基于密度鎖的非能動余熱排出系統(tǒng)設(shè)計及驗證分析

陳 薇，嚴 春，閻昌琪，谷海峰

（1.哈爾濱工程大學 核科學與技術(shù)學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.華能山東石島灣核電開發(fā)有限公司，山東 榮成 264312）

密度鎖［1］通常是由兩端開口的豎直通道組成的蜂窩型管束，其內(nèi)無任何機械隔離部件，安裝于反應(yīng)堆主冷卻劑系統(tǒng)和非能動余熱排出系統(tǒng)之間，它的作用相當于“閥門”而又不像普通閥門那樣具有閥芯和瓣膜。反應(yīng)堆正常運行期間，密度鎖內(nèi)能形成穩(wěn)定的冷／熱流體溫度交界面，并依靠主冷卻劑回路和余熱排出回路之間的壓力平衡，交界面能穩(wěn)定地存在于密度鎖內(nèi)，從而將主回路與余熱排出回路中溫度不同的工質(zhì)隔開，使它們相互連通又阻止它們相互交混，此時，密度鎖處于“封閉”狀態(tài)。一旦反應(yīng)堆發(fā)生惡性事故，堆芯溫度升高，交界面處的壓力平衡將被打破，密度鎖自動開啟，事故冷卻水進入反應(yīng)堆內(nèi)，并通過自然循環(huán)不斷帶走堆芯余熱?？梢姡芏孺i從“封閉”到投入工作的過程中不需任何工作人員及外部動力的干預，僅依靠反應(yīng)堆自身運行特性來實現(xiàn)反應(yīng)堆的安全停堆，因此是最可靠的安全保障。

有關(guān)密度鎖技術(shù)的應(yīng)用，國外研究者進行了大量有益的探索，他們在一些新型反應(yīng)堆概念化設(shè)計中均應(yīng)用了密度鎖技術(shù)，比較典型的有 PIUS［2］、IRIS［3］及 CANDU［4］堆等，然而這些反應(yīng)堆均為池式反應(yīng)堆，其技術(shù)特點與目前應(yīng)用廣泛的分散式布置壓水堆相差較遠。如能提出一種新的設(shè)計方案，將密度鎖技術(shù)應(yīng)用于分散式布置壓水堆的非能動余熱排出系統(tǒng)中，對提高在役核電站的固有安全性具有重要意義。本文提出一種基于密度鎖的非能動余熱排出系統(tǒng)設(shè)計方案，并以AP1000主冷卻劑系統(tǒng)為載體，用REALP5／MOD3.2程序分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行特性。

1 基于密度鎖的非能動余熱排出系統(tǒng)設(shè)計方案

基于密度鎖的非能動余熱排出系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。該方案采用一次側(cè)冷卻方法，以換料水箱為最終熱阱，通過自然循環(huán)將事故后的堆芯余熱導出。余熱排出回路按系統(tǒng)正常運行時其內(nèi)流體溫度不同可分為冷管段和熱管段，冷管段包括非能動余熱換熱器、壓力調(diào)節(jié)回路、密度鎖及相應(yīng)的管道、閥門。密度鎖連接于反應(yīng)堆冷管段和換熱器出口之間，密度鎖內(nèi)流體受主回路高溫工質(zhì)的擾動及導熱作用將會形成穩(wěn)定的冷熱流體溫度分層，溫度從上至下逐漸降低。壓力調(diào)節(jié)回路與余熱排出回路冷管段相連，由節(jié)流孔板，調(diào)壓泵及相應(yīng)的管道組成。調(diào)壓泵轉(zhuǎn)速可調(diào)，通過調(diào)節(jié)壓力來調(diào)節(jié)回路流量，改變余熱排出回路冷管段流動阻力，可建立密度鎖水力平衡關(guān)系，維持主回路和余熱排出回路的隔離。余熱排出回路熱管段與主回路系統(tǒng)共用，如圖中虛線框出部分，熱管段包含1個循環(huán)回路，循環(huán)回路連接于反應(yīng)堆熱管段與余熱排出換熱器入口之間，系統(tǒng)正常運行時，循環(huán)回路中始終有高溫主冷卻工質(zhì)流動，流動方向如圖中實線所示，從而使余熱排出回路冷、熱管段之間存在較大重位壓差，可保證系統(tǒng)投入運行時建立一定自然循環(huán)驅(qū)動壓頭。

圖1 非能動余熱排出系統(tǒng)設(shè)計方案Fig.1 Design of PRHRS

密度鎖為余熱排出系統(tǒng)及主冷卻劑系統(tǒng)之間提供了1個常開的冷卻劑流動通道，其內(nèi)部無任何機械或傳動部件，系統(tǒng)正常運行時，若能建立密度鎖內(nèi)水力平衡關(guān)系，則可實現(xiàn)密度鎖“封閉”，維持主回路和余熱排出回路隔離。

2 密度鎖“封閉”條件分析

為分析方便，如圖1所示，定義余熱排出回路與主回路流動通道相交于1、2兩點；循環(huán)回路與主回路并聯(lián)于a、b兩點；余熱排出回路與壓力調(diào)節(jié)回路并聯(lián)，二者流動通道相交于c、d兩點。為便于說明，定義壓力調(diào)節(jié)回路中流體順時針方向流動為正向流動，逆時針方向流動為反向流動；余熱排出回路中冷管段流體向下流動為正向流動，向上流動為反向流動。

假設(shè)各通道內(nèi)工質(zhì)的流動是一維不可壓縮流體的流動，則其流動方程為：

式中：ρ為工質(zhì)的密度，kg／m3；w 為工質(zhì)的流速，m／s；p為壓力，Pa；θ為實驗管路與豎直方向的夾角；δp為不可逆壓降，Pa；t為時間，s。

將式（1）分別沿余熱排出回路冷管段1－2方向及熱管段2－1方向進行積分，并假設(shè)除重位壓頭外，流體密度不隨位置改變，得到如下方程：

式中：Q 為體積流量，m3／h；A 為通道流通面積，m2；下角標中1、2分別表示在位置1和位置2處的參數(shù)值，h、L分別代表余熱排出回路熱管段及冷管段流體參數(shù)值。

其中：

式中：ξ為壓力調(diào)節(jié)回路流動阻力系數(shù)；Qt為壓力調(diào)節(jié)回路體積流量，m3／h。

反應(yīng)堆正常運行時，系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)滿足以下條件：

1）非能動余熱排出回路與主回路隔離，即密度鎖應(yīng)處于“封閉”狀態(tài)，非能動余熱排出回路冷管段流量為0，其數(shù)學表達式為：

2）系統(tǒng)運行達穩(wěn)態(tài)后，主回路中體積流量基本不隨時間變化，是定常量，其數(shù)學表達式為：

將上述穩(wěn)定性條件式（5）、（6）代入方程（2）、（3）中，經(jīng)簡化便可得到反應(yīng)堆正常運行時，密度鎖處于“封閉”狀態(tài)需滿足的條件，即密度鎖內(nèi)的水力平衡條件：

上述方程中左邊第1項代表余熱排出回路冷、熱管段兩側(cè)流體重位壓差，第2項代表余熱排出回路冷管段與壓力調(diào)節(jié)回路公用管道（c－d）流動阻力壓降，右邊第1項代表熱管段流體流動阻力壓降，第2項代表熱管段流體流動加速壓降。密度鎖“封閉”應(yīng)滿足的水力平衡條件為：非能動余熱排出回路冷、熱管段流體重位壓差與余熱排出回路冷管段（c－d）流體流動阻力之和等于熱管段流體不可逆流動阻力及加速壓降之和。

鑒于非能動余熱排出換料水箱布置高度的限制，余熱排出回路冷、熱管段流體重位壓差較小，而冷卻劑流過堆芯的阻力壓降較大，系統(tǒng)中若不設(shè)置壓力調(diào)節(jié)回路，密度鎖內(nèi)流體上下兩側(cè)所受壓力不能平衡。主系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，壓力調(diào)節(jié)回路流體順時針方向流動，余熱排出回路冷管段產(chǎn)生較大流動阻力，由方程（7）知，通過對壓力調(diào)節(jié)回路循環(huán)流量的控制，可建立密度鎖內(nèi)水力平衡關(guān)系，維持主回路和余熱排出回路的隔離。

3 非能動余熱排出系統(tǒng)啟動特性分析

3.1 系統(tǒng)參數(shù)和計算模型

本文重點分析了非能動余熱排出系統(tǒng)的啟動特性，即：主回路系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行一段時間后，打開余熱排出回路截止閥，在PI控制系統(tǒng)作用下，根據(jù)密度鎖內(nèi)流體溫度變化情況調(diào)節(jié)調(diào)壓泵轉(zhuǎn)速，建立密度鎖內(nèi)水力平衡關(guān)系，使主回路高溫冷卻劑和余熱排出回路低溫冷卻水隔離。

將非能動余熱排出系統(tǒng)與AP1000主冷卻劑系統(tǒng)連接，采用兩個冷卻劑環(huán)路分別帶1套非能動余熱排出系統(tǒng)的布置方式，RELAP5計算節(jié)點劃分如圖2所示，為說明方便，圖中僅給出了反應(yīng)堆壓力容器及單環(huán)路計算節(jié)點，另一個環(huán)路計算節(jié)點與該環(huán)路類似。計算模型中包含了大部分一回路系統(tǒng)設(shè)備，主要有反應(yīng)堆壓力容器、主泵、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器及相應(yīng)的管道、閥門，省略了與計算無關(guān)的安注系統(tǒng)；穩(wěn)壓器安全閥可實現(xiàn)起跳和回座，不考慮穩(wěn)壓器內(nèi)加熱和噴淋作用；二回路系統(tǒng)僅保留了蒸汽發(fā)生器二次側(cè)及部分主蒸汽管道，簡化了主給水系統(tǒng)，用時間相關(guān)控制體及相應(yīng)接管模擬；余熱排出系統(tǒng)通過接管及分支部件與主回路系統(tǒng)冷熱管段相連，其中密度鎖用管型部件模擬，密度鎖內(nèi)劃分為5個控制體，3＃控制體溫度作為調(diào)壓泵轉(zhuǎn)速控制變量。

圖2 非能動余熱排出系統(tǒng)RELAP5計算節(jié)點圖Fig.2 RELAP5nodalization of PRHRS

計算過程中首先關(guān)閉余熱排出回路截止閥，調(diào)節(jié)主回路系統(tǒng)至穩(wěn)態(tài)運行工況，并使系統(tǒng)主要運行參數(shù)基本接近設(shè)計值［5］。主回路系統(tǒng)穩(wěn)定運行一段時間后，打開余熱排出回路截止閥，以密度鎖中心處流體溫度作為控制變量控制調(diào)壓泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)非能動余熱排出系統(tǒng)的啟動。具體方法是：根據(jù)密度鎖內(nèi)流體溫度分層特性，選取密度鎖中心處流體溫度作為調(diào)壓泵轉(zhuǎn)速的控制變量，該處流體溫度升高，密度鎖內(nèi)流體向下流動，則增大調(diào)壓泵轉(zhuǎn)速；該處流體溫度降低，密度鎖內(nèi)流體向上流動，則減小調(diào)壓泵轉(zhuǎn)速。

3.2 計算結(jié)果及分析

非能動余熱排出系統(tǒng)啟動過程中密度鎖溫度、壓力調(diào)節(jié)回路質(zhì)量流量及余熱排出回路質(zhì)量流量變化曲線如圖3所示。余熱排出回路截止閥打開前，密度鎖內(nèi)形成了穩(wěn)定的冷熱流體溫度分層，從上至下流體溫度依次降低，圖中繪制了開閥前后，密度鎖1?！?＃控制體溫度變化過程。30s之前主回路系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行，30s時打開余熱排出回路截止閥，此時主回路流體流動阻力遠大于余熱排出回路重位壓差，余熱排出回路流體瞬間產(chǎn)生較大正向流動，壓力調(diào)節(jié)回路也在主回路流體沖擊作用下產(chǎn)生較小流量的反向流動。隨著主回路高溫工質(zhì)的流入密度鎖內(nèi)流體溫度迅速升高，在控制系統(tǒng)反饋作用下，壓力調(diào)節(jié)回路質(zhì)量流量逐漸增加，增大了余熱排出回路流動阻力壓降，此后余熱排出回路產(chǎn)生反向流量，密度鎖內(nèi)流體溫度逐漸降低。密度鎖內(nèi)流體溫度隨著余熱排出回路流量的變化而變化，余熱排出回路流量為負時，密度鎖內(nèi)流體溫度升高，余熱排出回路流量為正時，密度鎖內(nèi)流體溫度降低。密度鎖中心處流體溫度圍繞其初始值上下波動，于140s左右基本恢復穩(wěn)定，密度鎖內(nèi)始終維持著較好的冷熱流體溫度分層，開閥后由于流體震蕩，密度鎖內(nèi)流體各分層間溫度梯度略有減小。壓力調(diào)節(jié)回路流量在密度鎖內(nèi)流體溫度控制作用下經(jīng)過一段時間波動后維持穩(wěn)定，余熱排出回路質(zhì)量流量最終穩(wěn)定在0kg／s，至此非能動余熱排出回路啟動成功。非能動余熱排出系統(tǒng)啟動過程中，主回路系統(tǒng)運行參數(shù)受其影響也會在穩(wěn)態(tài)值附近上下波動，余熱排出回路流量為0時，主回路系統(tǒng)運行參數(shù)恢復穩(wěn)定，且與反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)運行參數(shù)設(shè)計值基本相同，即余熱排出系統(tǒng)啟動最終不影響反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)運行特性。

圖3 非能動余熱排出系統(tǒng)啟動過程主要參數(shù)變化曲線Fig.3 Characteristic curves on main parameters of PRHRS startup process

非能動余熱排出系統(tǒng)啟動后，主回路和余熱排出回路隔離，非能動余熱排出系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài)，主回路系統(tǒng)運行穩(wěn)定。580s時將反應(yīng)堆堆芯功率降到90%Pn，以研究反應(yīng)堆運行參數(shù)變化時非能動余熱排出系統(tǒng)的響應(yīng)特性。密度鎖3?？刂企w溫度、壓力調(diào)節(jié)回路質(zhì)量流量、余熱排出回路質(zhì)量流量變化曲線如圖4所示。由于反應(yīng)堆功率瞬變，冷熱腿流體溫度瞬間降低，余熱排出回路冷、熱管段流體重位壓差減小，密度鎖內(nèi)原有的水力平衡被打破，余熱排出回路中產(chǎn)生較小的反向流量，主回路高溫工質(zhì)流入密度鎖，密度鎖內(nèi)流體溫度升高。在控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)下，壓力調(diào)節(jié)回路質(zhì)量流量先是增大，隨著余熱排出回路產(chǎn)生正向流量，密度鎖內(nèi)流體溫度降低，壓力調(diào)節(jié)回路質(zhì)量流量逐漸減小，經(jīng)過一段時間波動后最終趨于穩(wěn)定，余熱排出回路質(zhì)量流量經(jīng)過一段時間小幅度波動后于740s左右重新恢復為0，主回路和余熱排出回路重新隔離。功率瞬變前后，壓力調(diào)節(jié)回路質(zhì)量流量略有增加，彌補了余熱排出回路冷、熱管段流體重位壓差降低對密度鎖水力平衡關(guān)系造成的破壞，主回路系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行參數(shù)變化時，可通過對壓力調(diào)節(jié)回路流量的控制始終維持密度鎖的“封閉”，證明了該系統(tǒng)具有良好的抗擾動能力。

圖4 功率瞬變過程主要參數(shù)變化曲線Fig.4 Characteristic curves on main parameters with reactor power changing

4 結(jié)論

提出了一種基于密度鎖的非能動余熱排出系統(tǒng)設(shè)計方案，密度鎖連接于反應(yīng)堆冷管段和余熱排出換熱器出口之間，通過控制調(diào)壓泵轉(zhuǎn)速可維持密度鎖的“封閉”，主回路和余熱排出回路隔離，并以AP1000主冷卻劑系統(tǒng)為載體，研究了非能動余熱排出系統(tǒng)的啟動特性及反應(yīng)堆功率瞬變時系統(tǒng)的響應(yīng)特性，得到的主要結(jié)論如下。

1）非能動余熱排出系統(tǒng)啟動時，以密度鎖內(nèi)流體溫度作為控制信號，通過對壓力調(diào)節(jié)回路流量的控制，可自動建立密度鎖內(nèi)流體水力平衡關(guān)系，維持密度鎖的“封閉”，最終實現(xiàn)主回路和余熱排出回路的隔離，以及非能動余熱排出系統(tǒng)的成功啟動。

2）反應(yīng)堆正常運行期間，系統(tǒng)運行參數(shù)改變時，密度鎖內(nèi)原有的水力平衡被打破，密度鎖內(nèi)流體溫度發(fā)生變化，反饋到壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，壓力調(diào)節(jié)回路質(zhì)量流量將根據(jù)密度鎖內(nèi)流體溫度變化情況逐漸增大或減小，最終維持在某一穩(wěn)定值，重新建立主回路和余熱排出回路之間的壓力平衡關(guān)系，證明了該系統(tǒng)在反應(yīng)堆主系統(tǒng)正常運行期間具有較好的抗擾動能力。

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