曲线”来匹配功率流量比。由于功率测量不准确的原因，功率流量偏大，根据偏大的功率测量值从“功率—钠泵转速表”上查找的钠泵转速显然比实际功率对应的钠泵转速要大，导致冷却剂流量偏大。根据能量守恒，流量大时冷却剂的温升则偏小，这也是当时各主要参数达不到设计值的原因，从而降低了卡诺循环的效率。

根据CEFR实际运行监测数据，查表得知钠、水/蒸汽在不同温度、压力条件下的比焓，分别计算三个回路的功率为：

(1) 按一回路钠温度、流量(取主泵旁路流量计的30倍)计算堆芯的热功率为：

P1=63 395.6 kW

P1为设计热功率65 MW的97.5%，产生偏差的原因是这里采用的通过主泵旁路流量推测堆芯流量的方法不够准确。

(2) 按二回路钠在蒸汽发生器进出口的温度、流量计算热功率为：

考虑事故余热排出系统损失的热功率为(在热备用状态下，事故余热排出系统的设计热功率损失约为104kW)：

P″2=194.79 kW

则二回路主冷却系统和事故余热排出系统的总热功率为：

P2为设计热功率65 MW的80.9%，产生偏差的原因可能是测量的SG钠侧入口温度比实际值偏小、事故余热排出系统风门开度偏大。

(3) 按三回路在蒸汽发生器进出口水/蒸汽温度、流量计算热功率为：

P3=56 341.04 kW

P3为设计热功率65 MW的86.7%，与核功率校正后的88%Pn接近。

通过上述计算分析与实际监测值可以看出，二回路钠流量、热功率与实际值偏差较大，为维持SG出口钠温恒定，牺牲了三回路主蒸汽品质。主蒸汽实际温度为463℃，压力12.8 MPa，根据CEFR汽轮机的热力特性手册[3]“主汽压力修正曲线“和”主汽温度修正曲线”(图2所示)可以查出，因温度低导致效率下降约0.565%，因压力低导致效率下降约1.669%，合计2.234%，约为0.445 MW。

图2 主汽压力和主汽温度修正曲线Fig.2 The correction curve of main steam pressure and main steam temperature

2.3 汽轮机一段抽汽未投运及启动扩容器减温水量过大

CEFR满功率运行期间，由于主蒸汽温度和压力未达到设计值、汽轮机一段抽汽压力未达到可以投入的条件，除氧器加热不得不使用新蒸汽通过启动扩容器减温减压产生的辅助蒸汽，图3为用新蒸汽加热除氧器流程图。同时由于启动扩容器减温水管线上未安装调节阀，减温水流量只能由电动阀和手动阀控制，因此无法做到精确调节，实际流量偏大，导致需要更多的新蒸汽，进一步损失了发电量。

图3 新蒸汽加热除氧器流程图Fig.3 Flow chart of live steam heats the deaerator

(1) 启动扩容器减温水量过大损失的功率

依设计，满功率运行时一段抽汽流量Q1=6.18 t/h，温度264℃(比焓h1=2949 kJ/kg)；给水温度190℃(比焓h2=814 kJ/kg)。故设计一段抽汽提供的功率为：

P4=(h1-h2)×Q1=3665 kW

启动扩容器中实测温度为203℃(比焓h3=2818 kJ/kg)，若提供P4的功率需要的辅助蒸汽流量为：

Q2=P4/(h3-h2)=6.58 t/h

蒸发器出口温度为390℃(比焓h4=2990 kJ/kg)，根据能量守恒，启动扩容器需要的新蒸汽流量为：

x×h4+(1-x)×h2=h3

Q3=Q2×x=6.06 t/h

式中：x为理想状态下启动扩容器中需要的新蒸汽比例。

实际进入启动扩容器的新蒸汽流量Q4=10.7 t/h，查表知汽轮机的排汽焓h5=2343 kJ/kg，计算损失的发电功率为：

ΔP1=(Q4-Q3)×(h4-h5)=834 kW

(2) 一段抽汽未投入损失的功率

依据文献[3]中“HN20-13.0型汽轮机热平衡图”，额定工况下主蒸汽的比焓h=3253 kJ/kg，流量Q=95.62 t/h，凝结水的温度为40℃(比焓h6=167.5 kJ/kg)，主给水的比焓h2=814 kJ/kg。在忽略一段抽汽未投运对系统流量分配的影响下，对该部分损失的功率作如下计算。

满功率运行时，汽轮机的发电效率为：

η=100%×20 MW/ [(h-h2)×Q/3.6]

=30.87%

一段抽汽未投入情况下，该部分蒸汽可以在汽轮机一段抽汽以后的级中增加做功量为：

P5=(h1-h5)×Q1=1040.3 kW

一段抽汽正常投运情况下，三回路热力系统可以节省从SG获得的热功率为：

P6=(h1-h6)×Q1=4774.9 kW

按照汽轮机满功率运行时的发电效率，节省的该部分热量可以增加的发电量为：

P7=P6×η=1474.0 kW

因此，由于汽轮机一段抽汽未投入，三回路实际损失的功率为：

ΔP2=P7-P5=433.7 kW

(3) 功率损失小计

由于未投运一段抽汽，以及启动扩容器减温水流量过大，总共损失的功率为：

ΔP=ΔP1+ΔP2=1.27 MW

2.4 冷凝器真空度偏小

汽轮机的真空严密性、端差的大小对汽轮机的效率及出力有着直接的影响[4]。高的真空度有利于提高冷凝器内的凝结换热效率，降低排汽焓值，从而增大蒸汽在汽轮机内的有效焓降，提高发电效率。CEFR冷凝器真空设计值为-80 kPa，在满功率发电期间实际运行值约为-76 kPa。根据CEFR汽轮机热力特性手册“背压修正曲线”可以查出，因真空度低导致效率下降约1.241%，为0.2482 MW。图4为2014年12月17日0时至18日12时，CEFR电功率与冷凝器真空运行曲线。

图4 电功率与冷凝器真空曲线Fig.4 The curves of electric power and condenser vacuum

CEFR真空度偏低的原因，本文认为主要有以下三点：

(1) 主蒸汽流量偏大而温度偏低。在“机跟堆”运行方式下，由于一、二回路流量偏大，导致三回路流量跟随偏大，以维持钠回路冷段温度的设定值。较大的蒸汽流量进入冷凝器，改变了冷凝器汽侧的运行工况，增加了冷凝负担，使得真空度不能达到原来的设计值。

(2) CEFR为小功率机组，冷凝器设计传热面积仅为600 m2，设备长时间搁置以及长时间运行后，冷凝器内循环水侧传热管结垢，影响了冷凝器的换热能力。另外，满功率运行期间，循环水的运行压力比设计值稍低，降低了冷凝器的传热速率。

(3) 冷凝器抽真空系统中射水箱的冷却能力达不到需要的水平。在实际运行过程中射水箱吸收了冷凝器中随抽真空管道被抽取的蒸汽后温度升高，由于得不到足够的冷却导致射水抽气器工作水温升高，而射水抽气器的抽真空能力是直接受工作水温影响的，这就限制了抽真空系统的工作能力，从而导致冷凝器内真空度降低。

2.5 三回路阀门存在内漏

由于CEFR三回路疏水阀门众多，可能存在内漏情况，但内漏阀门的位置和内漏量难以确定。运行期间曾发现，在操纵人员的努力下将主蒸汽管道、汽轮机本体系统的疏水阀门进一步关紧后，发电量提升了约0.5MW，占20MW的2.5%。同时据反映，疏水阀门在关紧后仍存在一定的漏汽声。

2.6 其他影响因素

由于加热三回路低压加热器的汽轮机二、三、四段抽汽参数低于设定值，导致进入除氧器的凝结水温度降低，使得进入除氧器加热的辅助蒸汽流量增大，间接增加了新蒸汽在启动扩容器的损耗，影响了系统的发电效率。为保证取样水质检测的准确性，蒸发器、过热器和除氧器管道的取样阀需保持常开状态，由于取样阀门难以操作造成取样量偏大，损失了一部分能量。另根据文献[2]可知，汽轮机制造和安装因素也会对汽轮机热效率有一定的影响。

3 结论

根据第2章的分析与计算，可以发现除核测系统原因之外，汽轮机一段抽汽未投运及启动扩容器减温水过大是导致CEFR发电效率偏低的主要原因。另外，冷凝器真空度低、冷却剂流量偏大、三回路疏水阀门内漏、事故余热排出系统散热过大等因素也对发电效率有较大影响。

针对以上影响CEFR发电效率的因素，对后续中国实验快堆提升功率运行时给出如下建议：

(1) 对核测功率进行标定，使之与实际热功率相匹配。

(2) 根据核功率设置相应的主热传输系统的冷却剂流量：根据运行经验，按照“功率—钠泵转速曲线”设定的二回路钠泵转速，实际流量值偏大。后续CEFR提升功率运行时，应综合考虑反应堆功率、钠泵转速、二回路主冷却系统流量计示数等因素，适当降低二回路钠泵转速。

(3) 启动扩容器喷淋减温水管道安装调节阀：调节阀能够跟随启动扩容器压力自动调节阀门开度，防止减温水流量过大损失能量，同时还能起到启动扩容器超压保护作用。

(4) 对IHX、SG中的钠温测量仪表进行标定，并改进仪表安装工艺，以更准确地反应CEFR的实际运行情况。

(5) 通过胶球清洗装置、循环水旁滤系统或者加药等方式对冷凝器换热管循环水侧进行清洗，增强冷凝器的换热能力。在高功率运行时对改造的射水箱充排水系统进行热态调试，关注冷凝器真空和射水箱水温的变化。

(6) 汽轮机一段抽汽参数达到要求后，及时投运一段抽汽用于除氧器的加热，降低以至停止通过启动扩容器的辅助蒸汽的供应。

(7) 对三回路疏水系统阀门进行一次全面的检查，定期做好阀门的维护保养。

[1] 武剑. 影响汽轮机热效率的因素及提高热效率的方法[J]. 科技传播, 2013-12(上):99-100.

[2] 鲍扬民，骆学军，杨建伟等. 热传输系统和与其相连系统. CEFR最终安全分析报告，快堆内部文件, 2011.

[3] 张启林. HN20-13.0型汽轮机热力特性. 哈尔滨汽轮机厂有限责任公司， 快堆内部文件2003.

[4] 姚明兴. 改善汽轮机真空严密性提高汽轮机效率[J]. 内蒙古电力技术, 1998(2): 51-52.

Effects of Generating Efficiency Analysis in China Experiment Fast Reactor

LIU Fu-chen1, LUO De-kang1, SONG Xiao-song2, CAI Xing-wang1

(1.China Institute of Atomic Energy, Beijing, 102413, China; 2.Beijing Electric Power Company,Beijing, 100031, China)

When China Experiment Fast Reactor (CEFR) running in full power in December 2014, the power of turbo-generator reached 14.2MW, which is far lower than the designed power 20MW. Through the comparison between actual running monitor data and designed parameters, this article conducts the theory analysis and calculation, then gives the effects of CEFR’s low generating efficiency.Key words: China Experiment Fast Reactor; Low generating efficiency; Influence factors

2016-07-22

刘夫臣(1986—)，男，河北威县人，硕士研究生，现从事快堆运行工作

TL43

A

0258-0918(2016)06-0734-05