自然循环蒸汽发生器的运行原理和运行参数.pdf

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 蒸汽发生器的水位 1.4.1 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引起汽轮机叶片的腐蚀 1.4.2 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 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 1.5.1 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汽发生器个别调节速度 较慢 1.5.2 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一个主给水调节阀一个旁 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 1.5.3 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 2.1.1 一次侧水进出口温度 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 2.1.2 一次侧水流量 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/m 2 二次侧饱 和温度 一次侧进 口温度 一次侧出 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 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P1和三台主泵 同时运行时该环路主泵的电功率 W3和弯管流量计 压差P3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 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 3 电功率法 26347 25241 26454 78042 弯管流量计法 24813 24543 25184 74540 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 2.1.3 一次侧水压力 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 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 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 部分具体为水室进口管束进口管束中摩擦 阻力 管束出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 kPa 2.2 二次侧运行参数 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 2.2.2 主蒸汽流量 在每台蒸汽发生器的蒸汽输出管道的入口处 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 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 表示了不同负荷下的二次侧饱和蒸 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 减去下列几种压力损失 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在上封头内与出口蒸汽管内包括限流 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 浓度就可以确定出口的蒸汽温度如果在凝结水泵 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 表 3 3 大亚湾核电站不同负荷时的给水温度 专论与译文 核电站2003 年第 2 期 20 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发生器内的蒸汽湿度 为了得出出口蒸汽湿度必须对测量值进行换 算例如大亚湾核电站一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计算而得到的 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=XHes1XHvsHeQe 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/kgHe为给水焓KJ/kgQe 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次侧水对管壁的传热属 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不考虑一次侧的污 垢热阻认为污垢主要集中在二次侧污垢热阻可 取为 0.08810 -4 m 2 /W管壁对二次侧工质的传 热属于饱和水在管间的核态沸腾传热可采用罗逊 诺Rohsenow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四只水位 传感器一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三只窄量程传感 器提供控制和安全保护通道的信号所有四只传感 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