核电机组空冷技术应用研究分析

2022-09-12

正文:

1. 概述

在中国北方, 600-1000MW级大型火电机组中节水的空冷技术已经得到了广泛应用。如果把空冷技术应用到核电机组, 将拓宽核电选址范围, 这对于调整能源结构, 减少碳氧化物排放等具有十分重要的意义。

2. 内陆核电机组采用空冷技术的必要性

将显著节水的空冷技术应用与核电机组上, 将拓宽核电选址范围, 对于北方缺水地区改善能源结构, 减轻环境污染, 实现可持续发展, 起到关键的支撑作用。

3. 空冷系统技术方案简介

空冷就是用空气冷却汽轮机排汽, 即采用大气作为最终热阱。由于空冷系统的结构不同, 它可分为直接空冷系统和间接空冷系统, 其中间接空冷系统又可分为海勒式空冷 (混合式凝汽器的间接空冷系统) 和哈蒙式空冷 (表面式凝汽器的间接空冷系统) 。各种空冷系统原理图如图1所示。

直接空冷系统是汽机的排汽直接用空气冷却, 原理图如图1中 (a) 。

表面式凝汽器间接空冷又称作哈蒙式间接空冷系统, 循环冷却水为密闭的循环系统, 原理图如图1中 (b) 。

混合式凝汽器间接空冷系统又称作海勒式间接空冷系统, 原理图如图1中 (c) 。

4. 核电机组空冷技术方案选择

4.1 直接空冷应用于核电的适应性分析

直接空冷不适合核电站的使用, 主要原因如下:

4.1.1 运行背压的不稳定性

直接空冷系统易受到环境风、夏季热风回流等的影响, 其背压变化幅度较大, 机组出力变化较大。

4.1.2 瞬态过程响应时冷却能力不足

在汽轮发电机组甩负荷时, 受控制棒插棒最大速率限制, 反应堆功率下降速率相比火电机组锅炉要缓慢。直接空冷系统冷却能力不足的劣势将被放大, 将可能导致出现汽机跳闸后, 由于凝汽器冷却能力不足造成凝汽器压力升高不可用, 进而导致停堆的情况。

4.1.3 核辐射安全的保障性差

考虑到核电机组对于辐射泄漏安全等级的要求较高, 直接空冷系统中空冷凝汽器真空容积庞大, 较难保证系统的绝对严密性, 泄漏难以避免。在出现蒸汽发生放射性物质沾染, 导致真空容积巨大的直接空冷系统存在向环境泄漏放射性物质的机会, 若放射性物质泄漏到周围空气中, 将造成不可逆的环境污染。

4.2 间接空冷应用于核电的适应性分析

4.2.1 海勒式空冷系统应用与核电的适应性分析

混凝式间接空冷系统与湿冷系统差别不大, 且冷却水系统也属微正压系统, 但由于该系统采用混合式凝汽器, 一旦蒸汽受到核污染, 将通过混合式凝汽器进入整个循环水系统。在循环水系统发生泄漏时, 受核污染的循环水将会产生核辐射污染外泄问题, 对环境造成核污染影响。

4.2.2 哈蒙式空冷系统应用于核电的适应性分析

4.2.2.1 机组运行的安全稳定性

表面式凝汽器间接空冷系统的换热为二次换热, 属蒸汽-中间介质 (水) -空气换热过程。间接空冷系统采用大量的密闭除盐水作为冷却介质, 其比热容比空气大很多。因此, 间接空冷系统机组运行背压受环境风的影响较缓慢、变化幅度较小, 不易造成机组跳闸停机, 能够保障反应堆的稳定安全运行。

4.2.2.2核辐射安全保护

表凝式间接空冷系统与同等湿冷机组真空容积相同, 与湿冷系统采用同样的表面式凝汽器, 循环水系统属微正压系统, 循环水在凝汽器内的钛管或不锈钢管内部循环流动, 与汽机排汽不混合, 属于两套封闭系统, 即使循环水系统出现泄漏, 也只是正压循环冷却水漏入表面式凝汽器内或者外部环境, 不会带出“污染蒸汽”, 不会发生核辐射泄漏、污染环境的问题。

4.2.2.3 国外核电空冷系统应用实践经验

国外有两座核电站采用空冷系统的实例, 一座是俄罗斯境内的比利比诺核电站, 发电量为4×12MW, 冷却系统采用表面式凝汽器间接空冷系统, 1972年投产, 至今仍在运行;另一座是德国境内的施梅豪森核电站, 空冷系统总规模相当于1×300MW容量的火电机组, 采用表面式凝汽器间接空冷系统, 该电站1985年4月9日投产。

国外核电机组空冷系统应用的实例也证明了哈蒙式空冷系统是最适合应用于核电站的空冷系统。