張福萍

(中核霞浦核電有限公司，福建 霞浦 355100)

示范快堆鈉冷快堆一回路系統(tǒng)采用液態(tài)鈉作為核反應(yīng)堆的傳熱介質(zhì)，在停堆后，鈉池蓄熱量仍較大，加上堆芯的剩余裂變、放射性產(chǎn)物的衰變、俘獲產(chǎn)物的衰變，仍需要持續(xù)導(dǎo)出反應(yīng)堆熱量[1]。停堆之后，一、二回路的主要散熱有：一、二回路冷阱的散熱、堆坑的通風(fēng)冷卻散熱、事故余熱排出系統(tǒng)維持熱備用時的散熱等，這些熱量損失遠(yuǎn)小于反應(yīng)堆自身的蓄熱。根據(jù)停堆后熱量變化情況，預(yù)計7天后蓄熱量降低到4 MW左右，此時自身蓄熱加上鈉泵運(yùn)行時產(chǎn)生的熱量，基本能夠維持一、二回路鈉溫在250 ℃左右，三回路方可以切除。

圖1為正常停堆過程蒸汽流量及溫度變化曲線，從圖中可以看出，正常停堆約10 h，反應(yīng)堆功率降至0，蒸發(fā)器二次側(cè)出口溫度為250 ℃，給水流量降至5%額定給水流量，給水溫度為190 ℃。之后投入正常余熱導(dǎo)出系統(tǒng)(以下簡稱LBN系統(tǒng))，繼續(xù)導(dǎo)出反應(yīng)堆的余熱。在這10 h過程中，隨反應(yīng)堆功率下降，三回路個別系統(tǒng)會退出運(yùn)行，除支持LBN運(yùn)行的系統(tǒng)外均可進(jìn)行檢修。

圖1 正常停堆過程蒸汽流量、溫度變化曲線Fig.1 The variation curve of steam flow and temperature during normal shutdown

示范快堆1號機(jī)組LBN系統(tǒng)單獨設(shè)置了疏水冷卻器、循環(huán)冷卻水泵和機(jī)力冷卻塔，在停堆后7天內(nèi)，承擔(dān)正常停堆換料期間余熱導(dǎo)出功能，利用新增的循環(huán)冷卻水泵和機(jī)力冷卻塔的循環(huán)冷卻水，通過疏水冷卻器對啟動擴(kuò)容器出口的疏水進(jìn)行冷卻，冷卻后的凝結(jié)水進(jìn)入除氧器；啟動擴(kuò)容器的閃蒸蒸汽對除氧器中的水進(jìn)行加熱和除氧，之后利用啟動給水泵向蒸汽發(fā)生器提供5%額定主給水流量、溫度不低于190 ℃、壓力為10 MPa的給水，帶走二回路側(cè)的熱量后(溫度升為250 ℃)進(jìn)入啟動擴(kuò)容器。1號機(jī)組堆芯余熱導(dǎo)出工況流程如圖2所示，LBN系統(tǒng)的投入釋放了三回路大部分系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)組和海工冷源設(shè)備[2，3]。

圖2 堆芯余熱導(dǎo)出工況流程簡圖Fig.2 The schematic of core residual heat removal condition

然而，在2號機(jī)組的設(shè)計優(yōu)化工作開展中，經(jīng)與汽輪發(fā)電機(jī)組供貨商了解，在反應(yīng)堆正常余熱導(dǎo)出階段，汽輪機(jī)雖已停運(yùn)，鑒于高壓汽缸溫度較高，需投運(yùn)盤車，直至高壓內(nèi)缸進(jìn)汽腔室金屬壁溫低于120 ℃。在汽輪機(jī)盤車時，為冷卻汽輪機(jī)潤滑油等輔助系統(tǒng)，需閉式冷卻水系統(tǒng)及循環(huán)水系統(tǒng)投運(yùn)，并持續(xù)7～10天。鑒于在反應(yīng)堆正常余熱導(dǎo)出階段，閉式冷卻水系統(tǒng)及循環(huán)水系統(tǒng)需投運(yùn)，無法提前釋放三回路和海工冷源系統(tǒng)檢修窗口，2號機(jī)組擬不再采用增設(shè)機(jī)力冷卻塔方案進(jìn)行余熱導(dǎo)出，以減少項目前期投資和后期運(yùn)維成本。按照此目的進(jìn)行研究分析，2號機(jī)組正常余熱導(dǎo)出冷卻方式可進(jìn)一步優(yōu)化以降低系統(tǒng)冗余，對于示范快堆2號機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和工程建設(shè)周期都有著重要意義，本文結(jié)合示范快堆停堆后LBN系統(tǒng)余熱導(dǎo)出的兩種不同冷卻方案進(jìn)行研究分析，給出優(yōu)化方案，并對比兩種冷卻方式的優(yōu)缺點，給出優(yōu)化建議。

1 循環(huán)水泵—凝汽器余熱導(dǎo)出方案

1.1 方案描述

此方案考慮三回路采用1臺循環(huán)水泵、凝汽器及配套循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行帶走反應(yīng)堆余熱。

汽輪發(fā)電機(jī)組停運(yùn)后，啟動擴(kuò)容器的疏水進(jìn)入凝汽器，循環(huán)水將凝汽器中的閃蒸蒸汽冷卻成凝結(jié)水，利用凝結(jié)水泵將凝結(jié)水輸送至除氧器；啟動擴(kuò)容器的閃蒸蒸汽和來自鄰機(jī)的輔助蒸汽對除氧器中的凝結(jié)水進(jìn)行加熱和除氧，之后利用啟動給水泵[4]將190 ℃的給水輸送至蒸汽發(fā)生器，帶走二回路側(cè)的熱量后(溫度升為250 ℃)進(jìn)入啟動擴(kuò)容器，系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 循環(huán)水泵—凝汽器方案流程簡圖Fig.3 The schematic of the circulating water pump-condenser scheme

經(jīng)初步計算，以及查詢水及水蒸氣熱力性質(zhì)軟件，在該方案中，啟動擴(kuò)容器壓力為1.8 MPa時，閃蒸蒸汽量約為12.2 t/h，閃蒸蒸汽焓值為2 757.76 kJ/kg；疏水流量約為101.3 t/h，疏水溫度為207 ℃，疏水焓值為884.6 kJ/kg。

(1)循環(huán)水量計算

將101.3 t/h的凝結(jié)水從207 ℃冷卻到31.4 ℃(TMCR機(jī)組背壓4.6 kPa對應(yīng)飽和溫度，對應(yīng)焓值131.6 kJ/kg)，采用循環(huán)水冷卻，循環(huán)水溫升按7 ℃進(jìn)行設(shè)計。

根據(jù)凝汽器換熱方程[5]：

則循環(huán)水流量為：

[884.6-131.6)×84.6-131.6]/

(4.2×7)=720.7 kg/s

此時需要的循環(huán)水流量遠(yuǎn)小于單臺循環(huán)水泵流量(約15 m3/s)，即投運(yùn)一臺循環(huán)水泵即可滿足冷卻要求。

(2)輔助蒸汽量計算

為維持除氧器出水溫度不低于190 ℃，除啟動擴(kuò)容器的閃蒸汽外，還需要通過采用輔助蒸汽對除氧器進(jìn)行加熱，輔助蒸汽的參數(shù)為1.8 MPa、274 ℃，將101.3 t/h凝結(jié)水從31.4 ℃加熱到190 ℃，查詢水及水蒸氣熱力性質(zhì)軟件，輔助蒸汽焓值對應(yīng)焓值為2 969.68 kJ/kg，190 ℃凝結(jié)水焓值為807.57 kJ/kg。

根據(jù)除氧器質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程[5]：

Gw+Gs+Gc=Go

Gwhw+Gshs+Gchc=Goho+Gchc

式中，Gw為進(jìn)除氧器的凝結(jié)水量，hw為其對應(yīng)焓值；Gs為進(jìn)除氧器的輔助蒸汽量，hs為其對應(yīng)焓值；Go為除氧水出水量，ho為其對應(yīng)焓值；Gc為進(jìn)入除氧器的啟動擴(kuò)容器閃蒸汽量，hc為其焓值。

則除氧器需要的輔助蒸汽量為：

[101.3×(807.57-131.6)-12.2×(2 757.76-807.57)]/(2 969.68-807.57)=20.67(t/h)

1.2 對運(yùn)行、檢修影響

(1)在停堆后正常余熱導(dǎo)出的7天內(nèi)，需要汽輪發(fā)電機(jī)組范圍內(nèi)的盤車、頂軸油、軸封系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)等均投入運(yùn)行，避免出現(xiàn)汽輪機(jī)大軸彎曲現(xiàn)象。

(2)此方案需要投運(yùn)循環(huán)水系統(tǒng)、汽機(jī)房開式冷卻水系統(tǒng)、汽機(jī)房閉式冷卻水系統(tǒng)、啟動和停堆冷卻系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、主給水除氧器系統(tǒng)、啟動給水系統(tǒng)、凝汽器抽真空系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)，系統(tǒng)清單詳見表1。

表1 循環(huán)水泵—凝汽器方案需要投運(yùn)的系統(tǒng)清單Table 1 The list of systems to be put into operation for the circulating pump-condenser scheme

(3)一臺循環(huán)水泵在停堆換料期間運(yùn)行，循環(huán)水泵額定電機(jī)功率為4 100 kW。與循環(huán)水泵運(yùn)行相關(guān)的其他系統(tǒng)還包括閉式冷卻水系統(tǒng)、生活水系統(tǒng)，要確保上述系統(tǒng)可用才能保證循環(huán)水泵正常運(yùn)行。

1.3 投資及運(yùn)行費(fèi)用

通過上述分析，本方案利用已有三回路的系統(tǒng)實現(xiàn)機(jī)組正常停堆換料期間的余熱導(dǎo)出，無需新增設(shè)備，節(jié)省了工程投資。

在此期間(7天)需要投運(yùn)循環(huán)水泵、閉式冷卻水泵、凝結(jié)水泵、啟動給水泵、真空泵、盤車裝置、頂軸油泵、輔助油泵、排煙風(fēng)機(jī)、軸封風(fēng)機(jī)等設(shè)備。其中，凝結(jié)水泵以小流量工況運(yùn)行，運(yùn)行功率約為600 kW；閉式冷卻水泵以其允許的最小流量運(yùn)行，運(yùn)行功率約為350 kW。三個方案中均投運(yùn)凈凝結(jié)水泵，其按額定功率運(yùn)行考慮。其他設(shè)備均按額定功率運(yùn)行考慮。

設(shè)備總運(yùn)行功率約為6 645 kW，按照0.85元/(kW·h)(工業(yè)用電價格)進(jìn)行估算，設(shè)備運(yùn)行7天的費(fèi)用約為：

0.85×6 645×24×7=94.9(萬元)

本工程設(shè)計壽期為40年，每半年換料一次。按照每年正常停堆換料2次進(jìn)行估算，年費(fèi)用約為：

94.9×2=189.8(萬元)

2 循環(huán)水泵—閉式冷卻水余熱導(dǎo)出方案

2.1 方案描述

此方案中，采用啟動擴(kuò)容器的疏水進(jìn)入疏水冷卻器，利用常規(guī)島閉式冷卻水將疏水冷卻到50 ℃。利用啟動擴(kuò)容器的閃蒸蒸汽和來自輔助鍋爐房的輔助蒸汽對除氧器中的水進(jìn)行加熱和除氧，之后利用啟動給水泵將190 ℃的給水輸送至蒸汽發(fā)生器，帶走二回路側(cè)的熱量后(溫度升為250 ℃)進(jìn)入啟動擴(kuò)容器，流程如圖4所示。

圖4 循環(huán)水泵—閉式冷卻水系統(tǒng)方案流程簡圖Fig.4 The schematic flow chart of the circulating water pump-closed cooling water system

在該方案中，啟動擴(kuò)容器壓力為1.8 MPa時，閃蒸蒸汽量約為12.2 t/h，閃蒸蒸汽焓值為2 757.76 kJ/kg；疏水流量約為101.3 t/h，疏水溫度為207 ℃，疏水焓值為884.6 kJ/kg。

將啟動擴(kuò)容器的閃蒸蒸汽排至除氧器，與輔助蒸汽一起對疏水冷卻器冷卻后的疏水進(jìn)行加熱，保證除氧器內(nèi)的水溫不低于190 ℃，以滿足蒸汽發(fā)生器對水溫和含氧量的要求。

二是調(diào)解組織方面的問題。雖然，從機(jī)構(gòu)建制和人員配置方面看，我國各級調(diào)解組織機(jī)構(gòu)設(shè)置是很健全的，人員配置是比較充足的。但是，從專業(yè)素質(zhì)和調(diào)解能力來看，還存在許多問題?！耙徽臼健彼痉ù_認(rèn)機(jī)制的運(yùn)行，要求人民調(diào)解員完全按照訴訟程序的標(biāo)準(zhǔn)開展調(diào)解活動，按照訴訟案件的標(biāo)準(zhǔn)制作調(diào)解筆錄、收集各類資料和證據(jù)，按照法律規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)起草調(diào)解協(xié)議，對于法律專業(yè)素養(yǎng)不足的人民調(diào)解員來說，還是有很大難度的。這就需要主管部門在人員配備、素質(zhì)培養(yǎng)等方面花大力氣。

疏水冷卻器按照將啟動擴(kuò)容器疏水從207 ℃冷卻到50 ℃(對應(yīng)焓值210.88 kJ/kg)進(jìn)行選型，所需閉式冷卻水量為：(884.6-210.88)×101.3÷36÷(7×4.2)=644.8 kg/s=2321 t/h，現(xiàn)有閉式冷卻水系統(tǒng)設(shè)計流量滿足要求。

系統(tǒng)運(yùn)行時，為降低輔助蒸汽消耗量，可控制疏水冷卻器出口疏水溫度136 ℃(對應(yīng)焓值573.02 kJ/kg)，所需閉式冷卻水量為(884.6-573.02)×101.3÷36÷(7×4.2)=298.2 kg/s=1 074 t/h。

注：閉式冷卻水的溫升按7 ℃考慮，水的比熱容按4.2 kJ/(kg·℃)考慮。

2.2 對運(yùn)行、檢修方面影響

(1)與循環(huán)水泵—凝汽器余熱導(dǎo)出方案類似，汽輪發(fā)電機(jī)組停運(yùn)初期，汽輪發(fā)電機(jī)組范圍內(nèi)的盤車、頂軸油泵、輔助油泵、排煙風(fēng)機(jī)、軸封系統(tǒng)等均需投入運(yùn)行。參考火電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗，盤車運(yùn)行3天后可破壞凝汽器真空。因此，汽輪發(fā)電機(jī)組停運(yùn)3天內(nèi)，可按上述方案運(yùn)行；3天后破壞凝汽器真空，停運(yùn)軸封系統(tǒng)、凝汽器抽真空系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)，按“循環(huán)水泵—閉式冷卻水泵余熱導(dǎo)出方案”運(yùn)行。

(2)需要投運(yùn)循環(huán)水系統(tǒng)、汽機(jī)房開式冷卻水系統(tǒng)、汽機(jī)房閉式冷卻水系統(tǒng)、啟動和停堆冷卻系統(tǒng)、主給水除氧器系統(tǒng)、啟動給水系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)等，系統(tǒng)清單詳見表2。

表2 循環(huán)水泵—凝汽器方案需要投運(yùn)的系統(tǒng)清單Table 2 The list of systems to be put into operation for the circulating pump-condenser scheme

(3)輔助蒸汽由啟動擴(kuò)容器的擴(kuò)容蒸汽自給自足，按零消耗考慮。

2.3 投資及運(yùn)行費(fèi)用

通過上述分析，本方案需要增設(shè)疏水冷卻器，參考1號機(jī)組，疏水冷卻器的投資為130萬元。同時，需要額外增設(shè)相應(yīng)管線及閥門，投資按20萬元考慮。

在此期間(按7天考慮)，前3天需要投運(yùn)循環(huán)水泵、閉式冷卻水泵、凝結(jié)水泵、啟動給水泵、真空泵、盤車裝置、頂軸油泵、輔助油泵、排煙風(fēng)機(jī)、軸封風(fēng)機(jī)等設(shè)備，后4天停運(yùn)凝結(jié)水泵、真空泵、軸封風(fēng)機(jī)。其中，凝結(jié)水泵運(yùn)行時以小流量工況運(yùn)行，運(yùn)行功率約為600 kW；閉式冷卻水泵運(yùn)行功率按350 kW考慮。設(shè)備總運(yùn)行功率約為6 645 kW，按照0.85元/(kW·h)(工業(yè)用電價格)進(jìn)行估算，運(yùn)行費(fèi)用為：

0.85×6 645×24×3+0.85×

5 736×24×4=87.5(萬元)

本工程設(shè)計壽期為40年，每半年換料一次。按照每年正常停堆換料2次進(jìn)行估算，年費(fèi)用約為：

87.5×2=175(萬元)

相較“循環(huán)水泵—凝汽器余熱導(dǎo)出方案”，“循環(huán)水泵—閉式冷卻水泵余熱導(dǎo)出方案”可以減少來自鄰機(jī)的輔助蒸汽消耗，相應(yīng)蒸汽可用于發(fā)電。

經(jīng)計算，“循環(huán)水泵—凝汽器余熱導(dǎo)出方案”第3天用于除氧器加熱的輔助蒸汽消耗量約為17.7 t/h，第7天輔助蒸汽消耗量約為11.3 t/h，按平均值考慮，“循環(huán)水泵—閉式冷卻水泵余熱導(dǎo)出方案”可以節(jié)省的輔助蒸汽量為14.5 t/h，折算為對應(yīng)的鄰機(jī)主蒸汽量為13.1 t/h。上述主蒸汽用于汽輪機(jī)組發(fā)電，可發(fā)電3.7 MW，每年按8天考慮(單次按4天考慮)，相較“循環(huán)水泵—凝汽器余熱導(dǎo)出方案”，“循環(huán)水泵—閉式冷卻水泵余熱導(dǎo)出方案”鄰機(jī)每年多發(fā)電的收益為：3.7×24×8×430=30.5(萬元)，其中，上網(wǎng)電價按430元/MW考慮。

綜上，相較“循環(huán)水泵—凝汽器余熱導(dǎo)出方案”，“循環(huán)水泵—閉式冷卻水方案”每年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用以及鄰機(jī)多發(fā)電的收益為45.3萬元，大約4年時間可回收所增加的投資費(fèi)用。

3 結(jié)論

經(jīng)過以上分析，可得出以下結(jié)論。

1)兩種優(yōu)化方案都對LBN系統(tǒng)進(jìn)行了大量的優(yōu)化甚至取消，涉及泵、循環(huán)冷卻塔、閥門、儀表、DCS點位以及相關(guān)電纜等，對前期項目投資和建設(shè)周期有積極的作用，并且針對系統(tǒng)維修成本幾乎降至“位以成本。

2)兩種優(yōu)化方案雖然各有不足之處，但在技術(shù)上都是可行的，能夠滿足機(jī)組停堆換料期間冷卻7天的要求。

3)“循環(huán)水泵—閉式冷卻水泵余熱導(dǎo)出方案”與“循環(huán)水泵—凝汽器余熱導(dǎo)出方案”相比，需新增疏水冷卻器設(shè)備及相應(yīng)管線、閥門，工程投資相對較多，但前者能夠節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用以及增加鄰機(jī)的發(fā)電收益，大約4年時間可回收所增加的投資費(fèi)用，因此示范快堆2號機(jī)組的正常余熱導(dǎo)出優(yōu)化方案推薦采用“循環(huán)水泵—閉式冷卻水泵余熱導(dǎo)出方案”。

綜上，正常余熱導(dǎo)出優(yōu)化方案結(jié)合了示范快堆降本增效精細(xì)化管理的需求，也考慮了示范快堆繼續(xù)的特點和可靠性要求，示范快堆2號機(jī)組的正常余熱導(dǎo)出系統(tǒng)可采用循環(huán)水泵—閉式冷卻水泵余熱導(dǎo)出方案進(jìn)行設(shè)計。