核电厂总参数平衡计算方法研究

摘要：核电厂总参数设计主要工作是确定影响核电厂安全性与经济性的重要参数，总参数选取是否合适对核电厂安全、经济产生直接影响。文章给出了核电厂总参数设计范围，进而阐述了总参数确定的原理与方法。

关键词：核电厂；安全性；经济性；总参数；平衡计算

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）17-0116-03

新建核电厂需要将对核电厂安全性、经济性等产生重要影响的参数确定下来，同样核电厂研发设计也需要确定这些具有重大影响的参数，这就需要开展总参数设计与平衡计算工作。核电厂总参数是表征核电厂在安全可靠性、经济实用性、运行合理性、技术先进性的设计指标，是指导整个设计工作的纲要和完成的目标。因此，总参数选取是否合适直接决定运行核电厂的安全、经济、稳定。

本文结合三代核电厂EPR总参数平衡计算经验，确定通常情况下核电厂总参数的设计范围，给出了核电厂总参数平衡计算原理与方法，并给出了典型核电厂一、二回路传热计算及总参数平衡计算算例。

1 核电厂总参数平衡计算简介

核电厂总参数按照工 艺系统范围可以划分为：全厂性设计参数、核蒸汽供应系统（NSSS）主要参数、汽轮发电机系统主要参数。核电厂总参数设计范围广、种类多、涉及专业面比较综合，是一个需要多专业配合、反复迭代才能完成的工作。

对于核电厂翻版设计，一般情况下新设计核电厂与参考电厂相比，核蒸汽供应系统的主要参数是相同的，汽轮发电机系统主要参数（如：循环冷却水温度）由于TG供应商的差异及厂址条件的变化可能会发生改变，相应的全厂性设计参数也会发生变化。对于研发性设计过程，就需要重新对核蒸汽供应系统的主要参数进行平衡计算，在假定某些参数（即独立参数）或确定某些设计目标的基础上，逐步计算其他参数。例如：在核电厂电功率水平已知的情况下，借鉴以往设计经验，可以初步确定NSSS热功率范围，进而平衡计算一回路主要参数以及二回路（蒸汽做功回路）、三回路（循环冷却水回路）主要参数，通过反复迭代最终确定设计总参数。

2 核电厂总参数确定原理与方法

2.1 核电厂总参数范围

核电厂主工艺系统包括：核蒸汽供应系统（NSSS）、汽轮发电机系统（TG）和电厂配套设施（BOP）。按照工艺系统范围，一般来说核电厂总参数包括：全厂性设计参数、核蒸汽供应系统（NSSS）主要参数、汽轮发电机系统主要参数，详见表1。

除以上参数外，核电厂总参数还包括全厂性设计目标，如：电厂可用率、电厂设计寿期、换料周期、堆芯损坏频率（CDF）、大量放射性早期释放频率（LERF）、堆芯热工裕量、建造周期、比投资等。这些参数，有些是业主对建设电厂的要求，有些是安全衡量指标，还有一些是经济性指标。由于总参数平衡计算主要研究方向是与热工水力计算相关的参数，因此，这类参数不作为平衡计算的参数范围。

2.2 核电厂总参数确定原理与方法

2.2.1 全厂性设计参数的确定。业主方对建设核电厂的要求，在开展总参数设计工作时，投资方往往在建设周期、建成价、比投资、换料周期、电厂设计寿命、电厂效率、电厂可用率以及涉及到业主以后在运行、经济方面可能遇到的问题会提出要求，在进行总参数设计时需要进行综合考虑，选取合适的全厂性设计参数及设计目标。

堆型选型方面，目前核电厂所选择的堆型主要有：压水型核电厂、沸水型核电厂、重水型核电厂、高温气冷型核电厂、快中子增值型核电厂等。核电厂反应堆的堆型将确定电厂工艺流程、系统和设备、控制方式、运行方式、核燃料利用和燃料管理方式以及厂房布置等各方面的特性，国内核电厂以压水堆为主，也包括重水堆。

电功率，根据电厂的总电功率输出要求，可以初步推算核蒸汽供应系统（NSSS）的热输出、反应堆堆芯的核热功率输出、汽轮机与发电机转换效率、电厂的厂用电消耗等。进行全厂能量转换和能量平衡的初算，进而通过各阶段设计得出电厂有关的性能参数。

2.2.2 核电厂一、二、三回路主要参数确定原理与方法。核电厂一、二、三回路主要参数确定包括核蒸汽供应系统、汽轮发电机系统以及循环冷却水系统主要参数确定的基本原理与计算方法。在满足各方面设计准则要求的前提下，通过热力计算可以确定核电厂的主要设计参数，通过不断的反复迭代计算和优化，最终确定一套最佳值。

（1）核电厂稳态运行方案选择：核电厂稳态运行方案主要有以下几种类型：二回路蒸汽压力Psg恒定方案；冷却剂平均温度Tav恒定方案；冷却剂出口温度Th恒定方案；冷却剂平均温度Tav程序方案。目前，压水堆核电厂运用较为广泛的是冷却剂平均温度Tav程序方案，该方案中冷却剂平均温度随出力成线性变化的程序运行方式是一种热和机械制约之间的折衷方案。例如CPR1000核电厂兼顾一、二回路承受的负担选用Tav程序方案；EPR核电厂采用在不同的出力范围分别固定Tav、Psg的程序方案。

（2）压水堆核电厂一、二、三回路主要参数确定的基本原理。压水堆核电厂一、二、三回路参数是相互制约的，例如：压水堆核电厂可以通过提高二回路蒸汽初参数来提高电厂效率或者可以提高一次侧冷却剂温度，但这受到反应堆设计的限制；另一种方法是减小蒸汽发生器中一、二次侧之间的对数平均温差，总的传热量正比于传热面积与对数平均温差的乘积，即需要增加蒸汽发生器传热面积，从而提高电厂投资。恰当地平衡一、二回路参数可使发电成本最低。

冷却剂工作压力：压水堆核电厂提高一回路系统的压力可以使二回路得到较高的蒸汽初参数（压力及温度），从而提高整个压水堆核电厂的效率。但是，目前压水堆一般都是采用锆合金作包壳，考虑到锆合金的耐腐蚀性及强度，则温度不能太高。同时，如果反应堆出口温度或平均温度不变，则提高冷却剂工作压力就增加了欠热度，使热工裕量增大。但是在一回路管道破裂所引起的冷却剂丧失事故中，冷却剂工作压力越高，则造成的事故就越严重。因此，一回路系统压力的确定需要全面综合考虑。目前压水堆核电厂的冷却剂的工作压力一般选取15.5MPa（abs）。

冷却剂流量：在一定的热功率下，加大流量可以减小反应堆的进出口温差。因此，若反应堆进出口平均温度一定，则出口温度下降，增大了反应堆的热工安全性，若出口温度一定，则冷却剂的平均温度提高，这样在蒸汽发生器传热面积一定的条件下，使二回路蒸汽初参数提高，从而提高整个压水堆核电厂的效率。但是，随着冷却剂流量的增大，泵功率与流量的立方成正比，使泵功耗急剧增加。决定冷却剂流量最关键因素是选取的主泵特性与一回路管路特性，还包括管路内部冷却剂温度分布以及管路布置情况与高度差。反应堆冷却剂流量是由一回路压力损失和特定的主泵特性（主要指压头流量曲线）确定，即在考虑一回路冷却剂温度及压力工况下，反应堆冷却剂泵压头及重力驱动压头（自然循环效果）与一回路摩擦压力损失及局部压力损失平衡的计算结果。压水堆核电厂反应堆冷却剂流量工况包括：最佳估算流量（BE）、热工水力流量（TH）、机械流量（ME）。图1为流量压力曲线确定三种工况的示意图。

图1 流量压力曲线确定三种工况的示意图

冷却剂温度：冷却剂压力、流量、温度等热工参数的关系是相互关联的，选择时需综合考虑，若反应堆热功率一定，则冷却剂压力及流量一经选定，反应堆的进出口温度也就随之而定。EPR核电厂堆芯出口温度限制在330℃，主要考虑保证足够的DNBR裕量。对于一回路压力为15.5MPa时，对应的饱和水温度为345℃，只有保证一回路冷却剂足够的过冷度，才能确保堆芯安全。

汽轮机入口汽压：压水堆核电厂汽轮机高压缸入口蒸汽为饱和蒸汽，其压力提高，蒸汽饱和温度相应提高，从而提高了整个吸热过程的平均温度，在背压不变的情况下，使得循环热效率得到了提高。但是，汽轮机入口汽压的提高，即蒸汽发生器内二回路饱和压力的提高，主要依靠一回路冷却剂平均温度的提高以及蒸汽发生器传热面积的增加和传热效果的提高，这些都是受制于工程实际条件。

凝汽器背压：从热力学上讲，在汽轮机进口蒸汽焓值不变的情况下，降低排汽压力会加大汽轮机的焓降值，蒸汽可以充分膨胀做功，汽轮机的效率越高，机组出力也大。但是，背压也不是越低越好，越低的背压消耗抽气功越大，汽轮机背压的选取，应该结合汽轮机的效率、综合投资成本等多种因素来确定。

设计循环冷却水温度：循环水的温度是蒸汽循环中排汽温度的理论极限，实际排汽温度tc的技术极限计算公式为：

tc=t2+?t+δt

式中：

t2——循环水温度

?t——循环水进出口温升

δt——传热端差

3 核电厂总参数平衡计算案例分析

本节将以稳态工况下一、二回路换热计算为例给出核电厂总参数平衡计算案例。总参数平衡计算根据不同需求运用热工、流体理论以及计算机数值计算技术可以得到各种表现形式的实际应用案例。本文以核蒸汽供应系统稳态参数计算为例阐述一、二回路稳态工况下换热计算公式及计算案例。

一回路反应堆产生的热量通过蒸汽发生器传递给二回路，生成饱和蒸汽，进而推动汽轮机做功。其热量传递关系见图2。

首先，选定堆型与电功率，反应堆功率就可以初步推算得到。其次，假定蒸汽发生器和主泵已经进行了初步选型，则计算方程式（3）中的传热面积与传热系数可以初步确定，即通过计算方程式（3）可以得到Thot、Tcold、Tsat之间的对应关系式，也就是建立了一回路冷却剂进出口温度与二回路生成饱和蒸汽的饱和温度之间的关系式。结合方程式（1）、（4），可以得出Tav与Tsat之间的关系。在假定给水温度已知的情况下，通过计算方程式（2）可以得到Msteam。

对于一、二回路给出以下已知参数：

一回路参数：（1）SG热功率：1000MWth；（2）一回路体积流量：20000m3/h（每个SG）；（3）Tcold：280℃；（4）一回路压力：15.5MPa。

二回路参数：（1）二回路给水温度：220℃；（2）SG传热系数：8000w/（m2×℃）；（3）SG传；（4）热面积：6000m2。

以上已知参数计算可以得到：（1）热管段温度为322℃；（2）饱和蒸汽温度为274℃；（3）蒸汽流量为542kg/s。

4 结语

核电厂总参数设计工作在整个核电厂设计中是至关重要的，核电厂的安全性、经济性在一定程度上取决于选取合适的总参数。本文给出了核电厂总参数范围以及核电厂全厂性参数与一、二、三回路参数确定的原理与方法。核电厂总参数平衡计算运用热工、流体力学基本理论以及数值分析技术建立实际计算模型，本文给出了稳态工况下一、二回路换热计算案例，根据实际需求，建立合适的计算模型及工具可以解决纷繁复杂的实际工程问题，并得到期望的计算结果。

参考文献

[1] 徐大懋，储品昌，傅小生.蒸汽循环电站主设备间的容量匹配[J].中国电机工程学报，2009，（20）：1-5.

[2] 张建民.压水堆核电站控制（修订版）[M].西安：西安交通大学出版社，2006.

[3] 康松，杨建明，胥建群.汽轮机原理[M].北京：中国电力出版社，2000.

作者简介：王建生（1981—），男，江苏南通人，深圳中广核工程设计有限公司工程师，硕士，研究方向：核电厂总体安全。