摘 要 蒸汽发生器是连接一、二回路的枢纽,因此,其运行对整个核电站安全稳定运行十分重要.充分理解蒸汽发生器的运行原理和运行参数,有利于核电站的运行.本文以大亚湾核电站蒸汽发生器为例,介绍了自然循环蒸汽发生器的运行原理和运行参数.
关键词 蒸汽发生器 运行原理 运行参数
Abstract The steam generator join a hub of primary loop and secondary loop, so the operation is of fully significance for the safe and stable operation of NPP. This paper describes the operating principle and operating parameters of natural circulation steam generator by quoating the steam generator of Daya Bay NPP as an example.
Key words Steam generator Operating principle Operating parameter
1 运行原理
1.1 反应堆控制方式
为了匹配反应堆与汽轮机的功率,必须同时兼顾一、二回路的压力、温度等热工参数的相对稳定性和反应堆的安全性,如:一回路平均温度变化范围不能过大(避免一回路水容积波动过大),蒸汽发生器出口蒸汽压力不能太低(会影响汽轮机效率)等.正常运行时流经反应堆的一回路流量基本保持不变,反应堆功率的输出与反应堆冷却剂进出口温度密切相关.图1为大亚湾核电站一回路平均温度控制图,采用了漂移一回路平均温度的方式,通过同时改变一回路平均温度和蒸汽发生器出口蒸汽压力来匹配汽轮机功率的变化.反应堆冷却剂进口温度基本不变,一回路平均温度随着功率的上升而上升,蒸汽发生器出口蒸汽压力随功率的上升而下降.
1.2 一回路系统运行
一回路系统的正常运行相当于核电站的功率运行,最佳稳态运行相当于核电站的基本负荷运行,正常瞬态相当于负荷跟踪过程中的功率变化.大亚湾核电站一回路系统稳态运行时参数如下:
(1) 一回路系统压力维持在15.5 MPa;
(2) 根据不同的负荷,一回路平均温度如图1所示,在291.4~310.0℃之间变化;
(3) 根据不同的负荷,稳压器水位在20%~64%相对水位之间变化.
稳态运行时,3台主泵都处于运行状态,传送必需的一回路流量,将反应堆所产生的热量通过3台蒸汽发生器传递到二回路系统.
正常瞬态运行时,反应堆的功率需要随负荷变化而变化,这就造成一回路水温度的变化,从而引起一回路水的收缩或膨胀.稳压器用来调节一回路水的温度和容积的变化.
1.3 自然循环
自然循环蒸汽发生器下降通道中的流体为给水与分离器疏水的混合物,基本上不含蒸汽,而上升通道中的流体为汽水两相混合物.下降通道中的流体密度大于上升通道中的流体密度,两者形成的压差在回路中建立起运动压头,形成自然循环.
蒸汽发生器自然循环时,运动压头与流动阻力平衡,依靠自身改变循环流量(即改变循环倍率)来调节.当负荷下降时,在同一传热面上传热量下降,蒸汽量减小,即上升通道中汽水两相混合物中的蒸汽含量减小.而循环倍率的变化与蒸汽含量的变化成反比,即负荷下降,循环倍率增大.
1.4 蒸汽发生器的水位
蒸汽发生器内的水位是指下降通道中通过测量得到的水位.水位要调节到一个已知的整定值(一般为旋叶式分离器的中部).如果水位过低,将会发生:①蒸汽进入给水环,在给水管道中会产生水锤的危险;②会使循环倍率降低,上升通道管束中蒸汽含量过高,会在管壁上产生蒸汽膜和杂质沉积,有可能发生传热管腐蚀的危险.如果水位过高,会淹没或局部淹没干燥器,使出口蒸汽湿度增加,引起汽轮机叶片的腐蚀.
蒸汽发生器水位控制是通过控制调节阀的开度来改变给水流量,一般有下列3种方式.
(1)大小流量分开控制:为了改善控制系统在小流量时的性能,采取了大小流量分开控制的方式.小流量时由旁路调节阀调节.大流量时,旁路调节阀全开,主给水调节阀起作用.这就要求在调试过程中,正确地选择切换点和重叠度,保证大小流量的无扰动切换.
(2)主从控制通道串级控制:见图2所示,子通道为流量控制通道,主通道为水位控制通道.采取串级控制方式,有利于改善控制系统的线性度,提高响应速度.
图2 水位串级控制简图
(3)前馈控制:影响蒸汽发生器水位变化的主要因素是负荷,即蒸汽流量.为了提高整个控制系统的响应速度,引入主要扰动量——蒸汽流量作开环控制,即前馈控制.一旦蒸汽流量变化,给水流量相应地作出调整,避免水位发生大的变化.前馈控制对抑制虚假水位对控制通道的影响有非常重要的作用.但前馈控制要求对起前馈作用的扰动量的测量要非常准确.
1.5 蒸汽发生器的给水
蒸汽发生器的给水是蒸汽在凝汽器中冷凝后的水,经给水加热器加热后,由汽动给水泵增压,并将给水分配到每台蒸汽发生器的给水管路.给水量由以下两个设备互为补充进行调节:①用汽动给水泵的转速进行调节,对3台蒸汽发生器共同调节,速度较快;②用给水大流量和小流量的调节阀开启度进行调节,对蒸汽发生器个别调节,速度较慢.
给水流量控制系统是核电站最重要的系统之一,会直接影响机组安全与满负荷运行.大亚湾核电站二回路有3个同样的蒸汽发生器给水管路,每个给水管路具有1个主给水调节阀、1个旁路给水调节阀以及隔离阀和仪表控制回路.此外,3台蒸汽发生共用2台汽动给水泵、1台电动给水泵.
给水流量控制系统分为给水泵速度控制和水位控制两个回路.泵的转速和阀门的开启度都会影响给水流量.为了使两个控制回路都能正常工作,必须使它们相互独立,互不影响.为此,将泵速控制设计成由给水母管和蒸汽母管之间的压差来控制,最终控制给水调节阀两端的压差为规定值.
蒸汽发生器的辅助给水是在不能实现正常给水(由给水流量控制系统给水)时,为蒸汽发生器给水.这样可以排出堆芯的余热和保持设备的完整性.辅助给水在下列情况下被使用:①在启动和一回路温度上升阶段,给水加热器不能使用;②在热停堆阶段,不再允许使用给水流量控制系统时;③为了向冷停堆过渡并达到余热排出系统投入运行.每台机组有1个贮水箱、1套唧送装置和1组带有流量调节的向蒸汽发生器注水的管路.水泵将贮存在贮水箱中的水,通过1个流量调节阀送入蒸汽发生器.
当正常给水系统中的1个失效时,辅助给水成为应急手段用以排出堆芯余热直至达到余热排出系统投运.在这种情况下,一回路放出的热量通过蒸汽发生器(由辅助给水)传输给二回路,向凝汽器或大气排放.
1.6 蒸汽发生器的主蒸汽
蒸汽发生器的主蒸汽是具有一定压力、温度和流量的饱和蒸汽,饱和蒸汽的湿度应低于规定的指标.
主蒸汽流量是用于反应堆控制和保护的一个重要参数,它与相应的给水流量之差来调节主给水阀以控制蒸汽发生器的水位,当两者之差超过设定值时,向反应堆保护系统发出停堆信号.另外,还用主蒸汽流量和其它信号共同作用,向反应堆保护系统发出主蒸汽隔离信号.
出口蒸汽压力如图1所示,它与一回路平均温度一起来匹配功率的变化,随着功率的上升而下降.在蒸汽发生器的主蒸汽管线上安装有7台安全阀,它们的功能是:①通过排除蒸汽来防止一回路系统的超压和过热;②通过限制蒸汽流量和速率来防止堆芯过冷.
出口蒸汽湿度对汽轮机的效率和可靠性影响很大.蒸汽湿度主要取决于蒸汽发生器汽水分离装置的分离效果.为考核蒸汽发生器的性能、正确评估汽轮机叶片的冲刷和腐蚀、计算蒸汽发生器的热功率输出,要求精确地测量蒸汽湿度.
1.7 蒸汽发生器的排污
蒸汽发生器排污系统的功能是清除给水中的杂质(此杂质在锅水中被浓缩),使锅水的化学品质保持在规定的限值内.排污水通过排污冷却器后,在正常运行工况下放射性水平小于55.5 Bq/kg,排污水可输送到凝汽器热阱(凝结水除盐装置运行时),或直接向外排放.当放射性水平大于55.5 Bq/kg时,排污水应送到排污净化器进行净化处理.
根据蒸汽发生器的水化学要求,排污率为蒸汽量的1%~1.5%.排污水从蒸汽发生器、排污扩容器输出,通过排污冷却器、排污预过滤器、排污混床净化器以及排污后过滤器,然后到凝汽器热阱或向外排放.对排污水进行定期取样和分析以确定:①排污率是否需要调整以保持锅水水化学指标在规定限度内;②是否存在一回路向二回路的泄漏,需要采取纠正措施;③是否应改变排污水的处理方法.
2 运行参数
2.1 一回路运行参数
2.1.1 一回路水进、出口温度
一回路水进、出口温度的测量对反应堆的保护和控制都是十分重要的.大亚湾核电站每台蒸汽发生器的热端和冷端各装有4个温度传感器,其中1个为热电偶温度传感器,宽量程范围为0~350℃,主要用于监视堆芯冷却情况.另3个为热电阻式温度传感器,1个用于保护通道,1个用于控制通道,1个留作备用.温度传感器的分布见图3.对热电阻式温度传感器,其热端温度取自蒸汽发生器的旁道管线,为减小温度分布不均匀对温度测量造成的影响,同热端相连的旁通管与一特制的取样收集器相连,该收集器在主管道同一截面上分三支以120°角向管道中心延伸,上面均布若干取样孔,以获取具有代表性温度的流体样品.冷端温度取自主泵的旁通管线,由于主泵的混和作用,认为温度分布比较均匀,故只在主泵出口处设一个取样管.这两个旁通管线在蒸汽发生器与主泵之间共用一段带有流量计的回流管线.为均衡冷热端的旁通流量,在冷端旁路上装有限流孔板,这样能保证温度传感器的响应时间,对反应堆的保护和控制十分重要.宽量程的温度传感器则直接插入各环路的冷热端.表1为大亚湾核电站蒸汽发生器在设计条件下不同负荷时的一回路水进、出口温度.
图3 一回路水进、出口温度和流量传感器以及给水、
主蒸汽、排污水流量传感器布置示意图
表1 大亚湾核电站蒸汽发生器在设计条件下
不同负荷的一回路水进、出口温度
负荷 总传热系数
W/m2℃ 二回路饱和温度℃ 一回路进口温度℃ 一回路出口温度℃
% MW
10 96.83 5562.47 289.62 295.13 291.28
30 290.50 7120.75 288.02 302.62 291.23
50 484.16 7659.37 286.61 309.98 291.32
70 677.83 7952.02 285.34 317.18 291.56
100 968.33 8218.22 283.66 327.63 292.29
2.1.2 一回路水流量
一回路水在泵的驱动下流经反应堆堆芯,将核燃料组件在裂变过程中产生的热量及时带走.为保护堆芯的安全,流经堆芯的一回路水必须具有一定的流量.若流量低于额定值的88.8%,则反应堆停堆保护系统动作,使反应堆紧急停堆.若流量过大,则流致振动增大,严重时会导致堆内部件的损坏.
大亚湾核电站一回路水的流量测定采用了主泵电功率法和弯管流量计法,并利用热平衡对一回路水流量进行了验证.
主泵电功率法:通过测量每一环路主泵单独运行时的电功率W1、弯管流量计压差ΔP1和3台主泵同时运行时该环路主泵的电功率W3和弯管流量计压差ΔP3,就可以计算出3台主泵同时运行时该环路的流量Q3.三个环路的一回路水流量之和即为流过反应堆的总流量.测量结果见表2.
弯管流量计法:在蒸汽发生器一回路主管道出口的第一个弯头17.5°处,管道的外侧和内侧分别设有一个和三个取压孔.由于一回路水流经该弯头处时产生的离心力的作用,使在弯头内、外侧间产生一压差ΔP.流量与压差存在一定的关系,由此可以得到一回路水流量与弯管流量计压差值的关系式.测量结果见表2.弯管流量计测量大口径管道的大流量具有很高的精度,被用于测量核电站一回路水流量.
表2 电功率法和弯管流量计法的测量结果
环路流量,m3/h 总流量
m3/h
环路1 环路2 环路3
电功率法 26347 25241 26454 78042
弯管流量计法 24813 24543 25184 74540
2.1.3 一回路水压力
大亚湾核电站在三个环路中的一个环路上,装有一台稳压器,用以保持一回路中的运行压力为15.5 MPa,以防止压力过高导致设备或管道的破损,或者压力过低导致一回路水的汽化,影响导出热量.稳压器上部蒸汽空间设有喷淋装置,当系统压力升高时,能自动喷淋来冷凝蒸汽降压.稳压器下部水室空间设有电加热元件,当系统压力降低时,能自动加热产生蒸汽以增大压力.此外,在稳压器顶部还装有安全阀、卸压阀,以保证运行安全.
2.1.4 一次侧压力损失
一次侧压力损失包括摩擦阻力和局部阻力两部分.具体为:管束中的摩擦阻力和水室进口、管束进口、管束出口、水室出口的局部阻力.一次侧进、出口压差测点一般安装在一次侧进、出口接管上,一次仪表为差压变送器.大亚湾核电站蒸汽发生器在额定负荷下一次侧压力损失为307.8 kPa.
2.2 二回路运行参数
2.2.1 给水流量
如图3所示,在每台蒸汽发生器的给水管线上安装有经过标定的文丘里管,用来测量主给水的流量,通过文丘里管的引压管装有3个流量传感器.其中一个为窄量程,主要用于在额定流量为5%时起动辅助给水系统并发出停堆信号.两个为宽量程,用于与相应的蒸汽流量之差来调节主给水阀以控制蒸汽发生器水位并向反应堆保护系统发出信号.由于文丘里管在出厂前已进行标定,测量误差应在允许范围内.若误差过大,则需对文丘里管重新标定.
2.2.2 主蒸汽流量
在每台蒸汽发生器的蒸汽出口管道的口内装有一未经标定的限流器,通过测量主蒸汽流经限流器及部分管道的压降来计算主蒸汽流量.由于安装条件对测量结果影响较大,因而在升功率过程中要进行重新标定,以满足验收标准.
2.2.3 给水温度
主给水由高压加热器加热,汽动给水泵增压后进入蒸汽发生器.在蒸汽发生器给水入口处装有温度指示器和温度控制器来测量和控制给水温度.表3为大亚湾核电站蒸汽发生器在设计条件下不同负荷时的给水温度.
表3 大亚湾核电站蒸汽发生器在不同负荷下的给水温度
负荷% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
℃ 130.6 143.9 165 176.7 186.8 196.6 205.2 212.8 220 226
2.2.4 饱和蒸汽压力和饱和蒸汽温度
饱和蒸汽压力和饱和蒸汽温度是根据一回路水在蒸汽发生器内放出的热量等于通过传热管束传递给二回路的热量用热工水力分析程序计算而得出的.在蒸汽发生器运行中,如果蒸汽产生量大于需要量,汽机不能耗用过多的蒸汽,而使二回路饱和蒸汽压力和饱和蒸汽温度升高,降低了传热温差,接着蒸汽产生量下降.所以蒸汽发生器中的传热由改变二回路饱和蒸汽压力和饱和蒸汽温度来进行自动调整.表1表示了不同负荷下的二回路饱和蒸汽温度.
2.2.5 出口蒸汽压力
蒸汽发生器出口蒸汽压力等于饱和蒸汽压力减去下列几项压力损失:
(1) 通过旋叶式分离器的压力损失;
(2) 在旋叶式分离器与干燥器之间的压力损失;
(3) 通过干燥器的压力损失;
(4) 在上封头内与蒸汽出口管内(包括限流器)的压力损失.
2.2.6 入口给水压力
蒸汽发生器入口处的给水压力等于饱和蒸汽压力加上水位与给水环底部之间的水柱重量和给水环内(包括J形管和T字形接头)的压力损失.
2.2.7 出口蒸汽湿度
借助于一种易溶于水而不挥发的示踪剂,通过测定蒸汽发生器内锅水示踪剂浓度和给水中示踪剂浓度,就可以确定出口蒸汽湿度.如果在凝结水泵入口注入示踪剂,由于示踪剂的不挥发性,干蒸汽不带走示踪剂,经过一段时间后,示踪剂将全部积聚在蒸汽发生器内.实际上,出口的是湿蒸汽,水滴要带走部分溶于锅水中的示踪剂并通过给水系统返回蒸汽发生器.
测量时,关闭排污系统下泄流及凝汽器排污,维持二回路系统各水箱水位不变,在稳定功率运行工况下,注入碳酸铯并经过一段时间运行后,使蒸汽发生器内和给水中的示踪剂建立平衡关系.为了提高测量精度,要求对蒸汽发生器内的示踪剂浓度测量具有一定的代表性,一般取蒸汽发生器上部水样.给水中示踪剂浓度,在给水母管上通过给水流量控制系统取样.在取样后用原子光谱仪分析样品中碳酸铯的浓度,得到蒸汽湿度测量值.
为了得到出口蒸汽湿度值,必须对测量值进行换算.例如大亚湾核电站1号机组蒸汽湿度测量值为0.015%,经换算后的出口蒸汽湿度为0.09%.
2.2.8 热功率
蒸汽发生器额定热功率输出测量是通过出口蒸汽压力和蒸汽湿度,给水压力、温度和流量,根据蒸汽发生器进、出口热平衡原理而得到的.为保证试验结果的准确性,要求机组稳定运行并关闭蒸汽发生器的排污.每台蒸汽发生器的额定热功率为:
W =〔XHes +(1–X)Hvs–He〕Qe(MWt)
式中:X为蒸汽湿度;Hes为饱和水焓,kJ/kg;Hvs为饱和蒸汽焓,kJ/kg;He为给水焓,kJ/kg;Qe为给水流量.
2.2.9 总传热系数
蒸汽发生器总传热系数等于传热管束各热阻总和的倒数,这些热阻为:一次侧热阻、管壁热阻、污垢热 阻和二次侧热阻.一回路水对管壁的传热属管内紊流传热,可按迪图斯(Dittus)贝尔特(Boelter)公式计算.管壁热阻与管材的导热系数和管壁厚度有关,大亚湾核电站蒸汽发生器传热计算中管壁热阻占总传热热阻的50%左右,传热面积的大小主要决定于管壁热阻.污垢热阻一般对一回路不考虑,认为污垢主要集中在二回路,污垢热阻可取为0.088×10-4,m2℃/W.管壁对二回路工质的传热属于饱和水在管间的核态沸腾传热,可采用罗逊诺(Roshenow)大空间沸腾公式.表1中示出了大亚湾核电站蒸汽发生器在不同负荷下的总传热系数.
2.2.10 水位
大亚湾核电站每台蒸汽发生器设置4只水位传感器.1只宽量程传感器适用于从管板至旋叶式分离器之间所有可能的水位变化.3只窄量程传感器提供控制和保护通道的信号.所有4只传感器的水位信号都传至主控室,在记录仪上记录.而窄量程传感器的水位除在记录仪上记录外,还在水位指示器上显示.下面为宽量程和窄量程传感器上、下接头距管板上表面的距离:宽量程传感器上、下接头为16.329 m和0.429 m;窄量程传感器上、下接头为14.871 m和11.271 m.
一般,蒸汽发生器的水位距管板上表面的距离为13.071 m.
2.2.11 循环倍率与循环回路内的压力损失
循环倍率的定义为通过管束的汽水混合物质量流量相对于出口主蒸汽流量的比率.通过管束的汽水混合物质量流量,与进入上升通道的自然循环流量相等.在自然循环时,运动压头克服流动阻力.为了确定自然循环流量,可以把运动压头随流量的变化和流动阻力随流量的变化分别画成曲线,二条曲线交点处对应的自然循环流量下,运动压头与流动阻力相等.这样,循环倍率就可以确定了.一般认为,在全负荷时循环倍率应大于3.大亚湾核电站蒸汽发生器在全负荷时循环倍率为3.3.
循环回路中的压力损失如下:
单相:下降通道进口;下降通道摩擦阻力;管束进口(包括套筒窗口阻力、管束进口阻力和横向流动阻力).
两相:所有支撑板阻力、管束摩擦阻力、U形弯头阻力、断面缩口阻力和分离器阻力.
参考文献
[1] 丁训慎．蒸汽发生器二次侧的水循环与分析．核电站,2002,8:19．
[2] 丁训慎．蒸汽发生器传热计算与分析．核电站,2002,10:30．
[3] 夏林泉等．大亚湾核电站一、二号机组蒸汽湿度测量．核电工程与技术,1995,8(3):13．
[4] 张利强等．大亚湾核电厂热功率测量试验．核电工程与技术,1995,8(4):22．
[5] 戴忠华．核岛性能测试综述．大亚湾核电站建设经验汇编．
[6] 李晓学．给水流量控制系统的调试．大亚湾核电站建设经验汇编
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