模块式小型堆ACP100二回路给水泵配置分析

梁铁波+严思伟+黎春梅+任云+曾畅+王亮+郝承明

【摘 要】模块式小型堆ACP100二回路采用2×50%容量汽动调速泵为主给水泵、2×25%容量电动调速泵为启动给水泵的配置，从模块式小型堆核电机组启动程序、二回路运行特性、主给水调节方式及降負荷能力等方面对模块式小型堆二回路给水泵配置方式进了分析，并与M310机组及在建的三代核电AP1000、EPR1000机组的给水泵配置进行对比分析。通过分析，为我国后续模块式小型核电机组的常规岛给水系统设计提供借鉴和参考。

【关键词】模块式；小型堆；主给水；给水泵；二回路

0 引言

常规压水堆核电站主给水系统的主要功能是将温度、压力和水质合格的给水送到蒸汽发生器，并利用给水系统调节功能将蒸汽发生器水位维持在给定范围，它是保证核岛安全运行和汽水品质的重要热工系统，与常规火电站一样，压水堆核电站主给水调节系统也有两类，即定速给水泵给水系统和调速给水泵给水系统，两种给水系统在较高负荷下（大于15%～20%）采用三冲量调节控制的原则。在低负荷下由于蒸汽参数低，负荷变化小，蒸汽发生器假水位现象不太严重，维持给定水位的要求不太高，加之蒸汽流量和给水流量小而很难准确测量等原因，所以低负荷下给水采用单冲量旁路调节控制方法。

主给水流量丧失事故，作为RCC-PⅡ类事故（中等频率事故），是核电站设计基准事故之一。主给水泵失效是二回路正常给水流量丧失的主要原因，该工况将导致辅助给水系统投运（针对M310机组）或第二层次纵深防御的启动给水系统启动（针对AP1000机组）、甚至是反应堆停堆等一系列动作。这将给机组带来巨大的经济损失。因此，设计合适的二回路给水系统，合理配置给水泵数量和容量，采取符合机组运行特性的调节方式等，对核电厂安全运行和经济效益至关重要。模块式小型堆是我国自主开发的小型核电机组，其常规岛给水系统采用2×50%容量汽动调速泵为主给水泵、2×25%容量电动调速泵为启动给水泵的配置，这与目前我过在运行核电机组给水泵配置差别很大，与AP1000为代表的三代压水堆机组常规岛主给水系统采用3×33%容量电动定速给水泵的配置也存在一定差异。本文从模块式小型堆机组启动程序、二回路运行特性、主给水调节方式及降负荷能力等方面进行对其二回路给水泵配置方式进分析，并与M310机组及在建的三代核电AP1000、ERP1000机组的给水泵配置进行对比，以期为我国后续的小型核电机组的给水系统设计提供参考。

1 模块式小型堆二回路给水系统

1.1 模块式小型堆二回路运行特性

模块式小型堆运行特性，与M310、AP1000等采用饱和式蒸汽发生器的核电站相比，存在较大的差异。第一、模块式小型堆反应堆冷却剂系统在稳态运行时保持反应堆冷却剂平均温度不变，这样有利于改善核蒸汽供应系统的稳态特性，反应堆冷却剂系统静态运行特性曲线如图1所示；第二、模块式小型堆二回路在稳定功率范围运行时，蒸汽发生器二次侧出口蒸汽压力保持不变（图2中B-E线），而蒸汽发生器二次侧出口蒸汽温度随功率变化的关系如图3所示；第三、蒸汽发生器二次侧水装量少，瞬态性能差，需控制系统的响应足够快；第四、反应堆冷却剂系统运行时，蒸汽发生器没有排污流量，这样提高了对给水水质的要求，也需要考虑蒸汽发生器的污垢清除；第五、在机组启动过程中，质量、能量、压力和温度发生强烈的变化，运行设备的热应力比正常运行稳态工况下产生的热应力大得多。为了不牺牲蒸汽发生系统的效率，也不影响装置的可靠性和利用率，必须努力提高装置的运行安全性。在启动的过程中，调节的参数和动作愈少，通过切换动作引入结构转换愈少，冲动汽轮机的时间愈提前，产生故障的可能性愈低。

1.2 采用调速泵的可行性分析

1.2.1 机组启动程序

模块式小型堆核电机组，二回路设有主给水系统和启动给水系统，其启动流程如图4所示。当机组启动时，给水通过电动调速泵流经给水管道送至蒸汽发生器，水源为除氧器中的水或小冷凝器的水。启动给水系统设有两台25%容量的电动调速泵。机组启动过程中，一台电动调速泵运行，为减少启动过程的调节参数和动作，降低故障的发生概率，采用定流量启动方式，即蒸汽发生器二次侧在稳压器建立汽腔时，手动控制电动调速泵及旁路调节阀，控制蒸汽发生器的给水流量和压力，在整个启动过程中给水流量不再变化，只需控制二回路压力，并随着一回路功率、温度的升高逐渐达到要求的蒸汽品质。当堆芯热功率升至蒸汽发生器稳定运行功率点时，给水切换至主给水泵及主给水调节阀供给。

因蒸汽发生器的结构特性，无法实现运行过程的排污，因此在每次停堆换料期间需要考虑蒸汽发生器的污垢清除，在停堆阶段，通过电动调速泵及旁路调节阀，利用一定湿度的湿蒸汽对蒸汽发生器二次侧进行清洗，以清除二次污垢。

1.2.2 主给水调节方式

因模块式小型堆蒸汽发生器二次侧水装量少，瞬态性能差，需控制系统的响应足够快，以保证二回路的定压运行方式要求，同时没有设置蒸汽发生器水位测量，因此模块式小型堆给水系统不能像其他饱和式蒸汽发生器那样，利用蒸汽发生器水位对给水流量进行调节。模块式小型堆主给水系统通过如下两个控制系统调节给水流量，实现蒸汽发生器二次侧出口蒸汽压力恒定和对应负荷的给水流量需求值：

1）给水泵转速控制

给水泵的转速控制系统用于维持蒸汽发生器二次侧出口蒸汽压力恒定。通过二次侧蒸汽目标压力值P0和二次侧蒸汽测量压力值P比较，产生主给水泵转速控制信号，其原理如图5所示。

2）主给水调节阀控制

主给水调节阀用于蒸汽发生器最低稳定运行功率以上的给水流量自动调节。首先通过蒸汽流量测量信号与蒸汽流量-负荷曲线比较，产生一个蒸汽流量需求值，然后该需求值与给水流量信号比较，产生给水流量信号去控制主给水流量调节阀，其原理如图6所示。

1.2.3 与其他类型机组二回路给水泵配置的对比endprint

表1给出了不同类型机组二回路给水泵配置方式比较。

从在建的三代核电站AP1000和EPR1000二回路給水泵的配置可以看出，目前三代核电站二回路给水泵的配置方式并不唯一。模块式小型堆作为固有安全性与三代核电站相当的小型核电站，其二回路给水泵配置也体现了其本身的特点，由于蒸汽发生器结构特点，二回路固有的瞬态响应能力较饱和式蒸汽发生器而言较差，同时二回路的定压运行方式对系统的瞬态响应能力要求增加，因此模块式小型堆采用2×50%容量汽动调速泵为主给水泵、2×25%容量电动调速泵为启动给水泵的配置方式，通过泵调节+阀调节的方式，能较好符合模块式小型堆机组启动要求和二回路给水系统瞬态响应要求。同时为提高启动给水泵的利用率（两台启动给水泵仅在反应堆启动和停堆过程使用），考虑将两台电动调速泵作为主给水泵的备用泵，这样即不降低整个核电机组安全性经前提下，减少了整个模块式小型堆给水系统泵的数量，提高机组的经济性。

2 问题分析

通过上述分析，可以得出对于模块式小型堆核电机组，二回路给水系统采用2×50%容量汽动调速泵为主给水泵、2×25%容量电动调速泵为启动给水泵的配置方式，满足模块式小型堆核电机组的运行特性要求，同时统筹考虑二回路给水泵的设置，不设置专门的备用主给水泵，而是充分利用二回路已存在的其他给水泵，作为主给水泵的备用泵，这即可保证机组的安全性不降低也能保证单台泵故障后机组的经济性不降低。但是，这种配置方式存在以下问题：

1）由于采用小汽轮机驱动给水泵，小汽轮机本身带有抽汽管道、调节润滑油系统、前置泵减速机构、小汽轮机汽封系统、疏水放汽系统以及小汽轮机排汽管道等，同时汽动给水泵及其相关系统占地面积大约是电动给水泵的2倍、占用空间高度至少是电动给水泵的3倍，这些不利因素将导致汽动调速给水泵投资费用比电动调速给水泵投资费用高出许多。

2）目前我国核电机组容量占整个电力装机容量的比例较小，同时模块式小型堆机组为小型核电站，机组的发电量较小，可不用考虑其参加电网的负荷调节，因此可以考虑采用电动定速主给水泵+调速启动给水泵的配制方式，进一步优化模块式小型堆给水泵的设置方式。

3 结论

通过上述分析，可知对于模块式小型堆核电机组，二回路给水系统采用2×50%容量汽动调速泵为主给水泵、2×25%容量电动调速泵为启动给水泵的配置方式，满足机组的运行特性要求，能较好符合机组启动要求和二回路给水系统瞬态响应要求，同时统筹考虑二回路给水泵的设置，不设置专门的备用主给水泵，而是充分利用二回路已存在的其他给水泵，作为主给水泵的备用泵，这即可保证机组的安全性不降低也能保证单台泵故障后机组的经济性不降低。但是从经济上分析，采用汽动调速主给水泵，较电动调速给水泵而言，对常规岛厂房占地面积、初期投资都存在一定改进的空间，需要进行安全性、技术性和经济性对比分析后决定是否改用电动调速给水泵或采用电动定速主给水泵+调速启动给水泵的配制方式。

[责任编辑：田吉捷]endprint