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摘要：本文研究了AP1000核电站辅汽汽源的选择与设置。在核电站辅汽系统设计中，不同的辅汽系统配置对机组运行的安全性、稳定性有着不同的影响。本文提出了核电站正常运行工况主汽、五级抽汽两种汽源配置方案，针对不同方案进行了技术经济对比。分析表明：AP1000核电站辅汽系统可取消设置蒸汽转换系统；主汽作汽源时，相比五级抽汽作为汽源，经济性略差，但减少了湿蒸汽侵蚀的不利影响，降低了系统造价及运行维护成本，提高电站机组运行的安全性、稳定性。
关键词：核电；辅助蒸汽；AP1000；蒸汽转换系统；汽源
1 引言
辅助蒸汽（辅汽）系统是发电厂主要汽水循环以外，供应核岛（核电站）/锅炉（火电站）、汽机及其辅助设备启动、停机和正常运行所需加热、保护用汽的系统[1]。辅汽系统主要由供汽汽源、辅汽母管、用汽支管、旁路管，以及一系列相应的安全阀、减温减压器、疏水装置等组成[2-3]。
辅汽系统主要功能可分为两方面：当本机组处于启动阶段而需要蒸汽时，它可以将正在运行的相邻机组（首台机组则是辅助锅炉）的蒸汽引送到本机组的蒸汽用户，如除氧器水箱预热、汽轮机轴封、真空系统抽气器、水处理室、厂用热交换器、核岛VYS（Hot Water Heating System）用汽（核电）等；当本机组正在运行时，也可将本机组的蒸汽引送到相邻（正在启动）机组的蒸汽用户，或将本机组蒸汽引送到本机组各个需要辅助蒸汽的用户[3]。
辅汽系统是电厂运行的主要系统之一。在其系统设计中，辅助蒸汽系统配置及供汽汽源的选择占据了重要的地位。核电站辅汽系统可采用的汽源包括辅助锅炉、主汽和抽汽。不同的汽源对机组运行的安全性、稳定性有着不同的影响。供汽参数偏低无法满足用户需要，偏高则降低电厂运行效率，使发电能耗增长，经济性下降。核电站中，还需考虑辅汽与主汽的隔离问题 [4-6]。目前国内在建的核电项目有M310、AP1000等堆型，辅汽系统汽源的选择、设置不尽相同。本文通过对某AP1000核电站辅汽汽源选择、设置，分析不同方案下系统热力经济性能，提出该工程设计参数下的最佳方案，为其他核电工程辅汽汽源选择、设置提供参考。
2 辅助蒸汽汽源的选择与设置
2.1 取消蒸汽转换系统
目前，从法国引进的M310堆型的1000MW核电机组，均设置了蒸汽转换系统STR（Steam Transformer system）。STR系统作为辅助蒸汽系统的子系统，实质相当于一个换热器，在电站正常运行期间，利用热侧主蒸汽将冷侧除盐水加热成饱和蒸汽作为辅助蒸汽，并确保辅助蒸汽和主蒸汽隔離——防止主汽遭到放射性污染时通过辅汽系统传播到外界环境、威胁人员安全，但是否设置STR系统一直存在争议。
法国《核电站系统设计和建造规则》并未对STR系统及其设备进行核安全定级，也未对该系统提出核安全功能要求或核安全防护要求。STR设计准则是能在启动和运行期间连续可靠地向辅助蒸汽用户提供额定参数的用汽量，系统没有与核安全准则相关的安全措施，与核安全无关。
同时，STR的隔离功能在核电站实际运行中发挥的作用极其有限。正常运行时，主蒸汽没有放射性，辅汽系统不需要隔离；一台蒸汽发生器发生汽侧放射性有限超标时，主汽隔离阀快速关闭，常规岛没有被污染，辅汽系统也不需要隔离[4]；蒸汽发生器发生大量破管，汽侧、水侧发生大量放射性污染，超过设定值，二回路全被污染，核电站启动应急措施时，只需设计时对与人和大气接触的部分辅汽用户单独供汽（如辅助锅炉供汽），则STR的隔离功能也无必要。对于AP1000电站，辅助蒸汽用户主要包括：
如取消STR系统，核电站可通过主蒸汽或汽机抽汽经减温减压向辅汽用户供汽。既减少了诸多设备、阀门以及相应的电气仪控设备，系统和厂房布置更简单，系统复杂性降低、可靠性提高，又降低了运行、维护成本，提高了电站经济性。
在美国、日本、欧洲EPR压水堆核电站的常规岛设计中，都没有STR。可见，取消STR成熟可靠。本文中某AP1000核电站辅汽系统同样也取消了STR的设置。
2.2 汽源的选择
在机组启动、正常运行和停堆期间，辅助蒸汽系统给电厂各辅汽用户提供蒸汽。辅助蒸汽用户包括除氧器、汽轮机轴封系统、厂区BOP（Balance of Plant）采暖、洗衣机房用汽和核岛VYS用汽等，其中除氧器用汽、轴封用汽只在机组启动阶段需要。本文主要分析某AP1000核电站正常运行期间辅助蒸汽汽源的选择，此时辅汽用户为厂区BOP采暖和核岛VYS系统用汽。
正常运行工况下辅汽用量Q设计为：
（1）
其中，Q1——厂区BOP采暖用汽，t/h；
Q2——核岛VYS系统用汽，t/h。
辅助蒸汽可采用的汽源包括辅助锅炉、主汽和抽汽（AP1000技术系列核电站中五级抽汽参数与辅助蒸汽需求接近，通常采用汽轮机五级抽汽）：辅助锅炉只在首台机组启动时提供辅助蒸汽；正常运行时汽源可采用主汽或汽机五级抽汽。
3 工程案例
3.1 辅助蒸汽系统参数
某AP1000核电站可作为正常运行时辅汽汽源的额定工况主汽、五级抽汽参数如表1所示。
根据辅汽用户的用汽需求，如采用主蒸汽作为辅助蒸汽汽源，需进行减压，经过调节阀节流后变为1.0MPa（a）/182.3°C的过热蒸汽；如采用汽轮机五级抽汽作为辅助蒸汽汽源，温度、压力、焓值匹配辅汽用户的需求，可直接供汽。
3.2 辅助蒸汽汽源选择方案
主汽、五级抽汽作为核电站正常运行时的备选辅汽汽源，均能满足电站系统正常运行的要求，但技术经济性能有待进一步考察。
3.2.1 技术性能
（1） 辅汽用量及功率损失 采用不同汽源时，经分析计算（供汽量满足辅汽用户的热量需求），得到正常运行时厂区BOP采暖用汽Q1和核岛VYS系统用汽Q2，由公式（1）得到辅助蒸汽的总用量Q，如表2所示。
当采用主汽作为辅汽汽源时，由于主汽参数较高，所需辅汽总量为26.8t/h。当采用五级抽汽作为辅汽汽源时，由于五级抽汽参数较低，所需辅汽总量较大，为31.1t/h。
两种情况下，流经汽机的工质流量都会减小，核电站功率有所下降。经运行分析测算，辅汽汽源为主汽时，机组额定输出功率降低5.4MW；为五级抽汽时，机组额定功率降低4.5MW。主汽为汽源时功率损失较大，主要是因为但其参数更高、品质更好，对电站出功的影响更为显著。
（2） 系统运行
辅汽用户距离汽源点较远，且常布置在主厂房外部，由于管道散热原因，输送过程中辅汽湿度将增大，在管道、阀门以及设备设计过程中均需要考虑湿蒸汽冲蚀的影响。如采用五级抽汽作为汽源，额定工况抽汽口蒸汽湿度为12.13%，在管道末端蒸汽湿度更大，采用主汽为汽源时，蒸汽减压后成为过热蒸汽。五级抽汽汽源产生的湿蒸汽冲蚀影响将远大于主汽作汽源时的蒸汽冲蚀作用，对管道、阀门、设备的表面材料提出了更高的抗汽蚀要求，管道需要采用低合金钢。
另外，核电站临机启动时，辅汽汽源还需要为汽机轴封系统供汽，蒸汽湿度过大将对汽机运行安全产生潜在不利的影响，所以在为临机启动供汽时，还是需要将辅助蒸汽汽源切换至主蒸汽。
3.2.2 经济性能
对上述两种辅汽汽源配置方案进行经济性分析，前提假设如下：
（1） 考虑供热系统冬季3个月的满负荷时间，2160h；
（2） 上网电价0.37RMB/kWh。
采用不同的辅汽汽源，机组额定功率损失有所不同，由此带来上网收益的差异。上网收益I的计算公式如下：
（2）
其中，T——运行时间，h；
P——额定工况电功率，kW；
R——电价，RMB/kWh。
主汽汽源、五级抽汽汽源两种方案的经济性能对比结果如表3所示。采用主汽作为辅汽汽源时，年損失功率比采用五级抽汽汽源多出1944MWh，年折合上网收益减少72万元。就经济性能而言，主汽汽源略差。
综合比较两种汽源方案的技术性能、经济性能，尽管主汽作为汽源时电站收益略有减少（72万元/年），但核电站机组运行的安全性、稳定性更加优良，管道阀门设备造价及运行维护成本有所改善，本文中某AP1000核电站辅助蒸汽汽源由主汽提供。
4 结论
本文研究了某AP1000核电站辅汽汽源的选择与设置，就其辅汽系统设计，提出了主汽、五级抽汽两种正常运行工况的汽源配置方案，并对其进行了技术经济性对比，结论如下：
（1） 鉴于蒸汽转换系统STR不具备核安全防护要求，隔离功能在实际运行中作用极其有限，根据已有设计、运行经验，文中某AP1000核电站辅汽系统取消设置STR，降低了系统复杂性、运行维护成本，提高了电站运行可靠性、经济性；
（2） 辅助蒸汽汽源可采用主蒸汽或主蒸汽加五抽两种方案配置，当设置五抽汽源时，系统复杂并且在机组启动、停机过程中以及为临机供汽时需要进行辅汽汽源的切换。
（3） 当采用主汽作为辅汽汽源时，所需辅汽总量为26.8t/h，机组额定输出功率降低5.4MW。当采用五级抽汽作为辅汽汽源时，所需辅汽总量为31.1t/h，机组额定输出功率降低4.5MW。主汽汽源方案经济性能略差，年折合上网收益减少72万元，对于东北等供热期长、环境温度低的厂址条件收益减少增大，可以考虑主蒸汽和五级抽汽作为辅助蒸汽汽源，而对于南方厂址推荐采用主蒸汽作为辅助蒸汽汽源。
参考文献
[1] 刘安云. M701F燃气-蒸汽联合循环电厂辅汽组成及运行特点介绍[J]. 沿海企业与科技，2010， 117（2）：156-158.
[2] 赵立杰，解延娟. 浅谈热力发电厂辅汽系统[J]. 中国科技博览，2011， 22：21-22.
[3] 华东六省一市电机工程（电力）学会. 汽轮机设备及其系统[M]. 第2版. 北京： 中国电力出版社， 2006： 111-112.
[4] 兰花. 关于M310核电站常规岛取消STR系统的讨论[C]. 中国电机工程学会核能发电分会2009年学术年会论文集， 中国 三亚， 2009：289-295.
[5] 徐国飞， 李海冰， 赵振晖. M310机组共用辅助蒸汽STR设计与研究[J]. 核科学与工程，2013， 33（2）：209-212.
[6] 罗海泉. 二代改进型核电站辅助蒸汽方案改进分析[J]. 江西电力职业技术学院学报，2007， 20（4）：27-29.
关键词：核电；辅助蒸汽；AP1000；蒸汽转换系统；汽源
1 引言
辅助蒸汽（辅汽）系统是发电厂主要汽水循环以外，供应核岛（核电站）/锅炉（火电站）、汽机及其辅助设备启动、停机和正常运行所需加热、保护用汽的系统[1]。辅汽系统主要由供汽汽源、辅汽母管、用汽支管、旁路管，以及一系列相应的安全阀、减温减压器、疏水装置等组成[2-3]。
辅汽系统主要功能可分为两方面：当本机组处于启动阶段而需要蒸汽时，它可以将正在运行的相邻机组（首台机组则是辅助锅炉）的蒸汽引送到本机组的蒸汽用户，如除氧器水箱预热、汽轮机轴封、真空系统抽气器、水处理室、厂用热交换器、核岛VYS（Hot Water Heating System）用汽（核电）等；当本机组正在运行时，也可将本机组的蒸汽引送到相邻（正在启动）机组的蒸汽用户，或将本机组蒸汽引送到本机组各个需要辅助蒸汽的用户[3]。
辅汽系统是电厂运行的主要系统之一。在其系统设计中，辅助蒸汽系统配置及供汽汽源的选择占据了重要的地位。核电站辅汽系统可采用的汽源包括辅助锅炉、主汽和抽汽。不同的汽源对机组运行的安全性、稳定性有着不同的影响。供汽参数偏低无法满足用户需要，偏高则降低电厂运行效率，使发电能耗增长，经济性下降。核电站中，还需考虑辅汽与主汽的隔离问题 [4-6]。目前国内在建的核电项目有M310、AP1000等堆型，辅汽系统汽源的选择、设置不尽相同。本文通过对某AP1000核电站辅汽汽源选择、设置，分析不同方案下系统热力经济性能，提出该工程设计参数下的最佳方案，为其他核电工程辅汽汽源选择、设置提供参考。
2 辅助蒸汽汽源的选择与设置
2.1 取消蒸汽转换系统
目前，从法国引进的M310堆型的1000MW核电机组，均设置了蒸汽转换系统STR（Steam Transformer system）。STR系统作为辅助蒸汽系统的子系统，实质相当于一个换热器，在电站正常运行期间，利用热侧主蒸汽将冷侧除盐水加热成饱和蒸汽作为辅助蒸汽，并确保辅助蒸汽和主蒸汽隔離——防止主汽遭到放射性污染时通过辅汽系统传播到外界环境、威胁人员安全，但是否设置STR系统一直存在争议。
法国《核电站系统设计和建造规则》并未对STR系统及其设备进行核安全定级，也未对该系统提出核安全功能要求或核安全防护要求。STR设计准则是能在启动和运行期间连续可靠地向辅助蒸汽用户提供额定参数的用汽量，系统没有与核安全准则相关的安全措施，与核安全无关。
同时，STR的隔离功能在核电站实际运行中发挥的作用极其有限。正常运行时，主蒸汽没有放射性，辅汽系统不需要隔离；一台蒸汽发生器发生汽侧放射性有限超标时，主汽隔离阀快速关闭，常规岛没有被污染，辅汽系统也不需要隔离[4]；蒸汽发生器发生大量破管，汽侧、水侧发生大量放射性污染，超过设定值，二回路全被污染，核电站启动应急措施时，只需设计时对与人和大气接触的部分辅汽用户单独供汽（如辅助锅炉供汽），则STR的隔离功能也无必要。对于AP1000电站，辅助蒸汽用户主要包括：
如取消STR系统，核电站可通过主蒸汽或汽机抽汽经减温减压向辅汽用户供汽。既减少了诸多设备、阀门以及相应的电气仪控设备，系统和厂房布置更简单，系统复杂性降低、可靠性提高，又降低了运行、维护成本，提高了电站经济性。
在美国、日本、欧洲EPR压水堆核电站的常规岛设计中，都没有STR。可见，取消STR成熟可靠。本文中某AP1000核电站辅汽系统同样也取消了STR的设置。
2.2 汽源的选择
在机组启动、正常运行和停堆期间，辅助蒸汽系统给电厂各辅汽用户提供蒸汽。辅助蒸汽用户包括除氧器、汽轮机轴封系统、厂区BOP（Balance of Plant）采暖、洗衣机房用汽和核岛VYS用汽等，其中除氧器用汽、轴封用汽只在机组启动阶段需要。本文主要分析某AP1000核电站正常运行期间辅助蒸汽汽源的选择，此时辅汽用户为厂区BOP采暖和核岛VYS系统用汽。
正常运行工况下辅汽用量Q设计为：
（1）
其中，Q1——厂区BOP采暖用汽，t/h；
Q2——核岛VYS系统用汽，t/h。
辅助蒸汽可采用的汽源包括辅助锅炉、主汽和抽汽（AP1000技术系列核电站中五级抽汽参数与辅助蒸汽需求接近，通常采用汽轮机五级抽汽）：辅助锅炉只在首台机组启动时提供辅助蒸汽；正常运行时汽源可采用主汽或汽机五级抽汽。
3 工程案例
3.1 辅助蒸汽系统参数
某AP1000核电站可作为正常运行时辅汽汽源的额定工况主汽、五级抽汽参数如表1所示。
根据辅汽用户的用汽需求，如采用主蒸汽作为辅助蒸汽汽源，需进行减压，经过调节阀节流后变为1.0MPa（a）/182.3°C的过热蒸汽；如采用汽轮机五级抽汽作为辅助蒸汽汽源，温度、压力、焓值匹配辅汽用户的需求，可直接供汽。
3.2 辅助蒸汽汽源选择方案
主汽、五级抽汽作为核电站正常运行时的备选辅汽汽源，均能满足电站系统正常运行的要求，但技术经济性能有待进一步考察。
3.2.1 技术性能
（1） 辅汽用量及功率损失 采用不同汽源时，经分析计算（供汽量满足辅汽用户的热量需求），得到正常运行时厂区BOP采暖用汽Q1和核岛VYS系统用汽Q2，由公式（1）得到辅助蒸汽的总用量Q，如表2所示。
当采用主汽作为辅汽汽源时，由于主汽参数较高，所需辅汽总量为26.8t/h。当采用五级抽汽作为辅汽汽源时，由于五级抽汽参数较低，所需辅汽总量较大，为31.1t/h。
两种情况下，流经汽机的工质流量都会减小，核电站功率有所下降。经运行分析测算，辅汽汽源为主汽时，机组额定输出功率降低5.4MW；为五级抽汽时，机组额定功率降低4.5MW。主汽为汽源时功率损失较大，主要是因为但其参数更高、品质更好，对电站出功的影响更为显著。
（2） 系统运行
辅汽用户距离汽源点较远，且常布置在主厂房外部，由于管道散热原因，输送过程中辅汽湿度将增大，在管道、阀门以及设备设计过程中均需要考虑湿蒸汽冲蚀的影响。如采用五级抽汽作为汽源，额定工况抽汽口蒸汽湿度为12.13%，在管道末端蒸汽湿度更大，采用主汽为汽源时，蒸汽减压后成为过热蒸汽。五级抽汽汽源产生的湿蒸汽冲蚀影响将远大于主汽作汽源时的蒸汽冲蚀作用，对管道、阀门、设备的表面材料提出了更高的抗汽蚀要求，管道需要采用低合金钢。
另外，核电站临机启动时，辅汽汽源还需要为汽机轴封系统供汽，蒸汽湿度过大将对汽机运行安全产生潜在不利的影响，所以在为临机启动供汽时，还是需要将辅助蒸汽汽源切换至主蒸汽。
3.2.2 经济性能
对上述两种辅汽汽源配置方案进行经济性分析，前提假设如下：
（1） 考虑供热系统冬季3个月的满负荷时间，2160h；
（2） 上网电价0.37RMB/kWh。
采用不同的辅汽汽源，机组额定功率损失有所不同，由此带来上网收益的差异。上网收益I的计算公式如下：
（2）
其中，T——运行时间，h；
P——额定工况电功率，kW；
R——电价，RMB/kWh。
主汽汽源、五级抽汽汽源两种方案的经济性能对比结果如表3所示。采用主汽作为辅汽汽源时，年損失功率比采用五级抽汽汽源多出1944MWh，年折合上网收益减少72万元。就经济性能而言，主汽汽源略差。
综合比较两种汽源方案的技术性能、经济性能，尽管主汽作为汽源时电站收益略有减少（72万元/年），但核电站机组运行的安全性、稳定性更加优良，管道阀门设备造价及运行维护成本有所改善，本文中某AP1000核电站辅助蒸汽汽源由主汽提供。
4 结论
本文研究了某AP1000核电站辅汽汽源的选择与设置，就其辅汽系统设计，提出了主汽、五级抽汽两种正常运行工况的汽源配置方案，并对其进行了技术经济性对比，结论如下：
（1） 鉴于蒸汽转换系统STR不具备核安全防护要求，隔离功能在实际运行中作用极其有限，根据已有设计、运行经验，文中某AP1000核电站辅汽系统取消设置STR，降低了系统复杂性、运行维护成本，提高了电站运行可靠性、经济性；
（2） 辅助蒸汽汽源可采用主蒸汽或主蒸汽加五抽两种方案配置，当设置五抽汽源时，系统复杂并且在机组启动、停机过程中以及为临机供汽时需要进行辅汽汽源的切换。
（3） 当采用主汽作为辅汽汽源时，所需辅汽总量为26.8t/h，机组额定输出功率降低5.4MW。当采用五级抽汽作为辅汽汽源时，所需辅汽总量为31.1t/h，机组额定输出功率降低4.5MW。主汽汽源方案经济性能略差，年折合上网收益减少72万元，对于东北等供热期长、环境温度低的厂址条件收益减少增大，可以考虑主蒸汽和五级抽汽作为辅助蒸汽汽源，而对于南方厂址推荐采用主蒸汽作为辅助蒸汽汽源。
参考文献
[1] 刘安云. M701F燃气-蒸汽联合循环电厂辅汽组成及运行特点介绍[J]. 沿海企业与科技，2010， 117（2）：156-158.
[2] 赵立杰，解延娟. 浅谈热力发电厂辅汽系统[J]. 中国科技博览，2011， 22：21-22.
[3] 华东六省一市电机工程（电力）学会. 汽轮机设备及其系统[M]. 第2版. 北京： 中国电力出版社， 2006： 111-112.
[4] 兰花. 关于M310核电站常规岛取消STR系统的讨论[C]. 中国电机工程学会核能发电分会2009年学术年会论文集， 中国 三亚， 2009：289-295.
[5] 徐国飞， 李海冰， 赵振晖. M310机组共用辅助蒸汽STR设计与研究[J]. 核科学与工程，2013， 33（2）：209-212.
[6] 罗海泉. 二代改进型核电站辅助蒸汽方案改进分析[J]. 江西电力职业技术学院学报，2007， 20（4）：27-29.