姚文卓, 周 濤, 劉建全, 楊已顥

(1.上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200082;2.東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院, 江蘇 南京 210000)

隨著社會的發(fā)展和環(huán)保理念的普及,清潔能源的開發(fā)和利用愈發(fā)受到人們的重視和提倡。其中,核能被認(rèn)為是清潔可靠的能源之一[1],核電站則是和平利用核能的典范。相較于傳統(tǒng)火力發(fā)電的方式,核電發(fā)展起步較晚,但發(fā)展速度較快。這與核電從發(fā)展之初便受到各國的廣泛關(guān)注和重視有很大關(guān)系。與此同時,我國也提出了有計劃、有步驟地發(fā)展核電的能源戰(zhàn)略[2-4]。要大規(guī)模發(fā)展核電,除了要研究機(jī)組特性和電力系統(tǒng)調(diào)度策略[5-6]外,所面臨的主要問題是如何進(jìn)一步提高自主設(shè)計水平以及如何實現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的全面國產(chǎn)化[7]。尤其是一些大型設(shè)備,例如被稱為核電站一、二回路樞紐的蒸汽發(fā)生器,屬于大型換熱設(shè)備,其能否穩(wěn)定運行直接關(guān)系到整座核電站的安全,而其自身的換熱特性也決定了其是否具有很好的熱經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化潛力。為此,SUN B Z等人[8]通過建立二次側(cè)管隙的局部模型,研究了管隙內(nèi)流體的局部渦流現(xiàn)象以及局部再循環(huán)的分布狀況;江嘉銘等人[9]采用N-S方程和流體換熱方程對一體化核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器換熱回路進(jìn)行了分析,研究了額定功率下不同換熱管結(jié)構(gòu)對換熱效率的影響;阮辰鶴[10]建立了蒸汽發(fā)生器一、二次側(cè)的三維流動與耦合傳熱過程的數(shù)值模型,以兩相流模型的方法研究了能量和質(zhì)量的轉(zhuǎn)換,得出了穩(wěn)態(tài)工況下蒸汽含汽率、傳熱管內(nèi)外壁溫和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及一、二次側(cè)壓力等關(guān)鍵參數(shù)的分布規(guī)律。

上述研究針對的是二次側(cè)提出的相應(yīng)模型模擬過程,或使用數(shù)學(xué)方法對物理數(shù)值進(jìn)行擬合分析,或采用實驗進(jìn)行模擬對比并加以分析,難以解決實際工程設(shè)計及項目施工過程中面臨的選擇成本問題。本文以某AP1000機(jī)組蒸汽發(fā)生器二次側(cè)為研究對象,引入經(jīng)濟(jì)學(xué)成本概念,并結(jié)合成本理論,在確定設(shè)計參數(shù)下的額定工況后,對系統(tǒng)進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本的分析計算,并根據(jù)不同運行參數(shù)建立熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本函數(shù)模型,對運行過程中不同因素對熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本的影響進(jìn)行了分析和探討,得出了不同負(fù)荷下溫度和壓力等參數(shù)的變化對蒸汽發(fā)生器二次側(cè)經(jīng)濟(jì)性影響的趨勢和程度,以期對機(jī)組調(diào)峰、設(shè)備運行及維護(hù)等過程提供參考。

1 AP1000機(jī)組蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

AP1000機(jī)組采用第三代先進(jìn)壓水反應(yīng)堆技術(shù)[11],使用立式、殼形、U型管蒸汽發(fā)生器,每臺機(jī)組配備2臺蒸汽發(fā)生器,形成兩個環(huán)路。與傳統(tǒng)核電機(jī)組內(nèi)三環(huán)路布置方式[12]相比,AP1000蒸汽發(fā)生器具有傳熱管數(shù)量多、管束換熱面積大、單個蒸汽發(fā)生器熱容量大、結(jié)構(gòu)設(shè)計布局緊湊等特點。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 AP1000機(jī)組蒸汽發(fā)生器基本結(jié)構(gòu)

一回路循環(huán)水在反應(yīng)堆吸熱后經(jīng)下封頭一側(cè)入口流入,進(jìn)入U型管,經(jīng)直管段上升,在彎管段改變流向后,再經(jīng)另一側(cè)直管段下降,在筒體內(nèi)放熱后流回下封頭另一側(cè),并經(jīng)出口流出后流回反應(yīng)堆。二回路循環(huán)水經(jīng)給水環(huán)管流入筒體,并在底部流向筒體中部并接觸U型管開始吸熱,經(jīng)管隙不斷吸熱上升并發(fā)生相變。該過程分為過冷段、沸騰段和上升段3個階段[13],產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過汽水分離器后由蒸汽出口噴嘴流出。

1.2 設(shè)計參數(shù)

AP1000機(jī)組蒸汽發(fā)生器部分設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 AP1000機(jī)組蒸汽發(fā)生器設(shè)計參數(shù)

2 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本

2.2 函數(shù)模型

設(shè)環(huán)境溫度t0=20 ℃,環(huán)境壓力p0=0.101 MPa,則蒸汽值為

e=h-h0-T0(s-s0)

(1)

式中:e——比,kJ/kg;

h——比焓值,kJ/kg;

h0——環(huán)境溫度下比焓值,kJ/kg;

T0——環(huán)境溫度,K;

s——比熵值,kJ/(kg·K);

s0——環(huán)境溫度下比熵值,kJ/(kg·K)。

E=eqm

(2)

式中:E——值,kW。

2.2.2 設(shè)備等額分期償還成本

設(shè)備成本往往包括很多方面,如購買、安裝、調(diào)試、運行、維護(hù)等費用。通常情況下設(shè)備成本的估算需要經(jīng)驗數(shù)據(jù)支持,即采用經(jīng)驗公式[15]計算

(3)

式中:Z——蒸汽發(fā)生器設(shè)備估算成本,$;

η——蒸汽發(fā)生器熱效率。

而設(shè)備成本對熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本的影響,應(yīng)以等額分期償還成本的方式加以計算。

(4)

(5)

q=(1+i)(1+r)

(6)

式中:Zl——蒸汽發(fā)生器等額分期償還成本,$/s;

φ——系統(tǒng)維護(hù)因子;

f——年度化因子;

H——設(shè)備年運行時間,h/y;

q——中間變量參數(shù);

k,N——償還周期和建造周期,y;

i——利率;

r——通貨膨脹率。

2.2.3 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本方程

(7)

式中:c——蒸汽發(fā)生器熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本,$/kJ。

3 計算結(jié)果可視化及分析

3.1 不同運行負(fù)荷下熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本

以額定滿負(fù)荷參數(shù)為上限,代入不同運行負(fù)荷下的參數(shù)進(jìn)行計算,得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同運行負(fù)荷下熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本

由圖2可知,隨著負(fù)荷的降低,蒸汽發(fā)生器熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本呈加速增長的趨勢。

結(jié)合核電站實際運行情況及上述結(jié)果進(jìn)行分析,目前核電站機(jī)組一般通過日負(fù)荷跟蹤運行、季節(jié)性調(diào)峰和長期降功率運行3種方式參與電網(wǎng)調(diào)峰,而AP1000機(jī)組通常采用機(jī)械補(bǔ)償模式進(jìn)行功率調(diào)節(jié),雖然其可在單個燃料循環(huán)壽期中的大部分時間內(nèi)進(jìn)行30%Pn(額定功率)以上的功率調(diào)節(jié),但在低負(fù)荷運行狀態(tài)下,首先會導(dǎo)致包殼內(nèi)應(yīng)力變化,易導(dǎo)致包殼破裂損傷;其次控制棒棒位發(fā)生改變,會降低堆芯安全裕度;再次堆芯內(nèi)部中毒反應(yīng)加劇、瞬態(tài)效應(yīng)明顯,存在局部超功率熔毀風(fēng)險;最后負(fù)荷變化需配合硼濃度變化,這一過程會增加放射性廢物的產(chǎn)生和處理量。因此,考慮到設(shè)備壽命、安全運行和經(jīng)濟(jì)性等因素,不建議進(jìn)行頻繁降低負(fù)荷運行。此外,雖然在變負(fù)荷工況下核電熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本變化趨勢與傳統(tǒng)火電相似,但核電機(jī)組蒸汽參數(shù)更低,變負(fù)荷工況的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本增量更大,從而導(dǎo)致核電機(jī)組參與調(diào)峰的優(yōu)先級并不高。

3.2 不同工況參數(shù)下熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本

以額定參數(shù)為上限,代入不同運行工況下的壓力和溫度參數(shù)進(jìn)行計算,得到的結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同工況參數(shù)下熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本

選取圖3中部分參數(shù)值,整理結(jié)果如表2所示。

表2 部分工況參數(shù)下熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本

由表2可知,在275～285 ℃和5.70～5.90 MPa的工況區(qū)間內(nèi),熱經(jīng)濟(jì)成本在2.094 8×10-6～2.135 1×10-6$/kJ范圍內(nèi)變化,表明蒸汽發(fā)生器內(nèi)二次側(cè)蒸汽出口壓強(qiáng)和溫度對熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本有不同程度的影響,隨著溫度的升高,壓強(qiáng)增大,熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本逐漸下降,其中溫度的影響更加顯著。

結(jié)合核電站實際運行情況及上述分析結(jié)果,為提高蒸汽發(fā)生器的熱經(jīng)濟(jì)性,目前較為有效且使用廣泛的方法也是以強(qiáng)化換熱、增加蒸汽發(fā)生器內(nèi)換熱功率等來提高二次側(cè)蒸汽出口溫度。蒸汽發(fā)生器占核電站設(shè)備投資比重較高,而其工作過程又產(chǎn)生了有限溫差換熱損失、排污損耗等其他各種不可逆損失,使其效率偏低。蒸汽出口溫度的增加,不僅降低了損耗,提高了效率,提升了設(shè)備的熱經(jīng)濟(jì)性,而且能降低主蒸汽濕度,除減少濕氣損失外,還能改善汽輪機(jī)做功環(huán)境,減緩汽輪機(jī)動葉片沖蝕現(xiàn)象的發(fā)生,起到了提高機(jī)組運行安全性和壽命的作用。

4 結(jié) 論

(1)隨著機(jī)組負(fù)荷的降低,蒸汽發(fā)生器二次側(cè)熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本逐漸增加,且增速呈加快的趨勢。原因在于核電機(jī)組蒸汽參數(shù)低,變負(fù)荷工況下的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本增量更容易被放大,而這一趨勢在蒸汽參數(shù)水平更高的火電機(jī)組上的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本增量更小。因此,相比火電機(jī)組,核電機(jī)組更不適合進(jìn)行頻繁降低負(fù)荷運行,且參與變負(fù)荷調(diào)峰的優(yōu)先級更低。

(2)蒸汽發(fā)生器內(nèi)二次側(cè)蒸汽出口的壓強(qiáng)對熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本影響較小,壓強(qiáng)的提升對于熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本的降低幅度有限。在實際運行狀態(tài)下,維持較高的壓強(qiáng)水平會增加泵功耗和廠用電,從而影響發(fā)電經(jīng)濟(jì)性。因此,在蒸汽發(fā)生器的改造或設(shè)計過程中,可以綜合考慮熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本的降低和泵能耗的增加幅度,選取一個適當(dāng)?shù)膲簭?qiáng)作為額定工況參數(shù)。

(3)蒸汽發(fā)生器內(nèi)二次側(cè)蒸汽出口的溫度對熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本的影響更加顯著,溫度的提升可更大幅度地降低其熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本,改善二次側(cè)換熱條件,通過優(yōu)化換熱效率的方式,更容易降低熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本。因此,在蒸汽發(fā)生器的改造或設(shè)計過程中,考慮強(qiáng)化換熱或提高一次側(cè)工質(zhì)的設(shè)計溫度參數(shù),能更有效地提升其熱經(jīng)濟(jì)性。