核电厂直流蒸汽发生器水汽转换方法探讨

左创举， 孙文钊， 高玉峰， 赵 峰， 余 俨

(1. 西安益通热工技术服务有限责任公司，西安 710054；2. 西安热工研究院有限公司，西安 710054；3. 华能山东石岛湾核电有限公司，山东荣成 264312)

核电不仅可以满足国民经济发展和人民生活水平提高的需求，还在实现能源低碳化过程中发挥极其重要的作用[1]。蒸汽发生器是核电厂热量传递的枢纽，它将反应堆产生的热量传递给蒸汽发生器常规岛侧的水，进而产生蒸汽推动汽轮机做功。蒸汽发生器也是分隔工质的屏障，它对于核电厂的安全运行也十分重要。

蒸汽发生器可按照工质流动方式、传热管形状、安放形式及结构特点进行分类。按照二回路工质在蒸汽发生器中的流动方式，可将蒸汽发生器分为自然循环和直流(强制循环)蒸汽发生器；按照传热管形状，可将蒸汽发生器分为U形管、直管、螺旋管蒸汽发生器；按照设备的安放形式，可将蒸汽发生器分为立式和卧式蒸汽发生器；按照结构特点，可将蒸汽发生器分为带预热器和不带预热器的蒸汽发生器。

在我国目前设计的反应堆中，大型商用钠冷快堆使用直流蒸汽发生器。钠冷快堆采用铀钚氧化物燃料运行时，增殖比可达1.3；如果换用铀钚金属燃料，增殖比将会达到1.582[2]。金属钠在热物理性质上的优点主要表现[2]为：熔点低，易于熔化使用；沸点高，不易沸腾产生钠气泡；密度低于水，节省泵功率等。更重要的是，在反应堆运行的情况下，钠的热导率要比水高百倍以上[3]，从而保证堆芯和燃料不易过热。

在核反应堆开始装料后，当堆功率上升到约7%额定功率时[4-5]，蒸汽发生器的三回路的工质开始进行由水至汽的转换[6-7]。直流蒸汽发生器与自然循环蒸汽发生器的设计不同，其缺少主水箱和汽水分离器，在三回路进行水汽转换时，极有可能发生水汽状态的不稳定互相转换[8]。在水汽转换时，如何保证迅速、准确、振荡尽可能小的转换，是调试阶段需要攻克的技术难点。

目前，国内外有关钠冷快堆的研究主要集中在一回路、二回路和涉钠安全方面[9-12]，而有关三回路的研究较少，并且缺乏钠冷快堆三回路水汽转换的相关研究。笔者针对钠冷快堆三回路水汽转换存在的问题，提出了一种新式水汽转换方法，并且给出采用该方法的预测效果。

1 蒸汽发生器

1.1 现有蒸汽发生器

尽管核电厂采用的蒸汽发生器形式繁多，但是压水堆核电厂使用较广泛的只有3种，具体为立式U形管自然循环蒸汽发生器、卧式U形管自然循环蒸汽发生器和立式直管直流蒸汽发生器。其中，立式U形管自然循环蒸汽发生器的应用最广泛。表1给出了几种主要蒸汽发生器的特征。

表1 几种主要蒸汽发生器的特征

1.2 直流蒸汽发生器

在直流蒸汽发生器中二回路工质的流动靠强制循环[13-14]。在二回路工质的加热下，给水经预热、蒸发、过热而达到所要求的温度。核电厂直流蒸汽发生器只能产生过热的蒸汽，这对于提高汽轮机工作的可靠性和提高循环热效率是有利的。

在国内，直流蒸汽发生器主要应用于钠冷快堆及高温气冷堆。钠冷快堆蒸汽发生器模块包含蒸汽发生器与过热器。钠在蒸汽发生器壳侧流动，在蒸汽发生器中自上而下流动，在过热器中自下而上流动。三回路的工质在蒸汽发生器管内流动，并且其流动方向与钠流动方向相反。

2 现有水汽转换方法

2.1 现有水汽转换方法介绍

选用直流蒸汽发生器的情况下，在蒸汽发生器水汽工况转换阶段，给水流量、压力的控制及方法与带汽水分离器的蒸汽发生器的控制及方法存在很大差异。具体影响为：(1)如果在水工况转换为汽工况时调节不好，会使两种状态反复转换，影响机组的安全；(2)如果水工况转换汽工况的时间太长，会造成过多的热量损失。直流蒸汽发生器现有水汽转换流程见图1。

图1 直流蒸汽发生器现有水汽转换流程

直流蒸汽发生器三回路在主给水泵和蒸汽发生器之间设计有主给水调节阀。在启堆阶段蒸汽发生器水汽工况转换时，降低主给水泵转速并减少通过主给水调节阀的流量，使处于饱和温度的给水汽化，进而完成水汽转化，详细过程为：

(1) 预热阶段。对启动扩容器及其上游管路和蒸汽发生器进行预热后，系统内充满合格的给水。当堆功率从零(冷态)提升到7%额定功率左右时，通过控制主给水泵和主给水调节阀使通过蒸汽发生器的给水流量从5%额定流量左右提升到28%额定流量左右。通过蒸汽发生器的给水经启动扩容器入口调节阀组进入启动扩容器后排入凝汽器，降压扩容后产生的蒸汽排入高压辅汽联箱。

(2) 水汽转换阶段。堆功率稳定在7%额定功率左右时，先用降压汽化的办法使蒸汽发生器从水工况向汽工况过渡。先开大启动扩容器入口调节阀组降低蒸汽发生器出口工质压力，再关小主给水调节阀降低蒸汽发生器出口工质流量，同时配合主给水泵转速降低维持主给水调节阀前后压差不变，使蒸汽发生器出口工质产生过热度。然后打开第一电动阀组，关闭启动扩容器入口调节阀组，由汽轮机旁路系统维持蒸汽发生器出口工质压力。

(3) 随着堆功率的提升，蒸汽发生器出口工质满足过热度的要求后，打开过热器入口阀组、第二电动阀组，投入过热器。然后关闭第一电动阀组，蒸汽发生器水汽转换完成。

2.2 现有水汽转换方法缺点

直流蒸汽发生器现有水汽转换的主要缺点为：

(1) 调节设备过多且互相干扰。

直流蒸汽发生器在水汽转换过程中，通过同时控制主给水泵转速和主给水调节阀。在水汽转换过程中，通过减小主给水调节阀的开度来减少蒸汽发生器出口工质的流量，会使主给水调节阀前后压差增大，进而导致主给水泵产生反馈调节动作，以补偿压差的变化。采用现有水汽转换方法时，主给水调节阀的控制逻辑会限制主给水泵的调节范围和速度，即无法在短时间内对主给水泵和主给水调节阀进行大范围的调节。

(2) 水汽反复转换。

在水汽转换阶段，当蒸汽发生器出口工质温度超过饱和温度，即由水工况转化为汽工况后，需要关闭启动扩容器入口调节阀组。这一操作会造成蒸汽压力上升，从而造成水的饱和温度上升，可能导致已经转化为蒸汽的水重新液化。

(3) 水汽转换时间长，热源存在浪费。

在蒸汽发生器水汽转换时，先用降压汽化的办法使蒸汽发生器从水工况向汽工况过渡，开大启动扩容器入口调节阀组降低蒸汽发生器出口工质压力，此过程会增加蒸汽发生器出口工质的流量，进而产生热源的浪费；再关小主给水调节阀降低蒸汽发生器出口工质流量，同时配合主给水泵转速降低维持主给水调节阀前后压差不变，此过程控制冗长，增加转换时间。

3 新式水汽转换方法

3.1 新式水汽转换方法

参考火电厂相关调试及运行经验，提出一种核电直流蒸汽发生器新式水汽转换的方法。蒸汽发生器新式水汽转换流程见图2。

图2 直流蒸汽发生器新式水汽转换流程

直流蒸汽发生器新式水汽转换流程相比于现有水汽转换流程，去除了主给水调节阀，并且控制方法不同，详见下文。

3.2 新式水汽转换具体流程

新式直流蒸汽发生器水汽转化的具体流程为：

(1) 预热阶段。将启动扩容器入口调节阀组切至手动，并且保持其开度不变；主给水泵的转速投入自动，设置主给水泵的转速跟踪进入直流蒸汽发生器的给水流量，并逐渐减少主给水泵的流量设定值。二回路提供的热量不变，给水流量减小后，给水温度逐渐提升。当直流蒸汽发生器内的工质接近饱和蒸汽温度时，将主给水泵的流量设定值设为当前流量值。

(2) 水汽转换阶段。手动将启动扩容器入口调节阀组的开度逐渐增大，此时直流蒸汽发生器内的工质压力逐渐减小。启动扩容器入口调节阀组的开度增大时进入直流蒸汽发生器的给水流量增加，但是主给水泵通过自动降转速来维持流量设定值，从而进一步降低直流蒸汽发生器内工质的压力。由于在蒸汽发生器内工质的流量、二回路热源维持不变，所以蒸汽发生器内工质的温度不变，但是蒸汽发生器内工质压力下降导致工质对应的饱和蒸汽温度降低，从而汽化产生一定过热度的蒸汽。打开第一电动阀组，蒸汽发生器出口工质经过主汽联箱进入汽轮机旁路系统，由汽轮机旁路系统维持蒸汽发生器出口工质压力。

(3) 功率提升阶段。随着堆功率逐渐提升，手动全开过热器入口阀组及第二电动阀组，全关第一电动阀组，过热器投入。此时主给水泵跟踪进入直流蒸汽发生器的给水流量，汽轮机旁路系统控制蒸汽发生器出口工质压力。手动关闭启动扩容器入口调节阀组，至此直流蒸汽发生器的水汽工况转换完成。

4 新式水汽转换的效果预测

目前，国内外针对核电直流蒸汽发生器水汽转换的研究较少，暂无详细的理论研究或工程实践可供参考。对于采用类似设计的火电机组，在水汽转换时，都取得了较好的效果[15-17]。根据火电厂主给水泵与直流蒸汽发生器的相关调试及运行经验，对采用新式水汽转换方法的效果给出如下预测：

(1) 新式水汽转换通过去除主给水调节阀，消除了主给水泵和主给水调节阀之间的相互影响，使主给水泵的调节更加灵活，且无逻辑束缚。

(2) 新式水汽转换消除了水汽反复转换的隐患。

在水汽转换过程中，先通过主给水泵降低蒸汽发生器出口工质的流量，然后主给水泵投自动维持流量不变；再通过开大启动扩容器入口调节阀组减少蒸汽发生器出口工质压力。当开大启动扩容器入口调节阀组时，会导致蒸汽发生器出口工质流量增加，但是主给水泵会通过降低转速维持蒸汽发生器出口工质流量不变，因而进一步导致蒸汽发生器内压力下降。此时，蒸汽发生器出口工质过热度会增大，不会有重新液化的风险。

(3) 新式水汽转换过程缩短转换时间，减少热源浪费，提高机组安全稳定性。在预热阶段，通过主给水泵调节进入直流蒸汽发生器的给水流量，使蒸汽发生器内给水温度快速上升，减少热源浪费。在水汽转换阶段，通过开大启动扩容器入口调节阀组降低蒸汽发生器出口工质压力，同时使主给水泵转速降低，达到蒸汽发生器出口工质压力二次降低的作用，再次提高了蒸汽发生器出口工质的过热度，加快水汽转换完成，以减少对机组运行的影响，提高机组的安全性及稳定性。

5 结语

新式水汽转换首先利用主给水泵转速控制蒸汽发生器出口工质的流量，然后利用启动扩容器入口调节阀组控制直流蒸汽发生器出口工质的压力，从而控制整个水汽转换流程。新式水汽转换不仅可应用于核电厂直流蒸汽发生器，也可应用于有相似转换流程的蒸汽发生装置。采用新式水汽转换可以节省时间，但是其操作的灵活性和可控性需要在工程实践中得到进一步的验证。