中国实验快堆三回路主参数选取浅析

摘 要 本文介绍了中国实验快堆二、三回路的匹配以及三回路参数选取，通过分析讨论提出了对示范快堆三回路参数选取的一些看法以及大的原则，对示范快堆的相关设计具有一定的借鉴作用。

关键词 中国实验快堆；主参数；三回路

中图分类号 TM613 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）167-0236-02

中国实验快堆（CEFR）设计的额定热功率65MW，电功率20MW，采用钠-钠-水（汽）三回路系统。一回路为一体化池式结构，二回路由两个环路并联运行，三回路为设有一台装机容量为25MW汽轮发电机组的蒸汽动力转换系统。我国快堆拟按照“实验快堆、示范快堆、商用快堆”三步走的战略发展，以CEFR为基础和参考，结合CEFR设计、建造和运行所积累工程经验，进行60万千瓦示范快堆（CFR600）设计研发工作，继而形成可商用推广的钠冷快堆型号。

CEFR三回路的参数在概念设计阶段是由西安交通大学（简称西交大）在调研了当时国内发电装备后提出的，到了初步设计阶段这项工作转由北京核工业设计院（简称核二院）进行设计。在概念设计阶段，三回路提出的主要设计参数为：汽轮机进汽温度480℃/给水温度225℃/汽轮机进汽压力9.81MPa。在1993.4.7-24的中俄北京会谈时，中方提出的三回路参数为480℃/190℃/9.81MPa，而最终俄罗斯经过蒸汽发生器（SG）计算分析给出的设计参数是480℃/190℃/14MPa（此为蒸汽发生器水侧参数，三回路应为470℃/190℃/13MPa）。主要参数发生如此巨大的变化是有必要去探究的，由此引出对主要参数匹配以及三回路参数选取等问题的讨论分析，将有助于CFR600二、三回路的设计接口工作，实现二、三回路参数实现良好匹配。

1 概念设计阶段的技术方案

概念设计时西交大通过与二回路和杭州汽轮机厂等方面协商，确定了如下参数[ 1 ]：

1）汽轮机进汽压力初选7.76MPa、8.82MPa、9.81MPa，最后选定9.81MPa。

理由：（1）蒸汽发生器安全要求，即钠侧与水侧干饱和蒸汽的温差小于120℃；（2）汽轮机为非标产品，杭州汽轮机厂生产的“积木式”汽轮机基本满足CEFR要求，若进一步提高初压，会使末级湿度增加，危害汽轮机安全。

2）汽轮机进汽温度480℃。

理由：蒸汽发生器进口钠温500℃，考虑蒸汽发生器端差，确定汽轮机进汽温度为480℃。

3）给水温度225℃。

理由：当时国内高压机组的给水温度范围为210℃～230℃，经与二、三回路协调选择225℃。

4）汽轮机排汽压力分别为0.006？5MPa（水冷）和0.01MPa（空冷）。

理由：无说明。

2 CEFR三回路主参数的选取

参考GB754-1965[2]（此标准适用于750kW～200？000kW，蒸汽压力为13～130绝对大气压的固定式发电用汽轮机）：

1）固定式发电用凝汽式汽轮机的基本参数应符合：

对于功率（发电机端出力）为25？000kW的发电机组可以选择的出蒸汽参数有35ata（初压）/435℃（初温）和90ata/535℃两组，其中35ata/435℃被标准推荐采用。

2）固定式发电用汽轮机的给水加热温度应符合：

对于功率为25？000kW～100？000kW的发电机组给水加热温度应选择215℃。

3）汽轮机的铭牌出力为最大连续出力。凝汽式汽轮机的经济出力与铭牌出力的关系应符合：

对于功率为12？000kW～25？000kW的发电机组经济出力与铭牌出力的百分比为80%。即20？000kW为25？000kW发电机组的经济出力。

从以上3点要求来看，CEFR在概念设计及初步设计时，参考了国内相似容量机组的参数，同时根据二回路的要求做了相应调整。

2.1 汽轮机进汽温度

3种方案都是由蒸汽发生器所决定的。前两次方案均为480℃，最后方案为470℃，这主要是因为蒸汽发生器进口钠温从500℃调整到了495℃。

2.2 汽轮机进汽压力

中方的前两次方案都是结合国内同等级机组的8.82MPa/535℃选择的，尽管标准里不推荐采用，但相比起标准里推荐选取的3.43MPa/435℃来说，由于蒸气发生器水侧高压的要求而选定了较高的压力，而经过计算比较后选择了9.81MPa。最终压力的选定是由蒸汽发生器的计算决定的——俄罗斯蒸汽发生器的实验结果得出其临界热流密度必须小于0.67MW/m2，压力提高到14MPa时满足了蒸发器的要求。这样，考虑到蒸发器阻力和相应管道阻力再加上一定的裕量，汽轮机的进汽压力最终定为13MPa。

2.3 给水温度

按标准25MW机组的给水温度为215℃，概念设计时的方案也是根据当时国内高压机组的给水温度范围为210℃～230℃，选为225℃。而之后的方案全部定为190℃，通过查阅相关资料和以及对热力系统的了解，初步认为是由取消高加所致。理由：1）超凤凰堆要求给水最低温度为150℃，即在钠的熔点以上[3]，CEFR应该也有相同的考虑，故给水温度应至少大于150℃；2）对照概念设计和之后的流程图发现，系统取消了高加，这主要是因为高加给系统带来的复杂性和不安全性所决定的，即：为了保证系统的安全可靠采取了牺牲效率的做法。俄罗斯现役快堆的高压加热器系统存在多次泄漏异常事件，因此俄方在BN-800技术方案中对高压加热器系统进行了修正。即高压加热器在主给水泵前，水侧压力稍大于4MPa，以减小泄漏的可能性；3）对于取消了高加的热力系统，除氧器下给水箱内的水温即可近似认为是给水温度（实际应该再加上给水泵焓升所导致的温升），这样CEFR的给水温度就取决于除氧器出口水温。国内压力式除氧器在定压运行时的额定工作压力一般都采用0.588MPa（绝对压力，6ata），其相应加热后的除氧水的出口温度为158℃[4]。CEFR最终采用了1.16MPa/190℃的设计。

2.4 汽轮机排汽压力（冷凝器真空）

概念设计时，简要提出了0.006？5MPa和0.01MPa两种参数，分别对应水冷和空冷的技术路线。由于最终选择的是水冷的技术路线，本文对于空冷的排汽压力不做讨论。

GB754-1965提到，凝汽式汽轮机的冷却水温度有10℃、15℃、20℃、27℃四种标准级差，除用户提出要求外，一般以20℃及10℃为设计值（1？500kW及以下机组一般以27℃为设计值）。当在经济工况和冷却水温度为20℃时，冷凝器汽侧压力25？000kW以上机组应不高于0.05绝对大气压，12？000kW以下机组应不高于0.065绝对大气压。

显然，对于水冷方案采用了真空度较差的0.006？5MPa（相应的经济性也差），主要是考虑了汽轮机在9.81MPa/480℃这样的进汽条件下，通过提高冷凝器内的凝结压力来减轻湿蒸汽对末几级叶片的危害。而CEFR最终排汽温度定为0.02MPa（对应的冷凝温度为60℃），远高于标准的要求，主要是因为进汽压力提高到了13MPa，末几级叶片的工作环境急剧恶化，只有提高排汽压力才能满足末级叶片对湿度的要求。另外，《中国实验快堆最终安全分析报告》中也提到：虽然汽轮机的进汽温度470℃比相同压力下火电汽轮机的标准进汽温度535℃要低。为简化系统，降低造价，不设中间汽水分离和再热系统，而将汽机排汽压力提高到0.02MPa（降低发电量），以保证汽轮机安全可靠的运行。

2.5 除氧器参数

在CEFR初步设计时，由《初步设计参数汇总表》查得除氧器的相关参数如下：

设计压力为1.3MPa，设计温度为190℃，蒸汽压力为1.8MPa，蒸汽温度为250℃～280℃，额定出力为120t/h。

根据JBT10325-2002相关要求[ 5 ]：

定压运行除氧器的设计压力不应低于额定工作压力（190℃水对应的饱和压力为1.26MPa，对应的表压为1.16MPa）的1.3倍，在CEFR中：1.16×1.3=1.508MPa，选定1.52MPa。

除氧器的设计温度不应低于下列2个温度中的较大值：1）汽轮机在最大连续输出功率下运行时除氧器所采用的回热抽汽温度（CEFR中此值为264.2℃）；2）除氧器在启动或低负荷运行时所采用的辅助蒸汽温度（CEFR中此值为330℃）。故选定330℃。

除氧器的额定出力不应低于锅炉在最大连续蒸发量运行时所需给水消耗量的105%，在CEFR中：96×1.05=100.8t/h，选定110t/h。

因此，CEFR除氧器的最终参数为：设计压力为1.52MPa，设计温度为330℃，运行压力为1.16MPa，运行温度为190℃，额定出力为110t/h。

3 结论

通过上述对CEFR三回路主要参数选取过程和方法的讨论，可以看出：对于三回路来说，除了二、三回路的边界——蒸汽发生器外，最重要的设备就是汽轮机，而蒸汽发生器的参数是由俄罗斯提供的并且轻易不会改动，否则要花费大量时间和金钱去俄罗斯的台架上做试验。因而蒸汽发生器的参数变动的幅度很小，其决定了汽轮机的进汽参数和给水温度，而汽轮机的主要参数决定了三回路其他主要设备的设计选型。

在CFR600设计时，由于示范堆必须考虑技术经济问题，三回路参数的选择除了考虑和二回路参数的匹配外，还应重点考虑整个发电装置的效率以及经济性。这样就要求对蒸汽发生器和汽轮机的参数选择并重，对不同方案进行经济性分析，从而确定合适的参数。同时，CFR600三回路参数选取时还应考虑以下几点：

1）总的原则应遵循：理论计算为指导，标准法规为纲要，技术经济比较定案。

2）二、三回路参数匹配时，要重点关注蒸汽发生器的热工参数和设计限值。如临界热流密度、钠侧与水侧干饱和蒸汽的温差等。

3）快堆主蒸汽参数介于同等规模火电机组和核电机组之间，考虑到核电汽轮发电机组的特点，应对比分析全转速汽轮机（3？000r/min）和半转速汽轮机（1？500r/min）两种机型对CFR600的技术经济适用性。

参考文献

[1]庄贺庆，武学素，等.蒸汽回路系统.核科学与工程，1991，11（3）：105-117.

[2]GB754-1965 汽轮机参数系列.

[3]快堆研究编辑部.快堆研究，1985（8）：84.

[4]蔡锡琮，蔡文钢.火电厂除氧器.北京：中国电力出版社，2007：87.

[5]JBT10325-2002 锅炉除氧器技术条件.

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