淺談核電站常規(guī)島技術(shù)方案
摘 要 根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)核電設(shè)備制造廠所提供的資料，形成四類可供我國將來核電站選擇的常規(guī)島技術(shù)方案，并對四類技術(shù)方案進(jìn)行了分析。核電站的設(shè)備選型和供貨商的選擇，應(yīng)采用國際競爭性招標(biāo)方式，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、自主化、國產(chǎn)化等方面進(jìn)行深入分析比較，來選定供貨商和機(jī)型。國外制造商必須選擇國內(nèi)設(shè)備制造廠作為合作伙伴，轉(zhuǎn)讓技術(shù)、合作生產(chǎn)，逐步全面實(shí)現(xiàn)自主化和設(shè)備國產(chǎn)化。
經(jīng)初步研究，常規(guī)島部分可供選擇的國外主要設(shè)備潛在供貨商有：英法GEC-ALSTHOM公司、美國西屋公司、日本三菱公司、美國GE公司等。到目前為止，ALSTHOM公司已同中國東方集團(tuán)公司進(jìn)行合作，形成一個(gè)聯(lián)合體；美國西屋公司已同上海核電設(shè)備成套集團(tuán)公司合資，組成西屋-上海聯(lián)隊(duì)。其它公司到目前尚未進(jìn)行合作。
根據(jù)ALSTHOM公司、西屋公司、三菱公司和GE公司等核電設(shè)備制造商所提供的資料，按照堆型的不同和一回路的不同，可以形成四類技術(shù)方案：
方案一——三環(huán)路改進(jìn)型壓水堆核電機(jī)組；
方案二——ABB-CE的系統(tǒng)80(System 80)型壓水堆核電機(jī)組；
方案三——日本三菱公司的四環(huán)路壓水堆核電機(jī)組；
方案四——先進(jìn)型沸水堆(ABWR)核電機(jī)組。
下面就各類技術(shù)方案分別進(jìn)行分析。
1 三環(huán)路改進(jìn)型壓水堆核電機(jī)組
此方案的一回路為標(biāo)準(zhǔn)的300 MW一個(gè)環(huán)路的三環(huán)路壓水堆。此類方案包括中廣核集團(tuán)公司提出的CGP1000、歐洲公司(包括EDF、FRAMATOME、GEC-ALSTHOM)推出的CNP 1000和西屋-上海聯(lián)隊(duì)推出的CPWR1000三種壓水堆核電機(jī)組。
1.1 CGP1000與 CNP1000核電機(jī)組
CGP 1000由中廣核集團(tuán)提出，以大亞灣核電站為參考站，并借鑒美國西屋公司和ABB-CE公司的部分先進(jìn)的設(shè)計(jì)，有選擇地吸收了用戶要求文件(URD)的要求，形成以300 MW一條環(huán)路的CGP1000技術(shù)方案。常規(guī)島部分，汽輪發(fā)電機(jī)組選用ALSTHOM的Arabelle1000型汽輪發(fā)電機(jī)組。
CNP1000由歐洲制造商(EDF、FRAMA-TOME、ALSTHOM)根據(jù)法國核電計(jì)劃及大亞灣核電站、嶺澳核電站等工程的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行及維修中積累起來的經(jīng)驗(yàn)推薦給中國的核電機(jī)組。常規(guī)島部分的汽輪發(fā)電機(jī)組也以Arabelle1000型汽輪發(fā)電機(jī)組作為推薦機(jī)組。
由于CGP1000和CNP1000的常規(guī)島部分的汽輪發(fā)電機(jī)組均為Arabelle1000型，所以實(shí)際上為同一類核電機(jī)組。
ALSTHOM在總結(jié)54臺第1代汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，組合出了Arabelle1000型汽輪發(fā)電機(jī)組，參考電站為Chooz B(2臺1 450 MW機(jī)組已分別于1996年7月11月投入運(yùn)行)。
1.1.1 Arabelle1000型汽輪發(fā)電機(jī)組的主要技術(shù)數(shù)據(jù)
a)最大連續(xù)電功率：1 051 MW；
b)轉(zhuǎn)速：1 500 r/min；
c)機(jī)組效率：36.3%；
d)末級葉片長度：1 450 mm；
e)排汽面積：76.8 m2；
f)背壓：5.5 kPa；
g)凝汽器冷卻面積：68 633 m2；
h)發(fā)電機(jī)額定輸出功率：1 050 MW；
i)發(fā)電機(jī)視在輸出功率：1 235 MVA；
j)發(fā)電機(jī)額定功率因數(shù)：0.85；
k)發(fā)電機(jī)額定端電壓：26 kV。
1.1.2 Arabelle1000型汽輪發(fā)電機(jī)組的主要特點(diǎn)
a)缸體結(jié)構(gòu)：三缸四排汽(HP/IP+2×LP94)，汽輪機(jī)采用高中壓組合汽缸并直接和2個(gè)雙流低壓缸相連接，含有流向相反的高壓和中壓蒸汽流道。低壓缸為雙流式，低壓外缸體支承在冷凝器上面，不是直接裝在汽機(jī)基礎(chǔ)上，軸承座和內(nèi)缸體直接座于汽機(jī)基礎(chǔ)上；
b)由于末級葉片比較長，具有較大的排汽面積，可使蒸汽膨脹過程加長，減少余速損失，提高機(jī)組效率；
c)由于蒸汽在高／中壓缸中膨脹過程是以干蒸汽單流方向進(jìn)行，另外，在高、中壓排汽口加裝抽汽擴(kuò)散器以增加效率，所以，Arabelle1000型汽輪機(jī)的高中壓膨脹效率相對比較高；
d)發(fā)電機(jī)采用水氫氫冷卻方式，勵(lì)磁系統(tǒng)采用無刷勵(lì)磁方式。
1.2 CPWR1000核電機(jī)組
CPWR1000由西屋-上海聯(lián)隊(duì)推出，由上海市核電辦公室牽頭，組織上海核工程研究設(shè)計(jì)院、華東電力設(shè)計(jì)院、西屋公司等單位聯(lián)合展開CPWR1000概念設(shè)計(jì)工作，并于1997年6月份完成。
CPWR1000是建立在西屋公司成熟的、經(jīng)過設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐驗(yàn)證的技術(shù)上，以西班牙的Vandellos Ⅱ?yàn)閰⒖茧娬?該電站已有50 000 h以上的高利用率的運(yùn)行業(yè)績)，結(jié)合西屋先進(jìn)型壓水堆機(jī)組(APWR1000)技術(shù)，并進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)而來。
1.2.1 CPWR1000汽輪發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)數(shù)據(jù)
a)汽輪機(jī)型式：單軸、四缸、六排汽、凝汽式、二級再熱裝置；
b)轉(zhuǎn)速：1 500 r/min；
c)主蒸汽門前蒸汽壓力：6.764 MPa；
d)主蒸汽門前蒸汽溫度：283.5 ℃；
e)主蒸汽門前蒸汽流量：5 493.5 t/h；
f)主蒸汽門前蒸汽濕度：0.25%；
g)回?zé)岢槠墧?shù)：6級(1級高壓加熱器+1級除氧器+4級低壓加熱器)；
h)給水溫度：223.9 ℃；
i)平均冷卻水溫度：23.0 ℃；
j)末級葉片長度：1 250 mm；
k)排汽壓力：5 kPa；
l)凈熱耗率：9.788 kJ/(Wh)；
m)機(jī)組最大保證功率：1 071.09 MW；
n)發(fā)電機(jī)功率因數(shù)：0.9；
o)短路比：0.5；
p)冷卻方式：水氫氫；
q)勵(lì)磁系統(tǒng)：靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)。
1.2.2 APWR1000汽輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
汽輪發(fā)電機(jī)組采用1個(gè)雙流式高壓汽缸及3個(gè)雙流式低壓汽缸串聯(lián)組合，汽輪機(jī)末級葉片長度為1 250 mm，六排汽口，配置2臺一級汽水分離以及兩級蒸汽再熱的汽水分離再熱器。
1.2.3 CPWR1000相對于Vandellos Ⅱ的主要改進(jìn)
a)核電機(jī)組最大保證出力由982 MW改為1 071 MW；
b)主汽門前蒸汽參數(shù)由6.44 MPa、28
0.2 ℃改為6.76 MPa、283.5 ℃；
c)平均冷卻水溫度由17.8 ℃改為23 ℃；
d)末級葉片長度由1 117.6 mm改為1 250 mm；
e)汽輪機(jī)旁路容量由40%額定汽量改為85%；
f)汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)由不設(shè)除氧器改為帶除氧器；
g)發(fā)電機(jī)電壓擬由21 kV改為24 kV；
h)凝汽器壓力由7 kPa改為5 kPa；
i)汽輪機(jī)凈熱耗率由10.209 kJ/(Wh)降到9.788 kJ/(Wh)以下；
j)加大凝結(jié)水精處理裝置容量；
k)常規(guī)島儀表控制采用微機(jī)分散控制系統(tǒng)。
2 ABB-CE的系統(tǒng)80(System80)型壓水堆核電機(jī)組
此方案也是壓水堆機(jī)組，較三環(huán)路方案不同之處是核島部分為雙蒸發(fā)器，由美國燃燒工程公司(ABB-CE)開發(fā)而成。此方案也為韓國核電國產(chǎn)化方案，核島部分為ABB-CE的系統(tǒng)80反應(yīng)堆，相匹配的常規(guī)島部分為美國GE公司的汽輪發(fā)電機(jī)組。參考電站為韓國靈光3、4機(jī)組。
靈光3、4機(jī)組經(jīng)過2～3 a的運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行狀況良好。
目前由于還沒有收集到GE公司關(guān)于靈光3、4機(jī)組常規(guī)島部分的詳細(xì)資料，汽輪發(fā)電機(jī)組的技術(shù)參數(shù)、型式、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及熱力系統(tǒng)等還暫時(shí)不能描述。
3 日本三菱公司的四環(huán)路壓水堆核電機(jī)組
此方案亦屬成熟技術(shù)的壓水堆機(jī)組，其技術(shù)的先進(jìn)性與安全水平與三環(huán)路和雙蒸發(fā)器方案相當(dāng)。日本三菱公司推薦的四環(huán)路壓水堆核電機(jī)組方案，是以日本大飯3、4機(jī)組作為參考電站。
大飯3、4機(jī)組采用了美國西屋公司的Model 412的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，與大飯1、2號機(jī)組完全一致(大飯1、2號機(jī)組均為西屋公司設(shè)備)，是一個(gè)技術(shù)成熟的、有豐富運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的機(jī)組。大飯3、4號機(jī)組已分別于1991年和1992年投入商業(yè)運(yùn)行。
3.1 三菱公司提供的汽輪發(fā)電機(jī)組的主要技術(shù)數(shù)據(jù)
a)發(fā)電機(jī)端額定出力：1 036 MW；
b)汽輪機(jī)型式：TC6F-44；
c)轉(zhuǎn)速：1 500 r/min；
d)主汽門前蒸汽參數(shù)：壓力6.30 MPa(絕對壓力)，溫度279.6 ℃，濕度0.43%，額定出力時(shí)蒸汽流量5 844.129 t/h；
e)給水溫度：226.7 ℃；
f)凝汽器壓力：5.07 kPa(絕對壓力)；
g)低壓缸總的排汽面積：71 m2；
h)發(fā)電機(jī)冷卻方式：水氫氫；
i)勵(lì)磁方式：無刷勵(lì)磁。
3.2 機(jī)組的主要特點(diǎn)
3.2.1 熱力系統(tǒng)
熱力系統(tǒng)為壓水堆機(jī)組典型的熱力系統(tǒng)，MSR再熱為兩級。汽輪機(jī)為1個(gè)高壓缸和3個(gè)低壓缸�；�?zé)嵯到y(tǒng)為1級高壓加熱器+1級除氧器+4級低壓回?zé)崞鳌?br />
3.2.2 廠房布置
機(jī)組布置為平行式，即反應(yīng)堆的軸線與汽輪發(fā)電機(jī)組的軸線平行，這樣的布置比較緊湊，汽機(jī)房體積小，行車可以共用，電纜長度短，機(jī)組之間的交通方便，只需要在汽機(jī)房墻的設(shè)計(jì)上考慮葉片飛射物的保護(hù)厚度即可。
4 先進(jìn)型沸水堆(ABWR)核電機(jī)組
此方案為美國通用電氣公司(GE)推出的先進(jìn)型沸水堆(ABWR)核電機(jī)組，能滿足用戶要求文件(URD)。以日本東京電力公司的柏崎6、7號機(jī)組作為參考電站。
柏崎6、7號機(jī)組是目前世界上唯一獲得美、日兩國設(shè)計(jì)批準(zhǔn)的、已建成并投入商業(yè)運(yùn)行的改進(jìn)型沸水堆核電機(jī)組。反應(yīng)堆和汽輪發(fā)電機(jī)組均由美國通用電氣公司生產(chǎn)，柏崎6號機(jī)是世界上第1個(gè)ABWR機(jī)組，于1991年9月開始建設(shè)，1996年11月竣工投入商業(yè)運(yùn)行。
沸水堆核電機(jī)組是以美國通用電氣公司(GE)為主進(jìn)行開發(fā)的。1957年首臺沸水堆核電機(jī)組投入運(yùn)行，其后，經(jīng)過多年的改進(jìn)，從BWR-1到BWR-6，最后到ABWR。
4.1 ABWR汽輪發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)數(shù)據(jù)
a)額定功率：1 350 MW；
b)汽輪機(jī)型式：TC6F-52；
c)汽缸結(jié)構(gòu)：四缸六排汽(1HP+3LP)；
d)主汽門前主蒸汽壓力：6.79 MPa；
e)主汽門前主蒸汽流量：7 640 t/h；
f)主汽門前主蒸汽濕度：0.4%；
g)低壓缸末級葉片長度：1 320.88 mm；
h)回?zé)嵯到y(tǒng)：4級低壓加熱器+2級高壓加熱器(無除氧器)。
4.2 ABWR核電機(jī)組的主要特點(diǎn)
4.2.1 熱力系統(tǒng)
熱力系統(tǒng)為直接循環(huán)系統(tǒng)，冷卻劑直接作為汽輪機(jī)的工質(zhì)，將PWR核電機(jī)組中的一回路和二回路并為1個(gè)回路。
ABWR和PWR的汽輪機(jī)回?zé)岢槠到y(tǒng)沒有什么兩樣，其參數(shù)相似，ABWR主蒸汽壓力略高于PWR，MSR的再熱采用兩級，以提高熱效率，4級低加、2級高加，不設(shè)除氧器。加熱器的疏水泵將疏水打入前級凝結(jié)水管。
4.2.2 廠房布置
由于ABWR是反應(yīng)堆核蒸汽直接通到汽輪機(jī)，因此汽機(jī)廠房需要考慮防放射性的措施，汽機(jī)高壓缸、MSR、高壓加熱器均用屏蔽墻隔離，運(yùn)行期間人員不能進(jìn)入。汽輪機(jī)的抽汽機(jī)排汽需經(jīng)過過濾排入排汽筒，整個(gè)汽機(jī)車間是閉式通風(fēng)系統(tǒng)。主蒸汽通過的安全殼兩側(cè)都有開關(guān)隔離閥。ABWR在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如核燃料包殼不破損，主蒸汽攜帶放射性核元素主要是N16，N16的半衰期僅7 s。新蒸汽部分，即高壓缸部分、MSR、高壓加熱器部分是帶放射性的，需要屏蔽，而低壓缸、凝結(jié)水部分是不帶放射性的，不做特殊屏蔽。
5 結(jié)束語
以上四類技術(shù)方案的核電機(jī)組均是目前世界上技術(shù)比較先進(jìn)和成熟的機(jī)組，其參考電站均有良好的運(yùn)行業(yè)績，四類方案都是可以供我國將來核電站選擇的常規(guī)島技術(shù)方案。
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