CEFR常规岛辅助蒸汽系统汽源切换仿真实验

路云

【摘 要】中国实验快堆（CEFR）的常规岛辅助蒸汽系统设计有三种供汽汽源以适应常规岛在不同运行阶段的用汽要求。反应堆高功率水平下，辅助蒸汽应由蒸发器出口微过热蒸汽切换为汽轮机一段抽汽提供，但是在CEFR的调试运行期间，为保证反应堆的稳定运行，尚未在系统中开展过此项实验，因此有必要通过仿真实验模拟此工况，以便获得常规岛系统关键参数的变化趋势和波动范围，对尚未开展此项实验的实际运行工作给出数据参考以及判断保护动作危险点的数据支持，对实际系统提出改进建议。

【关键词】中国实验快堆；常规岛；辅助蒸汽；汽源切换

0 引言

中国实验快堆（CEFR）是我国第一座池式钠冷的实验性快中子反应堆。热功率65MW，电功率20MW。主要目的是用于快堆燃料元件的考验和积累快堆电站的设计、运行经验。CEFR于1995年完成概念设计，1998年完成初步设计，2000年正式施工，2010年达到首次临界，2011年实现并网发电，2014实现满功率运行144小时的技术指标。通过中国实验快堆工程的实施，我国基本掌握了快堆的设计、建造、调试技术。

快堆一共有4个回路，其中一、二回路为钠回路，三回路为汽/水回路，四回路为循环冷却水回路。一回路钠将堆芯产生的热量通过中间热交换器传递给二回路钠，二回路钠将热量通过蒸汽发生器传递给三回路的合格给水，给水被加热后产生过热蒸汽进入常规岛系统，推动汽轮发电机组发电，最终乏汽进入凝汽器，与四回路的循环冷却水进行热交换凝结成凝结水，重新回到三回路汽水循环系统当中，进行热力循环。

由于CEFR采用“钠-钠-水”的主热传输系统设计，因此快堆的辅助蒸汽系统除了向常规岛系统提供预热汽用汽和汽轮机暖机用汽以外，其最重要的功能是在系统启动以前向除氧器提供加热蒸汽，将常规岛给水温度加热到190℃，以满足蒸汽发生器进水条件。

1 CEFR常规岛辅助蒸汽系统简介

CEFR常规岛系统流程图如图1所示。其中辅助蒸汽系统由启动锅炉、辅助蒸汽母管、减温减压器及必要的管道和阀门组成。在系统启动前，启动锅炉向辅助蒸汽系统供汽，一路直接去除氧器加热给水，一路通过减温减压后向3#低压加热器供汽，加热进入到除氧器前的凝结水。反应堆启动以后，随系统热功率的提高，蒸汽发生器由水工况逐渐过渡到汽工况，之后辅助蒸汽系统汽源逐渐由蒸发器出口微过热蒸汽通过启动扩容器减压降温后提供，启动锅炉处于热备用状态；这种工况将一直持续到汽轮机负荷升到75%额定负荷以上，汽轮机一段抽汽具备向辅助蒸汽系统提供汽源条件为止；之后辅助蒸汽系统的汽源由汽轮机一段抽汽提供。

CEFR常规岛系统的实际运行过程中，尚未投入过汽轮机一段抽汽作为辅助蒸汽系统的汽源，原因可归纳为以下两方面：

1）汽轮机一段抽汽具备可投入的条件是，反应堆以及汽轮机功率较高（75%额定功率以上），汽轮机一段抽汽压力达到～1.4MPa及以上。但是实际CEFR常规岛系统的检测手段有限，无法可靠的判断一段抽汽的压力，因此，不能确定一段抽汽的切入时机。

2）未开展过辅助蒸汽系统汽源切换的相关实验，缺少动态运行的数据信息支持，从安全角度考虑，在反应堆高功率运行的条件下，应避免此类不确定性实验对反应堆系统带来的影响。

根据以上分析，有必要在仿真系统中进行辅助蒸汽系统的汽源切换实验，进而获得系统参数变化的动态信息，获得对实际操作有益的数据资料。

2 仿真实验环境简介

在本实验开展以前，笔者为研究CEFR热力循环系统仿真系统的国产化开发，利用国内拥有完全自主知识产权的仿真支持平台——“大型科学计算与仿真支撑平台SimuWorks”，以CEFR常规岛热力系统整体为仿真建模对象，建立了CEFR常规岛热力系统仿真计算模型，并对该模型开展了稳态设计参数验证工作。

在该仿真计算模型中，对二回路向三回路传递热量的边界设备蒸汽发生器进行了简化处理，建立了集总参数法的计算模型，该模型基于软件自身模型库中的直流锅炉模型进行开发，采用输入蒸发器和过热器的设计热功率以及设计给水流量的对应线性变化参数的方法，定义其所传递的热功率与给水流量的关系曲线，并通过该曲线进行整个仿真系统的热功率变化和实验条件的定义，具体设计输入参数见表1。

针对CEFR常规岛仿真系统的稳态设计参数验证，分别选取100%、75%、40%额定功率条件下进行系统稳态仿真测试，并将仿真结果与CEFR常规岛系统的设计参数进行对比，如表2所示。

综合仿真系统100%额定功率和75%额定功率稳态运行的计算结果进行误差分析，其中重要参数的仿真计算结果误差均在2%以内，例如蒸汽发生器出口（即过热器出口）蒸汽参数，机组出力，给水参数等。但是个别参数误差较大，例如在100%额定功率稳态验证结果中，汽轮机排汽压力（0.0217MPa）与设计值（0.02MPa）相比较稍高（误差为8.5%），造成这一结果的原因是汽轮机各段抽汽的计算数值偏小（二段抽汽计算误差为-9.7%），因此机组排汽流量稍大（设计值：19.725kg/s，计算值：20.07kg/s），引起机组排汽压力稍高。而在75%额定功率稳态验证结果中，误差最大的为“蒸发器出口温度”一项，设计值为386℃，计算值为347℃，误差约为10%。分析认为，本文所建立的蒸发器模型为基于直流锅炉的集总参数简化计算模型，设计参数给出的蒸发器出口流量为计算值，而真实的蒸汽发生器应该基于钠侧热力参数的变化来计算热功率，而钠的物性、传热特性与烟气相对锅炉水冷壁的传热特性有较大差别，因此对于“蒸发器的出口温度”该项参数有较大的误差；但是对于蒸汽发生器的整体模型而言，其总的热功率以及其出口蒸汽温度均与设计参数相当，因此认为作为向常规岛系统提供汽源并作为整个流网的阻力件而言，简化的蒸汽发生器模型满足本文的研究要求。

从整体上看，稳态设计参数验证结果中，机组出力情况以及主蒸汽的温度和压力等计算结果等重要参数的误差控制在5%，整体数据的误差不超过10%[1]，因此可以认为CEFR热力循环仿真系统额定功率状态运行的稳态仿真结果是较为准确和可靠的。

在40%额定功率的设计参数验证中，根据设计资料[2-3]，在此工况条件下，辅助蒸汽由蒸发器出口微过热蒸汽通过启动扩容器减温降压后提供；而且除蒸汽发生器设计参数以外，设计资料没有明确显示在40%额定功率条件下其他系统参数，因此对本工况仿真验证的目的在于验证启动停堆冷却系统的仿真工作能力。结果显示，本工况条件下，整个常规岛仿真系统全部投入运行，除氧器的加热蒸汽由启动扩容器提供，整个流网的压力降低，仿真系统行较为稳定，满足开展针对实际运行参数验证工作的条件。

3 CEFR常规岛辅助蒸汽系统汽源切换仿真实验

3.1 实验方案及数据

调整CEFR常规岛仿真系统75%额定功率的稳态运行条件下，开展辅助蒸汽系统汽源切换的操作，全程维持蒸汽发生器热功率不变，不开展其他任何操作；假设系统管道已经充分预暖，不存在开阀引起的水锤现象。

在实验过程中，将汽轮机一段抽汽隔离阀门开度按照0.1的设定值，由0（全关）依次开启到1（全开），然后通过控制模块逐渐降低启动扩容器内的压力设定值，将启扩内的压力由1.4MPa，逐渐设定为0MPa，使启动扩容器的进汽调节阀逐渐关闭；此过程即实现了由蒸发器出口微过热蒸汽经启动扩容器减温减压提供辅助蒸汽切换为汽轮机一段抽汽提供辅助蒸汽。系统各主要参数变化曲线入图2所示，汽轮发电机组主要参数变化如图3所示。

3.2 实验结论

1）CEFR常规岛辅助蒸汽系统汽源切换实验的仿真数据显示，75%额定功率条件下，汽轮机一段抽汽的压力为1.467MPa，相对于启扩的运行压力1.36MPa要高，具备了投入一段抽汽作为辅助蒸汽汽源的条件。

2）在投入汽轮机一段抽汽的过程中，会发生给水参数的波动情况，该波动虽不会触发保护限值，但是仍值得运行人员重点关注。1、2#蒸发器给水参数峰值列于表3。

表3 汽源切换过程中1、2#蒸汽发生器给水参数变化峰值列表

3）汽源切换完毕后，仿真系统显示系统流网内压力升高，相应给水流量降低，热功率一定的条件下，主蒸汽温度升高。

4）汽源切换完毕后，机组一段抽汽的压力略有降低，由1.467MPa降低到1.31MPa趋于稳定。

5）一段抽汽开始向除氧器供汽以后，除氧器内的压力开始逐渐降低，给水温度也处于下降趋势。

6） 汽源切换过程中，机组轴端功率由15461kW经过微小波动，逐渐在14510kW附近趋于稳定。该波动由主蒸汽流量的波动引起。

4 对实际辅助蒸汽系统的分析及建议

实际CEFR常规岛系统的辅助蒸汽系统汽源切换的相关管线及设备的流程图，如图4所示。

通过图4可知，用于测量机组一段抽汽的压力表设置在一段抽汽的液压逆止阀之后，因此在一段抽汽逆止阀没有开启的条件下无法准确测量一段抽汽的压力，这也是在实际运行过程中技术人员观测到一段抽汽压力较低的原因之一。

当一段抽汽开始向除氧器供汽以后，由于高度差的存在，进入除氧器的蒸汽压力会偏低约0.01MPa，因此在一段抽汽的压力本就较额定设计参数低（结论4））的情况下，容易发生除氧器的压力降低，给水参数降低的情况，但是由于除氧器本身热容较大，给水温度变化比较缓慢，仿真计算显示（图2，4）），若维持除氧器液位为1950mm，在6分钟之内除氧器出口给水温度降低约2.5℃。

由仿真结论4）、5）可知，如果切换一段抽汽为除氧器加热汽源以后，须尽快通过升功率的方式，提高主蒸汽参数和流量，进而提高机组一段抽汽压力，防止因除氧器压力下降，导致给水泵发生汽蚀现象，触发保护系统动作。

通过仿真实验数据的分析，结合真实的CEFR常规岛系统，给出如下建议：

1）改变汽轮机一段抽汽压力测点位置。将该测点设置在抽汽逆止阀与汽轮机抽汽口之间的管道上，以解决汽轮机一段抽汽压力的读取问题。

2）机组进汽参数较低或者进汽流量较低的条件下，不建议做切换除氧器加热汽源的操作。原因有两点：

①切换汽源后，若不调整系统其他部位，会造成系统主蒸汽温度、压力提高，流量下降，损失部分发电功率（与图3显示情况类似）；

②若调整系统给水流量使之与汽源切换之前保持一致，则造成主蒸汽温度下降、主蒸汽流量上升，虽然贡献了部分发电功率，但是机组一段抽汽参数较低，除氧器压力、温度下降较快（延图2，4）显示情况迅速发展），给水泵容易发生汽蚀，引发保护系统动作。

3）建议在辅助蒸汽向除氧器供汽的阀门F10001之后增加逆止阀。防止切换一段抽汽的过程中，一段抽汽向启动扩容器发生倒灌现象，引起系统波动。

4）辅助蒸汽系统切换汽源完成后，不建议立即切除启动扩容器，以便蒸发器出口微过热蒸汽辅助一段抽汽维持除氧器供汽压力，直到一段抽汽压力和温度达到设计参数。

5 结论

本文利用由大型科学计算与仿真支撑平台SimuWorks建立的CEFR常规岛系统仿真计算模型，首次模拟常规岛实际运行过程中尚未实施过操作的辅助蒸汽系统汽源切换的实验，得出了在此瞬态过程中CEFR常规岛系统关键参数的波动范围，通过对系统重要参数的瞬态变化过程进行分析，得出了该操作的实施建议和系统改进建议。

【参考文献】

[1]冯俊凯，沈幼庭.锅炉原理及计算[M].北京：科学出版社，1992.

[2]三回路运行工况说明[R].CEFR设计资料.

[3]HN20-13.0型汽轮机热力特性H02.000.1J（D）[R].CEFR.设计资料.

[责任编辑：王伟平]