直流蒸汽發(fā)生器分組運(yùn)行對流動不穩(wěn)定的影響

郝承明，劉新凱，彭敏俊，夏庚磊，劉建閣

（1.哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.海軍裝備研究院 艦船所 核動力室，北京 100161）

直流蒸汽發(fā)生器（OTSG）多用于一體化壓水堆，通常多臺OTSG在壓力容器內(nèi)環(huán)繞堆芯布置。由于OTSG內(nèi)包含數(shù)百個(gè)并聯(lián)通道，各通道的水動力特性曲線均不盡相同，運(yùn)行時(shí)傳熱管二次側(cè)工質(zhì)從過冷水最終成為過熱蒸汽，存在劇烈的相變過程，可能導(dǎo)致各種形式的流動不穩(wěn)定。影響平行通道管間脈動的主要因素有一次側(cè)冷卻劑流量、一次側(cè)冷卻劑平均溫度、給水流量、蒸汽壓力、給水溫度和蒸汽發(fā)生器傳熱管入口節(jié)流系數(shù)等［1－2］，OTSG 在低負(fù)荷下運(yùn)行，更易發(fā)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象［3］。因此，OTSG必須在最低穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷以上運(yùn)行，以保證一體化壓水堆核動力裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。啟動、停止和低負(fù)荷運(yùn)行是核動力裝置的基本運(yùn)行工況，為避免這些工況下OTSG出現(xiàn)流動不穩(wěn)定，考慮將OTSG分為若干組，在上述工況下只投入部分運(yùn)行，使運(yùn)行中的OTSG具有較高的負(fù)荷。文獻(xiàn)［4］給出了套管式OTSG動態(tài)仿真模型，研究結(jié)果表明，RELAP5程序能用于套管式OTSG的傳熱計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，本工作利用RELAP5／MOD3.4建立一體化壓水堆的瞬態(tài)分析模型［5］，對低負(fù)荷工況下OTSG分組運(yùn)行特性進(jìn)行分析。

1 OTSG在低負(fù)荷工況的流動不穩(wěn)定

所研究的一體化壓水堆配置了12臺套管式OTSG，平均劃分為4組，采用雙恒定運(yùn)行方案，部分設(shè)計(jì)參數(shù)列于表1。在RELAP5中OTSG的節(jié)點(diǎn)劃分如圖1所示。

核動力裝置在低負(fù)荷工況下OTSG全部投入運(yùn)行時(shí)，將產(chǎn)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象。表2列出一體化壓水堆從100%FP（FP為滿功率）在40s內(nèi)線性降功率至20%FP，穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，再階躍降至5%FP的計(jì)算序列，運(yùn)行結(jié)果示于圖2。

由圖2可看出，一體化壓水堆核動力裝置在20%FP以下運(yùn)行時(shí)，二次側(cè)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重影響裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 一體化壓水堆部分設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 IPWR design parameters

圖1 OTSG節(jié)點(diǎn)圖Fig.1 OTSG model nodalization

采取更小的給水流量階躍變化量可發(fā)現(xiàn)，該型一體化壓水堆核動力裝置在15.4%FP以下運(yùn)行時(shí)，開始出現(xiàn)流動不穩(wěn)定。

表2 降功率至5%FP計(jì)算序列Table 2 Load decrease to 5%FP calculation sequence

圖2 OTSG二次側(cè)工質(zhì)質(zhì)量流量變化Fig.2 Varying of mass flow for OTSG secondary side

OTSG在核動力裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可能存在的流動不穩(wěn)定現(xiàn)象將嚴(yán)重影響核動力裝置的安全運(yùn)行，必須采取合理的運(yùn)行方案，以避開流動不穩(wěn)定區(qū)域，保證一體化壓水堆核動力裝置低負(fù)荷工況的穩(wěn)定運(yùn)行。

為保證一體化壓水堆核動力裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，可選擇該裝置運(yùn)行在20%FP，即單組OTSG穩(wěn)定運(yùn)行在額定給水量的5%。

2 分組運(yùn)行方式

核動力裝置在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，為避免OTSG出現(xiàn)流動不穩(wěn)定，可采取OTSG分組運(yùn)行的方式，即分別停閉1組、2組、3組OTSG，以提高運(yùn)行組OTSG加熱通道的流速，進(jìn)而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于停閉組OTSG，一次側(cè)冷卻劑正常流動，二次側(cè)給水、蒸汽隔離，處于干燒狀態(tài)。本節(jié)仍采用表2的計(jì)算序列，在20%FP及以下階躍降負(fù)荷，分別對停閉1組、2組、3組OTSG 3種工況下的運(yùn)行特性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，當(dāng)一體化壓水堆在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，停閉1組OTSG，可提高運(yùn)行組OTSG二次側(cè)的給水流量，裝置在15%FP穩(wěn)定運(yùn)行，而在10%FP和5%FP，運(yùn)行仍不穩(wěn)定；停閉2組OTSG時(shí)，裝置在15%FP和10%FP能穩(wěn)定運(yùn)行，在5%FP仍會出現(xiàn)流動不穩(wěn)定現(xiàn)象；停閉3組OTSG時(shí)，裝置可穩(wěn)定運(yùn)行在5%FP和15%FP之間。

比較圖2、3可看出，OTSG分組運(yùn)行可保證核動力裝置在低負(fù)荷工況下避開流動不穩(wěn)定現(xiàn)象穩(wěn)定運(yùn)行，而OTSG二次側(cè)不同的停閉方式可改變適合裝置穩(wěn)定運(yùn)行的最小負(fù)荷。對于快速升降負(fù)荷過程，可選擇低負(fù)荷工況下OTSG分組，使單組在運(yùn)行蒸汽發(fā)生器的給水量保證在額定給水量的5%，以保證裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 升負(fù)荷過程的分組運(yùn)行

假設(shè)反應(yīng)堆啟動至5%FP，在此功率下，階躍提升二回路給水，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，一回路功率跟蹤給水變化階躍提升［6］。OTSG通過分組運(yùn)行方式保證OTSG運(yùn)行在較高的給水流量下避開流動不穩(wěn)定區(qū)域并快速提升負(fù)荷。

圖3 不同組OTSG運(yùn)行時(shí)二次側(cè)工質(zhì)的質(zhì)量流量Fig.3 Varying of secondary side mass flow of different group OTSGs under operation

為保證一體化壓水堆核動力裝置的機(jī)動能力，采取的快速升負(fù)荷計(jì)算序列列于表3，運(yùn)行結(jié)果如圖4、5所示。

表3 快速升負(fù)荷至滿功率計(jì)算序列Table 3 Rapid rise load to full power calculation sequence

圖4 升負(fù)荷時(shí)OTSG二次側(cè)工質(zhì)的質(zhì)量流量變化Fig.4 Varying of mass flow for OTSG secondary side at rise load condition

由圖4可見，在升負(fù)荷過程中，給水流量和蒸汽產(chǎn)量階躍上升并穩(wěn)定在額定值的20%，此后在40s提升至滿負(fù)荷給水。由圖5a、b可見，在階躍變化的過程中，引入堆芯的反應(yīng)性最大值為0.3＄，遠(yuǎn)離瞬發(fā)臨界，并根據(jù)二回路給水流量快速變化達(dá)到穩(wěn)定。由圖5c、d可見，在雙恒定運(yùn)行方案下，升負(fù)荷過程中，OTSG進(jìn)出口平均溫度幅值動態(tài)變化相對較小，平均溫度控制方法和二回路壓力控制方法滿足一回路側(cè)功率控制要求和二次側(cè)壓力控制要求［7－8］。

該分組方案實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)堆130s內(nèi)從5%FP快速上升至100%FP，并有效避開了流動不穩(wěn)定區(qū)域。

圖5 升負(fù)荷時(shí)的反應(yīng)性（a）、反應(yīng)堆功率（b）、一回路溫度（c）和蒸汽壓力（d）的變化Fig.5 Varying of reactivity（a），reactor power（b），coolant temperature of primary circle（c），and steam pressure（d）at rise load condition

4 快速降負(fù)荷至10%FP工況的分組運(yùn)行

一體化壓水堆核動力裝置10%FP運(yùn)行工況，OTSG全部運(yùn)行時(shí)仍會導(dǎo)致流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的出現(xiàn)。將套管式OTSG分組，只將兩組6臺投入運(yùn)行，可保證一體化壓水堆核動力裝置穩(wěn)定運(yùn)行。計(jì)算序列列于表4，運(yùn)行結(jié)果如圖6、7所示。

表4 降負(fù)荷至10%FP的計(jì)算序列Table 4 Decrease load to 10%FP calculation sequence

由圖6可見，二回路蒸汽產(chǎn)量和給水流量能較好匹配。由圖7a、b可見，在降負(fù)荷變化的過程中，反應(yīng)堆引入負(fù)反應(yīng)性，并根據(jù)二回路給水流量變化達(dá)到穩(wěn)定，對于反應(yīng)堆功率有著相同的變化趨勢。由圖7c、d可見，在雙恒定運(yùn)行方案下反應(yīng)堆溫度在負(fù)荷變化過程中滿足一回路平均溫度和二回路蒸汽壓力不變的運(yùn)行方案要求。

圖6 降負(fù)荷時(shí)OTSG二次側(cè)工質(zhì)質(zhì)量流量變化Fig.6 Varying of mass flow for OTSG secondary side at decrease load condition

通過套管式OTSG的分組運(yùn)行，保證了一體化壓水堆核動力裝置在10%FP工況的穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

通過以上研究可得出如下結(jié)論。

圖7 降負(fù)荷時(shí)的反應(yīng)性（a）、反應(yīng)堆功率（b）、一回路溫度（c）和蒸汽壓力（d）的變化Fig.7 Varying of reactivity（a），reactor power（b），coolant temperature of primary circle（c），and steam pressure（d）at decrease load condition

1）一體化壓水堆核動力裝置低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，OTSG二次側(cè)給水流量較小，通道內(nèi)流速較低，沸騰過程較劇烈，導(dǎo)致發(fā)生流動不穩(wěn)定。

2）本工作選用的一體化壓水堆核動力裝置模型低負(fù)荷運(yùn)行OTSG流動不穩(wěn)定起始點(diǎn)為15.4%FP。

3）在低負(fù)荷時(shí)，采用OTSG分組運(yùn)行方式，可使在運(yùn)行OTSG的給水流量提高，從而保證OTSG運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4）本工作對OTSG分組運(yùn)行模式在一體化壓水堆核動力裝置快速升降負(fù)荷工況的應(yīng)用進(jìn)行了特性分析，結(jié)果表明，OTSG分組運(yùn)行滿足一體化壓水反應(yīng)堆核動力裝置快速升降負(fù)荷工況需求，并能在一定程度上避免流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生。

OTSG分組運(yùn)行，停閉組蒸汽發(fā)生器一次側(cè)處于干燒狀態(tài)，將導(dǎo)致反應(yīng)堆一回路冷卻劑流量分配不均，影響堆芯功率分布。同時(shí)，對于停閉狀態(tài)的OTSG二次側(cè)投入運(yùn)行時(shí)，給水瞬間所帶來的熱應(yīng)力問題還有待分析。而分組運(yùn)行所應(yīng)采取的控制方案，也需在未來的工作中進(jìn)一步確定。

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