高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器卸壓過(guò)程模擬和分析

王 巖，石 磊，鄭艷華

（清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，先進(jìn)核能技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

由清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院設(shè)計(jì)的200 MW 高溫氣冷示范堆（HTR-PM）核島采用兩套核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)帶動(dòng)1臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組的技術(shù)方案，每座反應(yīng)堆熱功率為250 MW，總熱功率為500 MW，汽輪發(fā)電機(jī)組額定輸出電功率為211 MW。反應(yīng)堆一回路采用氦氣冷卻方式，由設(shè)置在蒸汽發(fā)生器上部的主氦風(fēng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)壓頭［1］，堆芯入口溫度250℃，出口溫度750℃。蒸汽發(fā)生器采用直流螺旋管式蒸汽發(fā)生器。其入口給水溫度約205 ℃，通過(guò)蒸汽發(fā)生器換熱管束與一次側(cè)進(jìn)行熱量交換，在出口形成約571 ℃的過(guò)熱蒸汽，通過(guò)主蒸汽管線(xiàn)將過(guò)熱蒸汽送往汽輪機(jī)。當(dāng)HTR-PM 發(fā)生假想事故需緊急停堆時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，使反應(yīng)堆安全停堆［2-3］。停堆后蒸汽發(fā)生器二次側(cè)進(jìn)行卸壓，壓力降至一定值后，蒸汽發(fā)生器二回路啟動(dòng)冷卻給水注入（調(diào)節(jié)其流量與一回路熱工匹配）。

二次側(cè)卸壓過(guò)程中，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)內(nèi)水和蒸汽將通過(guò)卸壓閥門(mén)向常壓環(huán)境的排放腔室排放。蒸汽發(fā)生器內(nèi)水汽流經(jīng)換熱管以及下游的主蒸汽管線(xiàn)時(shí)，與管線(xiàn)壁面發(fā)生對(duì)流換熱，帶走部分熱量，這將對(duì)蒸汽發(fā)生器內(nèi)部十分復(fù)雜的溫度場(chǎng)分布產(chǎn)生影響。研究卸壓瞬態(tài)過(guò)程中蒸汽發(fā)生器換熱管等部件的溫度變化，將為相關(guān)應(yīng)力分析以及后續(xù)冷卻方案的制定提供參考和支持。

1 模型和設(shè)定

采用熱工水力瞬態(tài)系統(tǒng)分析程序RETRAN-02［4］對(duì)問(wèn)題進(jìn)行建模分析。蒸汽發(fā)生器二回路示意圖如圖1所示。

HTR-PM 蒸汽發(fā)生器為螺旋管式直流蒸汽發(fā)生器，其螺旋式換熱管有效長(zhǎng)度約60 m，在模型中沿長(zhǎng)度方向分為72段。給水管線(xiàn)約15m，長(zhǎng)度方向上劃分為2 段，在給水管線(xiàn)上安裝有給水隔離閥門(mén)。主蒸汽管線(xiàn)長(zhǎng)度取值100m，其長(zhǎng)度方向上劃分為54 段，其上安裝有蒸汽隔離閥。卸壓閥門(mén)安裝在蒸汽隔離閥前端，其距蒸汽發(fā)生器換熱管出口約40m。蒸汽發(fā)生器換熱管、給水管線(xiàn)以及主蒸汽管線(xiàn)等部件在模型中均作為熱構(gòu)件考慮，其內(nèi)壁面與蒸汽發(fā)生器二次側(cè)內(nèi)的流體進(jìn)行換熱，在模型中程序?qū)⒏鶕?jù)流體熱工狀態(tài)自動(dòng)選擇對(duì)流換熱公式進(jìn)行計(jì)算。由于停堆后，氦氣風(fēng)機(jī)擋板下落，一回路氦氣沒(méi)有流動(dòng)，換熱較弱，因此模型中認(rèn)為換熱管外壁與一次側(cè)在卸壓過(guò)程中沒(méi)有換熱。給水管線(xiàn)與主蒸汽管線(xiàn)外包裹有保溫材料，其外壁面作為絕熱邊界。

圖1 二回路示意圖Fig.1 Illustration of the secondary loop

模型中對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)作進(jìn)行如下設(shè)定：

1）從0 時(shí)刻開(kāi)始，系統(tǒng)以額定功率穩(wěn)定運(yùn)行。

2）20s時(shí)探測(cè)到超限信號(hào)，保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，包括反射層控制棒下落、停主氦風(fēng)機(jī)和關(guān)風(fēng)機(jī)擋板、蒸汽發(fā)生器二次側(cè)隔離（給水隔離閥與蒸汽隔離閥關(guān)閉）等。

3）主蒸汽管線(xiàn)上的卸壓閥門(mén)在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)隔離后開(kāi)啟。

4）當(dāng)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力下降到1 MPa時(shí)，卸壓閥門(mén)關(guān)閉。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

從卸壓閥門(mén)向常壓排放腔室排放過(guò)程中，噴放流量與卸壓閥門(mén)直徑密切相關(guān)。不同的噴放流量下，流體在蒸汽發(fā)生器或主蒸汽管線(xiàn)內(nèi)的流速以及熱工狀態(tài)也不同，從而造成與管壁的對(duì)流換熱過(guò)程有所差別，影響管壁溫度的瞬態(tài)變化過(guò)程。

本文對(duì)直徑為8、12、16、20 mm 的4種卸壓閥門(mén)直徑設(shè)計(jì)下，蒸汽發(fā)生器二回路的卸壓瞬態(tài)進(jìn)行模擬和對(duì)比分析。

隨卸壓閥門(mén)的開(kāi)啟，二回路內(nèi)的流體從閥門(mén)管嘴處向排放腔室排放，壓力逐漸降低。圖2示出不同直徑卸壓閥門(mén)下二次側(cè)瞬態(tài)壓力變化。閥門(mén)直徑越大，排放流量越大，卸壓速度越快。當(dāng)卸壓閥門(mén)直徑為20mm 時(shí)，在卸壓閥門(mén)開(kāi)啟后約3 400s時(shí)下降到1MPa；而當(dāng)卸壓閥門(mén)直徑為8mm 時(shí)，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力直到近20 000s才降至1 MPa。

圖2 蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力Fig.2 Pressure in the secondary side of steam generator

二次側(cè)內(nèi)流體在排放過(guò)程中流過(guò)換熱管壁面，與其發(fā)生換熱，換熱管熱量被流體帶走，因此溫度逐漸下降。隨壓力的降低，二回路內(nèi)原來(lái)以液體形態(tài)存在的冷卻水也將不斷汽化，氣液兩相混合物不斷膨脹，在流過(guò)蒸汽發(fā)生器換熱管和主蒸汽管線(xiàn)時(shí)與管壁發(fā)生相變換熱，使得管壁溫度降低更快。圖3示出蒸汽發(fā)生器換熱管出口處的溫度變化，圖4示出卸壓閥門(mén)處主蒸汽管線(xiàn)的溫度變化。

從圖中可看出，卸壓閥門(mén)直徑越大，換熱速率越大，換熱管的溫度下降越快。當(dāng)卸壓閥門(mén)直徑為20 mm 時(shí)，蒸汽發(fā)生器出口處的溫度在2 300s左右即降至約200 ℃，卸壓閥門(mén)處主蒸汽管線(xiàn)的溫度下降較蒸汽發(fā)生器出口處有所延遲，在3 100s后降至200℃左右。當(dāng)卸壓閥門(mén)直徑為8mm 時(shí)，二回路內(nèi)流速較慢，管線(xiàn)溫度下降速率明顯減小，蒸汽發(fā)生器出口處的溫度呈現(xiàn)較平緩的線(xiàn)性下降，在12 000s左右降至200 ℃左右，卸壓閥門(mén)處的主蒸汽管線(xiàn)直到17 500s時(shí)才降至200 ℃。及至壓力下降至1 MPa，卸壓閥門(mén)關(guān)閉，二次側(cè)內(nèi)流體的流動(dòng)基本停止，換熱明顯減弱，溫度變化不明顯。

圖3 蒸汽發(fā)生器換熱管出口溫度Fig.3 Temperature at outlet of steam generator heat-exchange tube

圖4 卸壓閥處的主蒸汽管線(xiàn)溫度Fig.4 Temperature of live-steam pipeline near pressure relief valve

由于蒸汽發(fā)生器螺旋式換熱管束結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝要求高，考慮到部件材料的熱應(yīng)力問(wèn)題，宜將卸壓過(guò)程中的溫度變化速率控制在一定限值之下。圖5示出不同卸壓閥門(mén)直徑設(shè)計(jì)下，蒸汽發(fā)生器換熱管出口處的溫度變化速率情況?？煽闯?，當(dāng)卸壓閥門(mén)直徑較大時(shí)，換熱管在卸壓瞬態(tài)過(guò)程中有較大的溫度變化速率峰值。結(jié)果顯示，當(dāng)卸壓閥門(mén)直徑低于8mm 時(shí)，卸壓瞬態(tài)過(guò)程中，蒸汽發(fā)生器換熱管的溫度變化速率可被控制在8 ℃／min以下。

圖5 蒸汽發(fā)生器換熱管出口溫度變化速率Fig.5 Temperature change rate at outlet of steam generator heat-exchange tube

3 結(jié)論

高溫氣冷反應(yīng)堆緊急停堆后，將進(jìn)行冷卻以載出堆內(nèi)熱量。冷卻前的蒸汽發(fā)生器二次側(cè)卸壓瞬態(tài)過(guò)程中，二次側(cè)內(nèi)的流體將與蒸汽發(fā)生器換熱管等進(jìn)行換熱，對(duì)其溫度場(chǎng)分布產(chǎn)生影響。

本文利用熱工水力系統(tǒng)分析程序?qū)Σ煌秹洪y門(mén)直徑設(shè)計(jì)下的卸壓瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行了模擬和分析。計(jì)算顯示，卸壓過(guò)程完成后，蒸汽發(fā)生器換熱管等系統(tǒng)部件溫度均降至約200℃。但由于卸壓閥門(mén)直徑不同，導(dǎo)致卸壓時(shí)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管線(xiàn)內(nèi)流速不同，熱工瞬態(tài)過(guò)程有所差異。卸壓閥門(mén)直徑越大，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)內(nèi)管線(xiàn)與其中的冷卻流體換熱率越大，管線(xiàn)溫度下降更快。從避免熱應(yīng)力、系統(tǒng)保護(hù)角度，應(yīng)控制卸壓過(guò)程中蒸汽發(fā)生器換熱管等部件的溫度下降速率。分析結(jié)果表明，合理設(shè)計(jì)卸壓閥門(mén)直徑，可有效控制卸壓瞬態(tài)過(guò)程中蒸汽發(fā)生器換熱管的溫度下降速率。當(dāng)卸壓閥門(mén)直徑低于8mm 時(shí)，蒸汽發(fā)生器換熱管的溫度變化速率可控制在8 ℃／min以下，這對(duì)于避免過(guò)快溫度變化所可能引起的系統(tǒng)部件結(jié)構(gòu)損害是有利的。

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