一种一体化小型反应堆核电机组的系统与堆机运行方法与流程

1.本发明涉及核电机组技术领域，具体为一种一体化小型反应堆核电机组的系统与堆机运行方法。


背景技术：

2.近年来，随着核能技术的不断发展，一体化小型反应堆核电机组成为核能利用的新途径。与传统化石能源相比，核能具有燃料成本低、换料周期长、运行稳定性好、无污染物排放、核反应不需要氧气参与等优势。因此，对于海岛发电、海上石油钻井平台、破冰船、深海潜航器等科研设施或军用、民用设备领域，一体化小型反应堆有着广阔的应用空间。
3.与传统大型压水堆商用核电站相比，一体化小型反应堆核电机组在系统结构、性能需求等方面有着显著区别。在系统结构方面，由于采用了先进的一体化反应堆设计，内置直流式蒸汽发生器，二次侧给水在蒸汽发生器传热管内生成过热蒸汽，因此传统大型压水堆商用核电站通过调节给水流量来维持自然循环式蒸汽发生器液位的调节策略不再适用，需要研究新的给水调节控制策略；在性能需求方面，大型压水堆商用核电机组一般不参与电力调峰，对功率变化速率要求相对较低，通常不高于5％rtp/min，而一体化小型反应堆核电机组用途多样，在部分应用场景下对于机组输出功率的变化速率有着较高的要求。这些差异导致一体化小型反应堆核电机组在系统热力结构、运行控制方式等方面与传统大型压水堆商用核电站有很大区别，需要根据用户的需求设计相应的运行控制策略。
4.目前，一体化小型反应堆核电机组的设计仍处于探索阶段，国内外技术路线多样，但尚未形成统一、成熟的解决方案。在此背景下，通过机理分析和方案研究，提出一种可行的、具有输出功率快速响应能力的一体化小型反应堆核电机组的系统与堆机运行方法，为我国未来的核能利用提供一种新的思路，具有积极意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种一体化小型反应堆核电机组的系统与堆机运行方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种一体化小型反应堆核电机组的系统与堆机运行方法，包括一体化反应堆、汽轮发电机组、主要控制系统以及堆积运行方法；所述一体化反应堆包括压力容器、汽水分离器以及正常余热排出系统；所述压力容器内设有反应堆控制棒驱动机构和直流式蒸汽发生器，直流式蒸汽发生器的出口与汽水分离器的入口连接；所述正常余热排出系统的进出口与堆芯一回路管道相连接，用于在机组启停阶段导出堆芯余热；所述汽轮发电机组包括汽轮机入口蒸汽调节阀、汽轮机、凝汽器、凝结水泵、除氧器、给水泵、给水调节阀、旁路蒸汽排放阀、分离器疏水排放阀以及发电机；所述汽轮机入口蒸汽调节阀的入口与汽水分离器的蒸汽出口连接，汽轮机入口蒸汽调节阀的出口与汽轮机的入口连接，所述汽轮机的蒸汽出口与凝汽器的入口连接，凝汽器底部出口与凝结水泵的入口连接，凝结水泵的出口与除氧器的入口连接，除氧器的出口与给水泵的入
口连接，所述给水泵的出口与给水调节阀的入口连接，给水调节阀的出口与直流式蒸汽发生器的入口连接；所述旁路蒸汽排放阀的入口与汽水分离器蒸汽出口连接，旁路蒸汽排放阀的出口与凝汽器的入口连接；所述分离器疏水排放阀的入口与汽水分离器底部疏水口连接，分离器疏水排放阀的出口与除氧器的入口连接；所述发电机与汽轮机的转子连接；所述主要控制系统包括汽轮机蒸汽控制系统、反应堆功率控制系统、旁路蒸汽排放控制系统、给水流量控制系统以及分离器液位控制系统。
7.作为本发明一种优选的技术方案，所述汽轮机蒸汽控制系统有“功率运行模式”、“低负荷模式”两种模式；功率运行模式下，汽轮机入口蒸汽调节阀用于维持直流式蒸汽发生器出口压力恒定；低负荷模式下，汽轮机入口蒸汽调节阀根据发电机目标功率需求调节汽轮机入口蒸汽流量。
8.作为本发明一种优选的技术方案，所述反应堆功率控制系统有“手动控制模式”、“自动控制模式”两种控制模式；所述手动控制模式下，反应堆功率由操纵员手动控制；自动控制模式下，反应堆采用堆跟机控制策略，核岛功率跟随汽轮机组的负荷变化而变化，同时维持一回路平均温度恒定。
9.作为本发明一种优选的技术方案，所述旁路蒸汽排放控制系统有“温度控制模式”、“压力控制模式”两种模式；所述温度控制模式下，旁路蒸汽排放用于防止一回路平均温度过高；所述压力控制模式下，旁路蒸汽排放用于维持主蒸汽母管压力恒定。
10.作为本发明一种优选的技术方案，所述给水流量控制系统有“手动控制模式”、“功率运行模式”两种模式；所述手动控制模式下，根据操纵员指令调节或维持给水流量；所述功率运行模式下，根据机组发电功率目标值与实际值的偏差调节给水流量，响应外部供电需求。
11.作为本发明一种优选的技术方案，所述汽水分离器液位控制系统根据分离器液位与整定值偏差调节分离器内的疏水流量，防止蒸汽携水进入汽轮机导致叶片汽蚀。
12.本发明还提供了一种一体化小型反应堆核电机组的堆机运行方法，包括机组功率运行阶段、启动过程、正常停运过程三个阶段的堆机运行方法；
13.作为本发明一种优选的技术方案，所述机组功率运行阶段是指堆、机功率均大于15％额定功率，反应堆投入堆跟机“自动控制模式”的运行阶段。该阶段的运行方法为：
14.反应堆功率控制系统投入堆跟机“自动控制模式”，堆功率跟随汽轮机功率变化，并维持一回路平均温度为恒定值；
15.给水流量控制系统投入“功率运行模式”，根据汽轮机发电功率与目标功率的偏差调节蒸汽发生器给水流量，满足外部电力需求；
16.汽轮机蒸汽控制系统投入“功率运行模式”，根据蒸汽发生器出口压力的测量值与整定值之间的偏差调节汽轮机蒸汽流量，维持蒸汽发生器出口压力恒定；
17.旁路蒸汽排放控制系统投入“温度控制模式”，根据一回路平均温度测量值和参考值之间的偏差调节旁路蒸汽流量，防止一回路平均温度超出允许范围；
18.汽水分离器液位控制系统根据汽水分离器液位与设定值的偏差调节疏水调节阀的开度，将疏水导入除氧器。
19.作为本发明一种优选的技术方案，所述机组启动过程指从机组启动到反应堆投入“堆跟机”自动运行模式之间的这一过程。该阶段的运行方法为：
20.在一回路升温升压过程中，给水流量控制系统投入“手动控制模式”，维持二回路给水流量恒定为15％额定给水流量；通过分离器疏水调节阀将汽水分离器内的疏水排入除氧器，并通过调节除氧器的辅助加热蒸汽流量，使二回路给水同步升温；
21.反应堆功率控制系统投入“手动控制模式”，由热态零功率提升至15％左右的核岛热功率，并稳定在这一水平；
22.旁路蒸汽排放控制系统投入“压力控制模式”，根据主蒸汽母管压力与整定值的偏差自动调节旁路蒸汽排放调节阀开度，维持主蒸汽母管压力恒定；
23.汽轮机蒸汽控制系统投入“低功率模式”，实现汽轮机冲转并网；并网后，根据发电功率目标值与当前值的偏差调节蒸汽流量，将汽轮机发电功率提升至15％并保持在这一水平；
24.当反应堆、汽轮机功率均稳定在15％额定功率后，依次将汽轮机蒸汽控制系统切换至“功率运行模式”，将给水流量控制系统切换至“功率运行模式”，将旁路蒸汽排放控制系统切换至“温度控制模式”，最后将反应堆功率控制系统投入堆跟机“自动控制模式”，启动过程结束。
25.作为本发明一种优选的技术方案，所述机组正常停运过程指从反应堆退出堆跟机“自动控制模式”至反应堆停堆冷却的之一过程。该阶段运行方法为：
26.当反应堆、汽轮机功率均降至15％额定功率水平后，反应堆退出堆跟机“自动控制模式”，切换至“手动控制模式”，并稳定在这一功率水平；
27.当反应堆投入“手动控制模式”后，依次将旁路蒸汽排放控制系统切换至“压力控制模式”，将给水流量控制系统换至“手动控制模式”，并维持给水流量恒定为15％额定给水流量；
28.汽轮机蒸汽控制系统退出“功率运行模式”，按设定速率逐渐关闭直至汽轮机停机；
29.当汽轮机停机后，反应堆功率控制系统在“手动控制模式”下降低反应堆功率直至反应堆停堆正常余热排出系统启动，当一回路平均温度下降至设定值后，停运二回路给水系统，停运过程结束。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
31.本发明提供的一体化小型反应堆核电机组由于结构的特殊性和应用环境的差异性，其运行控制模式与传统大型商用核电机组有很大区别，目前行业内尚未形成统一、成熟的解决方案；本发明提供了一种一体化小型反应堆核电机组的系统和堆机运行方法，能够满足机组功率运行阶段、启动及停运过程中的内外部需求，并具备机组输出功率快速调节的能力，为我国未来的核能利用提供一种新的思路，具有积极意义。
附图说明
32.图1为本发明的整体结构示意图；
33.图2为本发明堆跟机自动控制模式下的反应堆功率控制系统逻辑图；
34.图3为本发明功率运行模式下的给水流量控制系统逻辑图；
35.图4为本发明功率运行模式下的汽轮机蒸汽控制系统逻辑图；
36.图5为本发明低负荷模式下的汽轮机蒸汽控制系统逻辑图；
37.图6为本发明汽水分离器液位控制系统逻辑图；
38.图7为本发明温度控制模式下的旁路蒸汽排放控制系统逻辑图；
39.图8为本发明压力控制模式下的旁路蒸汽排放控制系统逻辑图。
40.图中：1、压力容器；2、反应堆控制棒驱动机构；3、直流式蒸汽发生器；4、汽水分离器；5、汽轮机入口蒸汽调节阀；6、汽轮机；7、凝汽器；8、凝结水泵；9、除氧器；10、给水泵；11、给水调节阀；12、旁路蒸汽排放阀；13、分离器疏水排放阀；14、发电机；15、正常余热排出系统；16、汽轮机蒸汽控制系统；17、反应堆功率控制系统；18、蒸汽排放控制系统；19、给水流量控制系统；20、分离器液位控制系统。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
43.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种一体化小型反应堆核电机组的系统与堆机运行方法，包括一体化反应堆、汽轮发电机组、主要控制系统以及堆积运行方法；所述一体化反应堆包括压力容器1、汽水分离器4以及正常余热排出系统15；所述压力容器1内设有反应堆控制棒驱动机构2和直流式蒸汽发生器3，直流式蒸汽发生器3的出口与汽水分离器4的入口连接；所述正常余热排出系统15的进出口与堆芯一回路管道相连接，用于在机组启停阶段导出堆芯余热；所述汽轮发电机组包括汽轮机入口蒸汽调节阀5、汽轮机6、凝汽器7、凝结水泵8、除氧器9、给水泵10、给水调节阀11、旁路蒸汽排放阀12、分离器疏水排放阀13以及发电机14；所述汽轮机入口蒸汽调节阀5的入口与汽水分离器4的蒸汽出口连接，汽轮机入口蒸汽调节阀5的出口与汽轮机6的入口连接，所述汽轮机6的蒸汽出口与凝汽器7的入口连接，凝汽器7底部出口与凝结水泵8的入口连接，凝结水泵8的出口与除氧器9的入口连接，除氧器9的出口与给水泵10的入口连接，所述给水泵10的出口与给水调节阀11的入口连接，给水调节阀11的出口与直流式蒸汽发生器3的入口连接；所述旁路蒸汽排放阀12的入口与汽水分离器4蒸汽出口连接，旁路蒸汽排放阀12的出口与凝汽器7的入口连接；所述分离器疏水排放阀13的入口与汽水分离器4底部疏水口连接，分离器疏水排放阀13的出口与除氧器9的入口连接；所述发电机14与汽轮机6的转子连接；所述控制系统包括汽轮机蒸汽控制系统16、反应堆功率控制系统17、旁路蒸汽排放控制系统18、给水流量控制系统19以及分
离器液位控制系统20。
45.进一步的，所述反应堆采用一体化设计，并内置直流式蒸汽发生器3作为一回路、二回路热交换设备。
46.进一步的，所述汽轮机蒸汽控制系统16有“功率运行模式”、“低负荷模式”两种模式；功率运行模式下，汽轮机入口蒸汽调节阀5用于维持直流式蒸汽发生器3出口压力恒定；低负荷模式下，汽轮机入口蒸汽调节阀5根据发电机14目标功率需求调节汽轮机6入口蒸汽流量。
47.进一步的，所述反应堆功率控制系统17有“手动控制模式”、“自动控制模式”两种控制模式；所述手动控制模式下，反应堆功率由操纵员手动控制；自动控制模式下，反应堆采用堆跟机控制策略，核岛功率跟随汽轮机组的负荷变化而变化，同时维持一回路平均温度恒定。
48.进一步的，所述旁路蒸汽排放控制系统18有“温度控制模式”、“压力控制模式”两种模式；所述温度控制模式下，旁路蒸汽排放用于防止一回路平均温度过高；所述压力控制模式下，旁路蒸汽排放用于维持主蒸汽母管压力恒定。
49.进一步的，所述给水流量控制系统19有“手动控制模式”、“功率运行模式”两种模式；所述手动控制模式下，根据操纵员指令调节或维持给水流量；所述功率运行模式下，根据机组发电功率目标值与实际值的偏差调节给水流量，响应外部供电需求。
50.进一步的，所述汽水分离器液位控制系统20根据分离器液位与整定值偏差调节分离器内的疏水流量，防止蒸汽携水进入汽轮机6导致叶片汽蚀。
51.本发明还提供了一种一体化小型反应堆核电机组的堆机运行方法，包括以下三个阶段的堆机运行方法：
52.(1)机组功率运行阶段的堆机运行方法，即堆、机功率均功率大于15％，反应堆投入堆跟机“自动控制模式”阶段的运行方法；
53.(2)机组启动过程的堆机运行方法，即从机组启动到反应堆投入堆跟机“自动控制模式”这一过程的运行方法；
54.(3)机组正常停运过程的堆机运行方法，即从反应堆退出堆跟机“自动控制模式”至反应堆停堆冷却这一过程的运行方法。
55.进一步的，所述机组功率运行阶段下，反应堆控制棒驱动机构处于自动控制模式，堆功率跟随汽轮机负荷变化而变化，此时各控制系统基本逻辑如下：
56.如附图2所示，功率运行模式下的反应堆功率控制系统17原理：反应堆当前功率(归一值)与给水流量(归一值)的偏差值，用于表征堆机之间的功率失配分量；一回路平均温度测量值与参考值的偏差，用于表征反应堆冷却剂的温度失配分量。功率失配分量经pi运算后与温度失配分量相叠加，形成控制棒驱动机构的调节信号，维持一回路平均温度的恒定。
57.如附图3所示，功率运行模式下的给水流量控制系统19原理：机组目标负荷信号与当前主给水流量所表征的汽轮机6负荷信号之间的偏差形成功率控制系统的反馈分量；汽轮机6蒸汽流量的变化速率经运算后形成功率控制系统的前馈分量。前馈与反馈分量叠加后，经pid运算得到主给水调节阀的阀门开度信号，使主给水流量跟踪汽轮机目标负荷的变化而变化。
58.如附图4所示，功率运行模式下的汽轮机蒸汽控制系统16原理：直流式蒸汽发生器3出口压力的测量值与整定值之间的偏差经pi运算后得到汽轮机蒸汽调节阀的开度信号，用于维持直流式蒸汽发生器3出口压力恒定。
59.如附图6所示，汽水分离器4液位控制系统20原理：当汽水分离器4内疏水液位超过设定值，则汽水分离器4疏水调节阀将自动开启，将疏水送入凝汽器7热井。在启动、停运、故障等工况下，直流式蒸汽发生器3出口工质可能为过冷水、饱和水或湿蒸汽，通过汽水分离环节，可防止蒸汽携水进入汽轮机6导致汽机叶片损坏。
60.如附图7所示，温度控制模式下的旁路蒸汽排放控制系统18原理：机组处于功率运行阶段下，旁路蒸汽排放控制系统18投入“温度控制模式”。当汽轮机6甩负荷或汽机功率下降过快，导致一回路平均温度测量值和参考值之间的偏差超过允许范围，旁路蒸汽排放调节阀12将打开，增大旁路蒸汽流量，加速导出一回路热量，维持一回路平均温度稳定；当反应堆紧急停堆时，一回路平均温度测量值与设定值(无载温度)之间的偏差超过允许范围，旁路蒸汽排放调节阀12将打开，增大旁路蒸汽流量，加速导出一回路热量，维持一回路平均温度的稳定。
61.进一步的，所述机组启动过程中，为实现所述一体化小型反应堆核电机组的堆机协调运行，需执行包含但不限于以下关键步骤：
62.步骤一：完成反应堆、汽轮机侧启动前的各自准备工作；
63.步骤二：对一回路升温加压，在此期间由正常余热排出系统15导出堆芯热量；
64.步骤三：当二回路满足启动条件后，启动凝水泵8、给水泵10，并通过给水调节阀9维持给水流量约为额定给水流量的15％；此时，由于给水在直流式蒸汽发生器3内未经加热，因此仍以过冷水状态流入汽水分离器4；
65.步骤四：汽水分离器疏水排放阀13根据汽水分离器液位与参考值的偏差自动调节阀门开度，将汽水分离器底部的疏水导入除氧器；通过调节进入除氧器的辅助加热蒸汽流量，对二回路给水同步加热；
66.步骤五：当二次侧给水流量已稳定建立且一回路平均温度上升至设定值后，停运正常余热排出系统15；
67.步骤六：反应堆功率控制系统置于手动控制模式，控制棒棒位由操纵员输入的目标棒位及提棒速度决定；手动模式下，将反应堆功率提升至约15％额定功率，并稳定在这一水平；这一过程中，随一回路热功率逐渐上升，直流式蒸汽发生器3内开始形成蒸汽；
68.步骤七：当汽水分离器顶部蒸汽压力超过设定值后，汽轮机旁路调节阀12开启并投入“压力控制模式”，控制原理如图7所示；根据主蒸汽母管压力与整定值的偏差自动调节旁路蒸汽排放调节阀开度，将汽水分离器上部的蒸汽排至凝汽器汽侧空间；
69.步骤八：汽轮机蒸汽调节阀5打开，开始汽轮机暖机及冲转；冲转过程中，汽轮机蒸汽调节阀5接受汽轮机功频电液调节系统的阀位指令，控制原理如图5所示；此时，汽机转速测量值与目标值的偏差经pi运算后形成频率调节分量，与功率调节分量(冲转阶段该分量为0)叠加后，共同调节汽轮机蒸汽调节阀5开度；
70.步骤九：当汽机转速达到目标转速后，发电机14出口断路器闭合，发电机14对外供电；
71.步骤十：汽轮机蒸汽调节阀5在汽轮机功频电液调节系统的控制下将功率升至约
15％额定功率，并保持稳定运行，控制原理如图5所示；此时，汽机发电功率测量值与目标值之间的偏差经pi运算后形成功率调节分量，与频率调节分量叠加后，共同调节汽轮机蒸汽调节阀5开度；
72.步骤十一：堆、机功率均稳定在约15％额定功率后，将汽轮机蒸汽流量调节阀5切换至“功率运行模式”(如附图4所示)；根据直流式蒸汽发生器3出口压力与参考压力的偏差调节汽轮机入口汽轮机蒸汽调节阀5开度，维持直流式蒸汽发生器3出口压力稳定；由于此时旁路蒸汽调节阀12处于“压力控制模式”(如附图8所示)，直流式蒸汽发生器3出口压力已稳定在目标值，因此汽轮机蒸汽流量调节阀5的模式切换不会对蒸汽流量、压力产生明显扰动；
73.步骤十二：给水流量调节阀11切换至“功率运行模式”(如附图3所示)，目标负荷初始值为15％额定负荷；由于模式切换前给水流量、汽机功率均已达到并维持在约15％额定值，因此该切换不会对汽机运行产生明显扰动；
74.步骤十三：旁路蒸汽排放调节阀12切换至“温度控制模式”(如附图7所示)；旁路蒸汽排放阀12将根据一回路平均温度测量值与参考温度的偏差自动调节阀门开度，当偏差过大时，旁路蒸汽排放阀12打开，用于防止一、二回路功率失配导致的一回路过热；
75.步骤十四：操纵员将反应堆控制系统投“自动控制模式”(如附图2所示)；机组进入“堆跟机”运行模式，反应堆功率将跟随汽轮机负荷变化而变化；操纵员可设定新的目标负荷，机组继续升负荷。
76.进一步的，所述机组停运过程中，为实现所述一体化小型反应堆核电机组的堆机协调运行，需执行包括但不限于以下步骤：
77.步骤一：当反应堆、汽轮机功率均降至约15％额定功率水平后，反应堆退出堆跟机“自动控制模式”，切换至“手动控制模式”，并稳定在这一功率水平；
78.步骤二：旁路蒸汽排放调节阀12切换至“压力控制模式”，控制原理如附图8所示；根据主蒸汽母管压力与整定值的偏差自动调节旁路蒸汽排放阀12开度，维持主蒸汽母管压力稳定；
79.步骤三：将给水流量调节阀11切换至“手动控制模式”，并维持恒定的给水流量(约15％额定流量)通过直流式蒸汽发生器3，以保证能够带走一回路产生的热量；
80.步骤四：汽轮机入口蒸汽调节阀5退出“功率运行模式”，并按设定速率逐渐关闭；随汽轮机6入口蒸汽流量逐渐减小，汽轮机6发电功率将逐渐下降；
81.步骤五：发电机14功率下降并触发逆功率保护后，发电机14出口断路器将自动断开；
82.步骤六：汽轮机入口蒸汽调节阀5继续关小直至完全关闭，汽轮机6停机；
83.步骤七：操纵员在手动模式下降低反应堆功率，直至反应堆停堆；
84.步骤八：当一回路平均温度降至设定值后，正常余热排出系统15启动，导出堆芯产生的热量；
85.步骤九：正常余热排出系统15稳定运行后，停运二次侧给水系统；
86.步骤十：一回路平均温度进一步下降至允许值后，停运正常余热排出系统15；
87.步骤十一：完成反应堆、汽轮机6停运后的维护、保养工作。
88.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以
理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。