CEFR蒸汽发生器水汽工况转换运行研究

总结归纳4次保护停堆事件详细过程，分析停堆原因，以直流蒸汽发生器的特性，指导今后蒸汽发生器水汽工况转换运行，确保实现后续满功率。同时也为今后直流式蒸汽发生器在中国快堆运行方面提供技术支持。在此该文还提出适合快堆主蒸汽系统设计方案，探讨中国示范快堆相关领域设计。

关键词：中国实验快堆 蒸汽发生器 给水流量 波动

中图分类号：TL43 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（a）-0103-03

1 蒸汽发生器运行工况简述

1.1 CEFR反应堆启动过程

CEFR反应堆开始启动时，两条环路的一、二次钠循环泵转速从150 r/min 提升到500 r/min，直到反应堆功率提升到40%额定功率水平为止。此后钠循环泵的转速与反应堆功率水平成线性关系增加，在提升功率的过程中流量始终超前。

反应堆功率在0.1%额定功率水平时，手动维持蒸发器的最小供水量（额定值的5%）和给水压力10 MPa，过热器隔离并充满氮气。伴随堆功率逐步提升，操纵员手动增加给水流量维持蒸汽发生器水工况运行。反应堆9.45%额定功率状态下实现蒸汽发生器水-汽工况过渡。CEFR采用降低给水泵转速的方法降低蒸发器给水压力、流量，使蒸发器中的水汽化并形成一定的过热度，当蒸汽温度达到330 ℃～340 ℃（压力8 MPa左右、过热度为20 ℃）时，即可接通过热器模块，整个启动过程图如图1所示。

1.2 CEFR蒸汽发生器运行工况

CEFR的技术人员结合CEFR系统设计独创提出主蒸汽系统和过热器采用“逐段倒暖”法，共涉及3种运行工况。

1.2.1 蒸汽发生器水工况

在反应堆启动前，首先对蒸汽发生器内保护气体——氮气进行排放，随后对蒸汽发生器水侧进出口管道进行预暖。预暖结束后，应立即向蒸汽发生器注水，反应堆即可启动。

1.2.2 蒸汽发生器水汽转换工况

蒸汽发生器在9.45%额定功率通过“降压汽化”方法完成水汽转换，具体过程为：按照0.1 MPa/min的速率降低蒸汽发生器给水母管压力由10 MPa至7 MPa。

1.2.3 蒸汽发生器汽工况

水汽转换工况结束后，堆功率维持不变，应立即投过热器，以便尽快实现蒸汽发生器的汽工况，最终形成反应堆3条回路系统匹配运行。该工况下具体过程细分为旁路系统投入、过热器排氮、预暖、疏水和过热器投入5个阶段。

2 水汽转换过程中4次停堆现象及分析

2.1 第一次保护停堆事件

CEFR现场按调试计划提升功率进行接通过热器的试验。试验前反应堆功率稳定运行，一、二回路主泵转速维持在500 rpm，三回路侧按照计划正在进行过热器蒸汽预热并准备连通过热器，下午13：55分发生保护停堆。对历史记录分析，此次非计划停堆的保护信号由“蒸汽发生器给水流量低低”引起。在过热器进汽接通的过程中，关闭疏水引起蒸发器出口压力升高，进而引发给水流量波动所致，造成停堆并联锁切除二回路对应的环路。热工参数趋势图如图2所示。

2.2 第二次保护停堆事件

CEFR三回路侧按照计划正在进行过热器蒸汽预热并准备连通过热器。在1#过热器已预热完毕后出现反应堆保护系统动作。

如图3所示，从压力变化趋势曲线可以得出，当压力由7.17 MPa上升至7.43 MPa时，引起流量变化从7.0 t/h至2.7 t/h，触发“给水流量低低”保护动作。

2.3 第三、四次保护停堆事件

三回路过热器蒸汽预热过程中。电动打开主蒸汽母管旁路阀引起“给水压力2#低低”保护停堆。

三回路按照操作票正在进行过热器蒸汽预热中，手动微开主蒸汽母管旁路阀引起“给水流量低”保护停堆。

2.4 4次保护停堆事件总结

4次保护CEFR停堆事件中直接原因为三回路系统进行阀门操作引起，因此，从理论上分析蒸汽发生器的结构特点，结合实际运行事件过程，能够总结出优化运行操作的措施。

2.4.1 CEFR蒸汽发生器结构特点浅析

CEFR蒸汽发生器是俄罗斯生产的直流式蒸汽发生器，与压水堆核电站自然循环式蒸汽发生器有本质的不同。从结构上比较，压水堆蒸汽发生器在水汽界面之间有较大汽腔并且布置有蒸汽汽水分离器；快堆直流式蒸汽发生器水汽空间在换热管内，无足够汽腔。从原理上比较，压水堆蒸汽发生器由于采用了自然循环，其工作原理为池式沸腾原理，二回路水属于自然循环加热过程。而快堆直流式蒸汽发生器是基于流动沸腾原理，即三回路水在管内强迫流动，与蒸汽发生器传热管外流动的钠进行强制对流换热。这表现在，CEFR蒸汽发生器在水汽转换后，其出口压力波动非常明显。压水堆核电站蒸汽发生器由于汽腔的存在，使这一影响并不显著。

水汽转换过程中蒸汽发生器采用两环路运行，快堆作为实验堆其热功率较小，单环路给水流量最高不超过50 t/h，相应的抗干扰能力较差。此外，电动开启过程中由于阀门控制精度不高易出现电动阀门开度过大，给水流量和给水压力大幅波动的现象。因此，由于系统设计功率低，无论是电动开启阀门还是手动开启阀门均易引起压力流量波动也是导致触发给水流量低保护的原因之一。

2.4.2 4次保护停堆分析小结

第三次停堆，直接原因为电动开启旁路阀，阀前蒸汽压力与阀后暖管管道压力相差较大，势必导致蒸汽发生器压力产生巨大波动，直接造成“压力低低”保护停堆，这与CEFR因工艺阀门原因加大系统不可靠因素一致。其余三次保护停堆，均与“给水流量低”有关，这与之前分析CEFR主蒸汽系统不稳定，蒸汽发生器波动较大結果一致。此外，给水泵作为三回路蒸汽系统唯一动力来源，其受到蒸汽发生器压力波动影响从而改变其原有特性运行，导致出口流量波动，有直接关系。

比较前两次停堆蒸汽发生器热工参数趋势图，可以明确看到通过改变工艺操作，将系统中的疏水阀全部改为手动微调，可以减轻主蒸汽系统中压力和流量波动。但不能完全根除较大波动现象，第四次保护停堆即可证明。

3 运行中方法改进

综观前两节所述：“给水流量低”引起保护停堆，成为水汽转换过程中难以逾越的门槛，该文总结并网发电期间调试和运行两方面经验，对系统工艺设计和运行方式提出3点需要改进优化之处。

3.1 CEFR主给水系统管道工艺改造

CEFR主给水管道实际安装情况是4台给水流量计布置处管道弯头较多，容易积存空气而触发仪表测压管的压力波动，进而可能诱发虚假的流量波动信号。这与差压式流量计安装要求不符，为排除仪表受到干扰引起给水流量波动，现场运行人员在给水管道上加装排空气管线。

3.2 运行操作优化

根据该文对4次保护停堆事件的分析结果，考虑到CEFR直流式蒸汽发生器无足够汽腔特点，应扩大蒸汽发生器汽腔边界，将主蒸汽系统中若干段管道纳入蒸汽发生器“内部空间”。这样增大了蒸汽发生器的汽容积，有利于在蒸汽流出该汽腔时，缓解流量波动。在对阀门操作“缓慢”基础上，优化运行操作方法如下。

（1）将给水调节阀变为控制蒸汽发生器汽腔的重要边界阀门。在第一次停堆前为保证蒸汽发生器内水汽工况转换顺利进行，使用给水泵作为给水压力主要降低手段，给水调节阀并未作为辅助降压手段进行调节。第一次停堆后，将给水调节阀差压提高至2.0～2.5MPa将给水调节阀作为节流件使用。

（2）在现场操作阀门前确保操作阀门前后管道内蒸汽压力相大致平衡。在过热器投运前暖管时，先微开暖管段管道前电动阀门，后开微启疏水阀完成暖管操作。在开启主蒸汽系统主管道电动阀时，需要在现场核查过热器管道温度与蒸发器管道温度基本一致，再检查汽机旁排阀状态，确认主蒸汽母管内蒸汽压力与蒸发器出口蒸汽压力较为接近。这样可将阀门开关操作引发系统参数波动影响降至最低。

（3）运行操作顺序优化。

①改进主蒸汽系统中双道连通阀操作，即提前开启一道阀门，在系统具备投运时再开启另一阀门，这样可以保证两阀之间管道有充分时间预热，将一台阀门作为一段管道投运的边界阀门，减少双道阀门操作风险。

②对于过热器出口隔离阀在暖管后关闭，在过热器投运后须要再次开启的频繁操作步骤，简化运行。这样可在过热器投运过程中，排除因隔离阀只能快速全开全关特点而引起系统状态剧烈变化。

3.3 CEFR主蒸汽系统阀门管路改造

4次停堆事件中，为避免由于操作旁路联通阀引发的保护停堆现象，可以设计旁路管线，如图4所示。在最大压差情况下，通过节流孔板的设计可以避免大流量蒸汽从蒸发器中流出，从而减缓了给水流量波动现象。操作步骤为：在开启或关闭4台电动阀时，先对其旁路进行操作。

4 结论

该文从直流蒸汽发生器的特性入手，通过分析4次保护停堆事件的过程，提出改进蒸汽发生器水汽工况转换运行方法，在此基础上优化主蒸汽系统设计。主要有以下结论。

（1）该文分析了CEFR直流式蒸汽发生器和主蒸汽系统结构特点，说明了在进行蒸汽发生器水汽工况转换时，给水流量易引起波动是系统内在特性。

（2）该文表明通过正确的运行方式和系统改造可以缓解水汽工况下给水流量产生的较大波动，初步理论计算结果表明能够将给水流量波动控制在20%之内，不引起反应堆停堆保护动作。

（3）该文结合实际运行提出对现有主蒸汽管道阀门采用另加旁路的设计思路，可进一步缓解电动阀开启（电动和手动）时对系统产生波动，可以减轻现场人工操作，安全可靠，优化主蒸汽系统运行。

參考文献

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