大型核電站啟動電鍋爐選型優(yōu)化分析

顧先青，劉加合，包桓銘,劉 馳

(上海核工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200233)

當(dāng)前世界上已投運(yùn)或在建的核電站中，大型壓水堆核電站占75%以上。一座核電站會設(shè)計(jì)啟動鍋爐，為核電站啟動階段提供汽源，用于加熱主給水及供給汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)和其他蒸汽用戶等；對于北方地區(qū)，還要考慮廠區(qū)供暖熱負(fù)荷。當(dāng)堆功率上升到一定平臺,如5%后，可以穩(wěn)定提供核(主)蒸汽后，電鍋爐就會被置于熱備用狀態(tài)。因?yàn)殡婂仩t啟動快捷、環(huán)保，國內(nèi)外核電站大多數(shù)都設(shè)計(jì)了電鍋爐，但其缺點(diǎn)是造價較高[1-2]。

核電站啟動電鍋爐熱用戶類型多，涉及專業(yè)多，涵蓋核安全、暖通、動力、供暖等標(biāo)準(zhǔn)；還存在南方與北方廠址差異、機(jī)組容量差異、用戶需求差異等因素，往往導(dǎo)致電鍋爐選型容量存在較大差異。一般一個核電站至少設(shè)計(jì)兩臺啟動電鍋爐，投資約五千萬元。有必要對啟動電鍋爐的設(shè)計(jì)選型進(jìn)行分析，合理分析熱用戶容量，達(dá)到選型合理又能控制造價的目標(biāo)。

1 啟動電鍋爐系統(tǒng)及其熱用戶

圖1為某核電站啟動電鍋爐系統(tǒng)流程簡圖，該啟動電鍋爐系統(tǒng)為2×50%的浸沒式高壓電極蒸汽鍋爐。電鍋爐分內(nèi)外筒，內(nèi)筒形成電場，含有電解質(zhì)的爐水在封閉電場內(nèi)導(dǎo)電后產(chǎn)生蒸汽，除自用外，通過聯(lián)箱向外供汽；外筒的水通過循環(huán)水泵進(jìn)行循環(huán)，以保證鍋爐內(nèi)外筒溶液充分混合。每臺鍋爐設(shè)置兩臺一用一備的給水泵補(bǔ)水，設(shè)置一個共用熱力除氧器。該鍋爐可實(shí)現(xiàn)一鍵啟停，每臺鍋爐均裝有電加熱器，用于維持熱備用狀態(tài)下的溫度。

圖1 核電站啟動電鍋爐系統(tǒng)圖Fig.1 System of startup electric boiler of nuclear power plants

啟動電鍋爐主要功能就是產(chǎn)生蒸汽匯入輔助蒸汽管網(wǎng)，作為輔助蒸汽系統(tǒng)的一路汽源，其主要用戶見圖2所示。

圖2 核電站啟動電鍋爐蒸汽用戶Fig.2 Steam users for the startup electric boiler of nuclear power plants

啟動電鍋爐蒸汽用戶主要有五類，見圖2中的*1～*5,其中，*1是除氧器啟動加熱主給水用汽熱負(fù)荷Qa1,t/h；*2是汽輪機(jī)軸封用汽熱負(fù)荷Qb2,t/h；*3是廠房內(nèi)熱水加熱系統(tǒng)用汽熱負(fù)荷Qc3,t/h；*4是廠址廢物處理設(shè)施去污用汽熱負(fù)荷Qd4,t/h；*5是廠區(qū)及廠房外供暖用汽熱負(fù)荷Qe5, t/h；設(shè)計(jì)上，這五類熱用戶的最大熱負(fù)荷之和為啟動電鍋爐基本設(shè)計(jì)熱負(fù)荷Q0,t/h，作為啟動電鍋爐設(shè)計(jì)選型的輸入。

2 啟動電鍋爐設(shè)計(jì)熱負(fù)荷計(jì)算分析

本節(jié)對五類熱用戶負(fù)荷(Qa1、Qb2、Qc3、Qd4、Qe5)進(jìn)行計(jì)算分析，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算出啟動電鍋爐設(shè)計(jì)熱負(fù)荷Q0。

2.1 除氧器加熱主給水用蒸汽熱負(fù)荷Qa1

除氧器加熱主給水用汽是在機(jī)組冷啟動初期，需要通過電鍋爐提供輔助蒸汽加熱提升主給水溫度，一方面使水的氧含量降低，另一方面也減小蒸汽發(fā)生器一、二次側(cè)溫差，減小熱應(yīng)力。隨堆功率的提升，主給水量逐漸增大，除氧器所需的加熱蒸汽量也隨之增大。

采用熱平衡法計(jì)算Qa1，按30 ℃的凝結(jié)水進(jìn)入除氧器，經(jīng)過輔助蒸汽(1.3 MPa 飽和蒸汽，溫度196 ℃)加熱后，達(dá)到115 ℃以上，成為滿足核島蒸發(fā)器上水要求的主給水。

以某1 000 MW核電站為例，5%的堆功率對應(yīng)主給水流量為212 t/h，輔助蒸汽焓HASS為2 781 kJ/kg，除氧器內(nèi)115 ℃主給水溫度HD為482 kJ/kg，30 ℃的凝結(jié)水焓Hn為84 kJ/kg，熱平衡計(jì)算出Qa1為36.8 t/h。

2.2 汽輪機(jī)軸封用蒸汽熱負(fù)荷Qb2

汽輪機(jī)軸封蒸汽是將輔助蒸汽通入汽輪機(jī)大軸端部汽封，起到隔離外界空氣與凝汽器內(nèi)部空間的作用,維持凝汽器真空。軸封蒸汽熱負(fù)荷Qb2作為啟動電鍋爐的設(shè)計(jì)輸入，可直接采用汽輪機(jī)廠家提供的數(shù)據(jù)，再采用一些經(jīng)驗(yàn)算法進(jìn)行適當(dāng)修正[3]。同樣以某1 000 MW核電站為例，汽輪機(jī)說明書里接口提資明確要求軸封蒸汽熱負(fù)荷Qb2為 20 t/h。

2.3 熱水加熱系統(tǒng)熱負(fù)荷Qc3

熱水加熱系統(tǒng)用來為核電站核島安全殼、輔助、附屬、放射性廢物廠房和汽輪機(jī)廠房采暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)提供熱源，包括空氣處理機(jī)組加熱器和風(fēng)管熱水盤管。

目前，國內(nèi)核島核常規(guī)島暖通設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系(如室外氣象參數(shù)的選取)不統(tǒng)一[4]，核島一般選用美標(biāo)、歐標(biāo)體系，常規(guī)島采用國標(biāo)，導(dǎo)致即使地理位置接近的核電站，對計(jì)算出的暖通熱負(fù)荷也存在著較大差別。選取外部環(huán)境溫度后，根據(jù)核島、常規(guī)島及BOP的廠房接口及數(shù)據(jù)，確定出設(shè)計(jì)熱負(fù)荷QY，通過式(1)換算為熱水加熱系統(tǒng)熱負(fù)荷Qc3。

Qc3=3.6×QY/HASS

(1)

式中：QY——核電站熱水加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW；

HASS——輔助蒸汽焓。

以某個核電站為例，QY為7 900 kW，按式(1)計(jì)算得Qc3約為11 t/h蒸汽。

2.4 廠址廢物處理設(shè)施去污用蒸汽熱負(fù)荷Qd4

一個核電站一般設(shè)計(jì)一個廠址廢物處理設(shè)施(SRTF)，用于處理高放的廢固物/樹脂、帶有放射性沾染的工器具、防護(hù)用品的清潔去污及相關(guān)檢測維修工作，包括去污設(shè)備、熱檢修車間、去污水槽、熱沖淋、熱盥洗等正常使用所需的蒸汽。相比前面幾個熱用戶，SRTF用蒸汽熱負(fù)荷較小，對于國內(nèi)大型核電站，Qd4通常按1～3 t/h蒸汽量進(jìn)行選取設(shè)計(jì)。

2.5 廠區(qū)及廠房外供暖熱負(fù)荷Qe5

廠區(qū)及廠房外供暖僅適用于北方嚴(yán)寒廠址，用于辦公樓、食堂、檢修廠房、員工備班宿舍、車庫、倉儲等子項(xiàng)，根據(jù)建筑維護(hù)面積來確定熱負(fù)荷，按國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 50019-2015工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范選取計(jì)算。

以北方某1 000 MW核電站為例，暖通專業(yè)按廠址、廠房情況，平均傳熱系數(shù)選取6.5 W/m2·℃，建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)總的統(tǒng)計(jì)面積40 000 m2，室內(nèi)溫度18 ℃，室外溫度為-5 ℃，核算出核島廠房外供暖熱負(fù)荷約為8 000 kW，計(jì)算出Qe5約11 t/h。南方廠址無供暖需求，該項(xiàng)為0。

綜上所述，按2.1～2.5節(jié)的分析計(jì)算結(jié)果，將上述五類熱負(fù)荷數(shù)據(jù)代入式(2)，得出啟動電鍋爐基本設(shè)計(jì)熱負(fù)荷Q0：

Q0=Qa1+Qb2+Qc3+Qd4+Qe5=36.8+20+11+3+11=81.8(t/h)

(2)

對有供暖需求的北方廠址，核電站的啟動電鍋爐基本設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為81.8 t/h，對無供暖需求的南方廠址，Qe5=0，則基本設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為81.8-11=70.8 t/h，因此通過計(jì)算，當(dāng)前啟動電鍋爐設(shè)計(jì)容量約為70.8～81.8 t/h，這也與當(dāng)前國內(nèi)多數(shù)大型核電站實(shí)際情況相符。

3 影響啟動電鍋爐選型的相關(guān)因素分析

3.1 主給水泵耗功產(chǎn)熱減容ΔQ1

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上，一般不考慮設(shè)備運(yùn)行引入系統(tǒng)的熱量，如主給水泵功耗產(chǎn)熱，主給水泵是核電站二回路功率最大的設(shè)備，機(jī)組啟動時，至少一臺主給水泵已小流量運(yùn)行持續(xù)向核島供水。在啟動階段，由于主給水流量低，主給水泵功耗就轉(zhuǎn)化為熱能儲存在水系統(tǒng)中，起到加熱除氧器中主給水的作用，其產(chǎn)生熱量可以等效掉啟動電鍋爐提供的部分輔汽量。

以某1 000 MW核電站為例，一臺給水泵耗功換算到輔汽量Qp，t/h，用式(3)計(jì)算[5]。

(3)

式中：γ——水的重度,9 810 kg/(m2·s2)；

Qrec，Hrec——主給水泵運(yùn)行再循環(huán)小流量及揚(yáng)程，分別為0.31 m3/s(1 100 t/h),1 200 m；

η1，ηm——水泵效率、電機(jī)效率，分別為0.9，0.98。

計(jì)算得出Qp為5 t/h；因此，單臺主給水泵功耗產(chǎn)熱可以等效5 t/h的輔助蒸汽量，從而減小啟動電鍋爐設(shè)計(jì)容量ΔQ1=Qp=5 t/h。

3.2 軸封用汽及除氧器加熱用汽切換到核(主)蒸汽順序減容ΔQ2

經(jīng)調(diào)研，啟動電鍋爐的兩個常規(guī)島蒸汽用戶(Qa1、Qb2)存在切換順序的交替，即除氧器加熱用汽和軸封用汽切換在時間上不同步，存在先后次序。對于輔助蒸汽在多少堆功率平臺可以將其切換到核(主)蒸汽提供，國內(nèi)沒有統(tǒng)一，有的4%堆功率，有的5%堆功率，這也是導(dǎo)致電鍋爐容量差異較大的主要因素之一。一般對于國內(nèi)核電站，軸封用汽切換到核(主)蒸汽的功率平臺(堆功率3%平臺前)要早于除氧器加熱主給水用汽切換平臺(堆功率4%～5%)，也就是說，在堆功率達(dá)到3%后，軸封蒸汽用汽Qb2(20 t/h)就可以切換到核(主)蒸汽供給了，這樣在堆功率達(dá)到4%～5%時，啟動電鍋爐原本供給軸封蒸汽用汽Qb2(20 t/h)已可以供給除氧器加熱主給水使用?？紤]上述兩個熱用戶的切換順序，可以把3%堆功率平臺下計(jì)算的除氧器加熱用汽Qa1作為啟動電鍋爐容量設(shè)計(jì)輸入，而不是原先4%～5%堆功率下計(jì)算的Qa1，這樣Qa1就會相應(yīng)減??；以1 000 MW核電站為例，5%堆功率對應(yīng)的主給水流量為212 t/h，而3%堆功率對應(yīng)的主給水流量僅為165 t/h，經(jīng)熱平衡計(jì)算，輔助蒸汽的需求量從36.8 t/h下降至25 t/h，相當(dāng)于啟動電鍋爐減容ΔQ2=36.8-25=11.8 t/h。目前，已有壓水堆核電站在1%堆功率平臺就執(zhí)行完軸封蒸汽切換到核(主)蒸汽的先例，越早完成軸封蒸汽切換，啟動電鍋爐設(shè)計(jì)減容就越大。

3.3 熱水加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化減容ΔQ3

針對南方廠址環(huán)境溫度高，熱水加熱系統(tǒng)可以較北方廠址進(jìn)行優(yōu)化減容，取消或減低部分空調(diào)熱水系統(tǒng)熱負(fù)荷，這樣啟動電鍋爐設(shè)計(jì)所需容量也會相應(yīng)降低。如北方廠址單機(jī)組熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷原為7 900 kW，如果同樣堆型選址在南方，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷會大幅降低到減小50%以上，約4 000 kW，帶入式(1)，得出啟動電鍋爐減容量ΔQ3約為5 t/h。

3.4 除氧器蓄熱因素ΔQ4

大型核電站除氧器水裝量在600 t 左右，容器金屬凈重達(dá)數(shù)百噸，體積巨大，具有極強(qiáng)蓄熱能力；機(jī)組啟動時，通過啟動電鍋爐來提供輔助蒸汽加熱，詳見2.1節(jié)。設(shè)計(jì)要求除氧器水溫至少達(dá)到115 ℃才滿足蒸發(fā)器上水要求(含氧量)，在反應(yīng)堆功率低且啟動電鍋爐出力足夠時，操縱員一般會將除氧器水溫控制在140 ℃以上，較115 ℃的設(shè)計(jì)溫度留有一定裕量。隨堆功率緩慢提升，主給水流量也隨之緩慢增大，當(dāng)啟動電鍋爐出力達(dá)到最大致使再無法增加輔汽時，操縱員會發(fā)現(xiàn)除氧器水溫有下降趨勢，但因除氧器蓄熱，其溫度不至于下降太快。下面通過推導(dǎo)計(jì)算出除氧器從水溫140 ℃降低到115 ℃變化的時間，分析除氧器蓄熱量對啟動電鍋爐選型容量的影響。

根據(jù)除氧器熱平衡方程，假設(shè)每小時有恒定流量q,焓值為hn的凝結(jié)水進(jìn)入蓄熱水當(dāng)量為定值Q，存水焓值為hd的除氧器，假設(shè)此時啟動電鍋爐達(dá)到最大出力無法對該部分凝結(jié)水進(jìn)行加熱，則除氧器的存水焓有dhd的降低,得出式(4):

Qdhd=-(hd-hn)×qdt

(4)

按除氧器最初焓值為hd2(140 ℃)，最終焓值為hd1(115 ℃)，得出除氧器飽和水溫度hd計(jì)算式(5):

hd=hn+(hd2-hn)e-qt/Q

(5)

式中：hn——凝結(jié)水焓，進(jìn)入除氧器30 ℃凝結(jié)水焓，84 kJ/kg；

hd2，hd1——假設(shè)的除氧器在140 ℃、115 ℃的飽和水焓，分別為589 kJ/kg、483 kJ/kg；

Q——除氧器蓄熱當(dāng)量飽和水裝量，為1 500 t(定值，考慮儲水量、容器金屬重量及汽水參數(shù)等因素選取)；

q——每小時進(jìn)入除氧器的凝結(jié)水量，35～50 t/h，(考慮給水量流量計(jì)測量精度及操縱員響應(yīng)時間)。

根據(jù)式(5)推出式(6)，近似計(jì)算出除氧器飽和水焓從hd2下降至hd1的時間t2-1，

(6)

通過式(6)計(jì)算得出當(dāng)每小時35～50 t/h凝結(jié)水進(jìn)入除氧器后，除氧器溫度從140降低到115 ℃的所需時間t2-1約為7.08～10.1 h，期間，當(dāng)操縱員會發(fā)現(xiàn)除氧器溫度下降，需盡快將啟動電鍋爐提供的輔汽切換到核(主)蒸汽供給；經(jīng)調(diào)研，一般輔汽切換完成時間僅需20 min，7.08～10.1 h足夠讓操縱員在無任何壓力下完成輔汽切換操作。

按凝結(jié)水流量q為 35～50 t/h，參照2.1節(jié)的熱平衡計(jì)算，計(jì)算得輔汽約6～8 t/h。因此，利用除氧器蓄熱能力，同樣可以等效部分輔汽加熱,使啟動電鍋爐設(shè)計(jì)減容ΔQ4為6～8 t/h。當(dāng)然，上述除氧器蓄熱僅憑經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，難以準(zhǔn)確量化作為設(shè)計(jì)輸入，保守建議ΔQ4取值為5 t/h(小于6～8 t/h)。

4 啟動電鍋爐選型優(yōu)化分析

根據(jù)第2節(jié)得啟動電鍋爐設(shè)計(jì)容量Q0在70.8～81.8 t/h，減容考慮第3節(jié)的四種因素：主給水泵功耗產(chǎn)熱、軸封蒸汽及除氧器加熱用汽切換到核(主)蒸汽順序、針對南方廠址的熱水加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)減容、除氧器蓄熱能力因素等因素，啟動電鍋爐可以進(jìn)行優(yōu)化減容設(shè)計(jì)，啟動電鍋爐優(yōu)化減容設(shè)計(jì)熱負(fù)荷Q0′在49～65 t/h，建議選型宜單爐25～35 t/h，一用一備，實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。具體計(jì)算匯總過程見表1。

表1 啟動電鍋爐設(shè)計(jì)熱負(fù)荷Q0優(yōu)化計(jì)算 (t/h)

注：Q0=Qa1+Qb2+Qc3+Qd4+Qe5；Q0′=Qa1+Qb2+Qc3+Qd4+Qe5+ΔQ1+ΔQ2+ΔQ3+ΔQ4，t/h；

ΔQ0=Q0-Q0′=-(ΔQ1+ΔQ2+ΔQ3+ΔQ4)，其中，表中ΔQ3僅針對南方廠址，南方廠址與北方廠址參照國家或地方供暖相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，“-”號代表容量減少

根據(jù)表1，啟動電鍋爐設(shè)計(jì)優(yōu)化后降低容量ΔQ0達(dá)到16.8～21.8 t/h，降幅達(dá)20%～30%。建議后續(xù)設(shè)計(jì)，先對啟動電鍋爐熱用戶進(jìn)行分級，優(yōu)先保證機(jī)組啟動及核級物項(xiàng)；用戶分級較低如供暖、熱水，研究其短時(幾小時以內(nèi))停運(yùn)或降負(fù)荷的可行性，挖掘啟動電鍋爐使用潛力，彈性設(shè)計(jì)，達(dá)到即滿足機(jī)組啟動需求，又最大限度控制造價、降低運(yùn)維費(fèi)用的目標(biāo)。

5 結(jié)論

(1)在計(jì)算啟動電鍋爐五類基本熱負(fù)荷的基礎(chǔ)上，考慮了四類可能影響鍋爐減容設(shè)計(jì)方法，為鍋爐減容設(shè)計(jì)，降低造價提供了理論依據(jù),選型容量宜為25～35 t/h，一用一備。

(2)提出對電鍋爐熱用戶進(jìn)行分級，挖掘電鍋爐使用潛力，保證設(shè)計(jì)選型合理性。