自然循环蒸汽发生器的运行原理和运行参数

1、核电站2003年第2期 专论与译文 15 自然循环蒸汽发生器的运行原理和运行参数核动力运行研究所 丁训慎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进口温度基本不变一回路平均

2、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图1 大亚湾核电站一回路平均温度控制图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系统的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一回路系统压力维持在15.5 MPa根据不同的负荷一回路平均温度如图1所示在291.4至310.0之间变化根据不同的负荷稳压器水位在20%至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

3、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行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专论与译文 核电站2003年第2期 16 变化成反比即负荷下降循环倍率增大 1.4 蒸汽发生

4、器的水位在上升通道中是汽水混合物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蒸汽进入给水环在给水管道中会产生水锤的危险会使循环倍率降低上升通道中蒸汽含量过高会在管壁产生蒸汽膜和杂质沉积会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的开度来改变给水流量一般有下列3种方式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图2 水位串级控制简图主从控制通道串级控制蒸汽发生器水位调节采取了串

5、级控制方式子通道为流量控制通道主通道为水位控制通道见图2所示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蒸汽流量一旦变化给水流量相应地作出调整避免水位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给水大流量和小流量的调节阀开启度进行调节对每台蒸

6、汽发生器个别调节速度较慢路给水调节阀隔离阀和仪表控制回路此外3台蒸汽发生器共用2台汽动给水泵一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辅助给水在下列情况下被使用在启动和一回路温度上升阶段给水加热器不能使用在热停堆阶段不再允许使用给水流量控制系统时核电站2003年第2期 专论与译文 17 为了向冷停堆过渡并达到余热冷却系统投入运行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

7、热直至达到余热冷却系统投运条件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每台机组有一个贮水箱一套唧送装置和一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一个流量调节阀送入蒸汽发生器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等出口蒸汽压力如图1所示它与

8、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二次侧的主蒸汽管线上安装有7台安全阀它们的功能是通过排除蒸汽来防止一回路系统的超压和过热通过限制蒸汽量和速率来防止堆芯过冷出口蒸汽湿度对提高汽轮机的效率和可靠性影响很大蒸汽的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对汽轮机叶片的冲刷和腐蚀作正确评估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蒸汽发生器中被浓缩使蒸汽发生器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

9、水可输送到凝汽器热井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在排污泵出口有一只调节阀按排污扩容器的水位自动调整阀门的开度当发生一次侧水漏入二次侧时放射性监测器将在几分钟内报警告知在排污水中存在放射性物质每台蒸汽发生器的排污隔离阀前装有自动连续取样装置这个装置用于检测蒸汽发生器的泄漏并进行排污水的调节净化处理后排污水的放射性足够低低于55.5 Bq/kg排污水可返回到主凝汽器热井也可将排污水经处理后向环境排放根据蒸汽发生器的水化学要求排污率为蒸汽量的1%到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

10、化器以及排污后过滤器然后到凝汽器热井或向外排放对排污水进行定期取样和分析以确定排污率是否需要调整以保持二次侧水化学指标在规定限度内是否存在一次侧向二次侧的泄漏需要采取纠正措施是否应改变排污水的处理方法2. 运行参数 2.1 一次侧运行参数出口温度一次侧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四个温度传感器其中一个为热电偶温度传感器宽量程范围为0350主要用于监视堆芯冷却情况另三个为热电阻式温度传感器一个用于保护通道一个用于控制通道一个留着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

11、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专论与译文 核电站2003年第2期 18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共用一段带有流量计的回流管线在蒸汽发生器与主泵之间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次侧水进出口温度图3 一次侧水进出口温度

12、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一次侧水在主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次侧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次侧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次侧水的流量进行了验证表1 大亚湾核电站蒸汽发生器在设计条件下不同负荷时的一次侧水进出口温度负荷总传热系数W/m2二次侧饱和温度 一次侧进口温度 一次侧出口温度291.28 291.23 291.32 291.56主泵电功

13、率法通过测量每一环路主泵单独运行时的电功率W 1弯管流量计压差P 1和三台主泵同时运行时该环路主泵的电功率W 3和弯管流量计压差P 3就可以计算出三台主泵同时运行时该环路的流量Q3三个环路的一次侧水流量之和即为流过反应堆的总流量测量结果见表2表2电功率法和弯管流量计法的测量结果 环路流量m 3/h 总流量环路1环路2环路电功率法78042 弯管流量计法2518474540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次侧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P 流量与压差存在一定的关系由此可以得到一次侧水流量与

14、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次侧水流量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核电站2003年第2期 专论与译文 19 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次侧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一次侧压力损失包括摩擦阻力和局部阻力两部分具体为水室进口管束进口管束中摩擦阻力管束出

15、口和水室出口的压力损失一次侧进出口压差测点一般安装在蒸汽发生器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在额定负荷下一次侧压力损失为307. 8 kPa2.2 二次侧运行参数如图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三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过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在每台蒸汽发生器的蒸汽输出管道的入口处装有一

16、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给水温度在蒸汽发生器给水入口处直接测得表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饱和蒸汽压力和饱和蒸汽温度是根据一次侧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次侧的热量而得出的可用热工水力分析程序来计算在蒸汽发生器运行中如果蒸汽量大于需要量汽机不能耗用过多的蒸汽而使二次侧饱和蒸汽压力和饱儿蒸汽温度升高降低了传热温差接着蒸汽量下降所以蒸汽发生器中的传热由改变二次侧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