基于熱工水力程序cosFlow的消防系統(tǒng)仿真

鄧朝霞，林 萌，陳玉昇，楊燕華

(上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

1 引言

消防系統(tǒng)( Fire Protection System，F(xiàn)PS)為核電站中的一個子系統(tǒng)，其主要作用是防止核電廠火災(zāi)蔓延，為核電廠提供消防水，避免核電廠受火災(zāi)危害。該系統(tǒng)能否正常運行關(guān)乎到核電廠的安全，是核電廠正常運行的重要保障，亦是火災(zāi)發(fā)生時核電廠運行人員的生命線。

李京將AP1000核電站的消防系統(tǒng)與傳統(tǒng)壓水堆的消防系統(tǒng)進(jìn)行比對，總結(jié)了非能動消防系統(tǒng)的特點[1]。李曉輝等人分析了AP1000的消防系統(tǒng)主要功能，并將其與壓水堆M310的消防系統(tǒng)進(jìn)行比較，從而得出AP1000的消防系統(tǒng)具有復(fù)雜程度低、設(shè)備多樣性高等特點[2]。馬國建等人將ACP1000和AP1000中的消防水系統(tǒng)進(jìn)行了對比，得出AP1000消防系統(tǒng)具有可靠性高、安全性好、設(shè)備簡化等特點[3]。諸多學(xué)者均對核電廠消防系統(tǒng)進(jìn)行了研究分析，但僅停留在功能介紹，并未對系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。

本文采用COSINE中的熱工水力軟件cosFlow對AP1000中的消防系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計報告中的設(shè)計參數(shù)搭建系統(tǒng)模型，通過測試得到系統(tǒng)運行參數(shù)。后續(xù)將測試結(jié)果與設(shè)計報告中的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行比對，分析產(chǎn)生誤差的原因。cosFlow不但能計算系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時的參數(shù)，亦可捕捉瞬態(tài)工況下系統(tǒng)內(nèi)的參數(shù)變化情況。用戶可通過其獲取各類工況下系統(tǒng)運行的參數(shù)，這對于核電廠的設(shè)計和建造具有十分重要的意義。同時，該仿真模型也可用于操縱員培訓(xùn)，為電廠提供FPS的仿真模型。

2 消防系統(tǒng)簡介

2.1 系統(tǒng)功能介紹

消防系統(tǒng)的功能分為安全相關(guān)功能與非安全相關(guān)功能。FPS的安全殼貫穿件和安全殼隔離閥在設(shè)計基準(zhǔn)事故中執(zhí)行安全殼的隔離功能[4]。系統(tǒng)的非安全功能有以下幾種情況：

1) 在機組正常運行時，F(xiàn)PS提供火災(zāi)探測和滅火功能，以保證發(fā)生火災(zāi)時重要結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的安全性。

2) 在火災(zāi)使CCS(設(shè)冷水系統(tǒng))失去冷卻功能時，F(xiàn)PS給RNS泵和熱交換器提供額外冷卻。

3) 在設(shè)計基準(zhǔn)事件要求安全殼冷卻時，若FPS可用，則其會給PCS提供備用補水水源。

4) 為SFP提供備用補水水源和噴淋水源。

5) 在嚴(yán)重事故中，F(xiàn)PS可以提供非安全相關(guān)的安全殼噴淋。

綜上可知，F(xiàn)PS系統(tǒng)最主要的功能便是為各個系統(tǒng)或部件提供水源，以保證其消防滅火功能和冷卻降溫作用。

2.2 系統(tǒng)主要設(shè)備介紹

FPS系統(tǒng)設(shè)有兩個水箱，如圖1所示，水箱1為主供水箱，水箱2為備用水箱。水箱內(nèi)置浸沒式加熱器，使水箱內(nèi)水的溫度維持在冰點溫度之上。主供水箱的容積設(shè)計值為1320m3，水箱內(nèi)的水由主廠房生活水系統(tǒng)或原水系統(tǒng)(后備水源)提供。水箱內(nèi)的水量可以維持消防泵設(shè)計流量至少兩個小時。備用水箱的容積設(shè)計值為1320m3，其與柴油消防泵臨近。

泵主要有三種類型，電動消防泵、穩(wěn)壓泵和柴油機驅(qū)動消防泵。在系統(tǒng)接收到火災(zāi)報警的信號時，系統(tǒng)會自動啟動電動消防泵，消防泵便可為主管道供水。穩(wěn)壓泵可為系統(tǒng)保持壓力，提供驅(qū)動壓頭。若電動消防泵不能正常啟動，則柴油機驅(qū)動消防泵會在更低的壓力信號下啟動。電動消防泵為手動停運，柴油消防泵僅在超速的情況下自動停運，其它情況下也需手動停運。采用兩種不同類型的泵可以提高系統(tǒng)的安全性，在電廠失去電源情況下，柴油機驅(qū)動消防泵依舊能夠在沒有電源時啟動。每臺泵后都安裝了止回閥，其作用是阻止倒流。

3 基于cosFlow的FPS系統(tǒng)

3.1 cosFlow軟件介紹

COSINE軟件包是國家電投集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司核電軟件技術(shù)中心自主研發(fā)的堆芯設(shè)計和安全分析一體化軟件包，cosFlow是COSINE軟件包中的熱工水力與安全分析軟件[5]。其主要用來計算系統(tǒng)在各類工況下流體的流量、壓力、溫度等參數(shù)，通過搭建系統(tǒng)流程圖，給定邊界條件(如：壓力邊界、流量邊界和熱邊界等)，設(shè)定管道、泵、閥門等組件的參數(shù)來對系統(tǒng)進(jìn)行仿真和模擬[4]。

圖1 FPS系統(tǒng)流程圖

3.2 FPS系統(tǒng)模型

為了便于獲取穩(wěn)態(tài)運行時的參數(shù)，在建模時做了些許優(yōu)化處理。水箱在實際運行情況下存在液位，即水箱頂部存在不凝性氣體。為了便于模擬，在搭建水箱模型時，假定水箱為滿水狀態(tài)。在實際運行過程中消防系統(tǒng)給指定位置供水，水箱內(nèi)的水逐漸減少，系統(tǒng)所能提供的流量亦會逐漸減小。通過優(yōu)化處理，所模擬的穩(wěn)態(tài)運行的流量為系統(tǒng)初始最大的流量，與設(shè)計值相符。

本次模擬主要分為三個工況，分別為備用模式(穩(wěn)態(tài)運行模式)、事故觸發(fā)工況(消防水噴淋)和事故觸發(fā)工況(失去交流電的消防水噴淋)。

3.3 備用模式工況

穩(wěn)態(tài)運行模式主要包括兩個工況，分別如圖2和圖3所示。圖2為水箱1的穩(wěn)態(tài)運行模式，在建模時，設(shè)置閥門V034、V305、V507和循環(huán)泵MP04為開，閥門V802為關(guān)。運行工況為水箱模型內(nèi)部循環(huán)模式，生活水不為水箱供水，主要觀測參數(shù)為循環(huán)泵MP04的流量。圖3為水箱2的穩(wěn)態(tài)運行模式，在建模時設(shè)定閥門V035、V506、V508和循環(huán)泵MP05為開，閥門V803為關(guān)。運行工況也為水箱內(nèi)部循環(huán)模式，生活水不為水箱供水，主要觀測參數(shù)為循環(huán)泵MP05的流量。兩個水箱內(nèi)的水設(shè)計壓力均為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度設(shè)定為25℃，水箱為豎直放置，設(shè)定其角度垂直于水平面。泵選取動力轉(zhuǎn)速泵，其為正常運行，不發(fā)生卡軸。

圖2 水箱1穩(wěn)態(tài)運行模式

圖3 水箱2穩(wěn)態(tài)運行模式

經(jīng)調(diào)試，給定水箱的尺寸參數(shù)、閥門的特性參數(shù)以及泵的性能參數(shù)可得到穩(wěn)態(tài)運行時系統(tǒng)的全部參數(shù)。將穩(wěn)態(tài)運行時的參數(shù)與系統(tǒng)設(shè)計值進(jìn)行比對，如表1所示。

表1 穩(wěn)態(tài)運行模式下流量計算值與設(shè)計值對比

從表1可得，由cosFlow建立的水箱穩(wěn)態(tài)運行模式能夠得到較好的計算結(jié)果，與設(shè)計值相比誤差較小。

3.4 事故觸發(fā)工況

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)事故時，消防系統(tǒng)可為事故現(xiàn)場提供消防水。在發(fā)生失水事故時，消防系統(tǒng)可以作為提供濕潤安全殼穹頂或重新注滿非能動安全殼冷卻水箱的水源。在發(fā)生嚴(yán)重事故時，消防系統(tǒng)可提供一個非安全有關(guān)的安全殼噴淋功能?；谶@兩種功能，本次模擬著重調(diào)試消防水至PCS水箱的流量和至安全殼流量，以確保消防系統(tǒng)能在發(fā)生事故時為相應(yīng)系統(tǒng)提供水源。

本次模擬的事故觸發(fā)工況假定電動泵能正常運行，即水箱1能正常供水，備用水箱2未啟用。在建模過程中，連接到水箱1的生活水作為壓力邊界，給水箱提供水源。隔離閥V009為關(guān)閉狀態(tài)，電動消防泵從水箱抽水為消防管提供水，穩(wěn)壓泵正常運行為消防管穩(wěn)壓。水箱2所連接的柴油機驅(qū)動消防泵不啟動，閥門V053B和V013均為關(guān)閉狀態(tài)。閥門V053A為開啟狀態(tài)，圖1中V053A后連接的消防管上的閥門均可設(shè)為開啟狀態(tài)。但在本次建模中為了避免其余邊界對PCS水箱流量和安全殼噴淋流量產(chǎn)生影響，將接有邊界的閥門設(shè)定為關(guān)閉狀態(tài)，即圖1中的閥V590、VC、V160、V440、V450、V140、V180、V190、V702和V109。

此工況中共設(shè)定三個邊界條件：生活水設(shè)定壓力為1.013×105Pa的壓力邊界，PCS水箱設(shè)定壓力為1.2MPa的壓力邊界，安全殼噴淋設(shè)定壓力邊界為1.25MPa。閥門阻力系數(shù)依據(jù)設(shè)計規(guī)范中的閥門設(shè)計值來選取，管道參數(shù)按設(shè)計值給定相應(yīng)的通流面積等參數(shù)。由于此系統(tǒng)中不涉及換熱，故工質(zhì)的溫度均為25℃。通過一系列調(diào)試，可得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時的參數(shù)，將其與設(shè)計值進(jìn)行比對如表2所示。

表2 事故觸發(fā)工況下流量計算值與設(shè)計值對比

從表2中可知，在事故觸發(fā)工況下，F(xiàn)PS系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，且運行時的至PCS水箱和安全殼噴淋的流量和壓力參數(shù)與設(shè)計值相比誤差較小，誤差范圍可控制在5%以內(nèi)。

3.5 事故觸發(fā)工況(失去交流電)

在失去交流電的情況下，電動消防泵不能啟動，則柴油機驅(qū)動的消防泵會根據(jù)收到的低壓力信號自動啟動。火災(zāi)被撲滅后，每臺水泵依然運行，直到其通過控制器被手動關(guān)閉。本次模擬的工況下，水箱1以及其連接的電動消防泵不啟動，水箱2及其后面連接的柴油機驅(qū)動泵為消防管提供消防水。

在建模過程中，設(shè)定電動消防泵為關(guān)閉狀態(tài)，水箱1不提供消防水。備用水箱2正常運行，其后面連接的柴油機驅(qū)動消防泵正常運行，閥門V053B為開啟狀態(tài)，閥門V013和V009B為關(guān)閉狀態(tài)。閥門V053B其后面所連接的消防管閥門開度與未失去交流電時的事故觸發(fā)工況保持一致。

此工況相較于上一事故觸發(fā)工況而言，壓力邊界中的生活水邊界由連接水箱1的生活水切換為連接水箱2的生活水，其余邊界與上一工況保持一致。閥門、管道的設(shè)計參數(shù)沿用上一工況的給定值，柴油泵采用動力轉(zhuǎn)速泵模式，給定設(shè)計揚程、性能曲線等參數(shù)。經(jīng)過一系列調(diào)試，可得到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時的參數(shù)，將其與設(shè)計值進(jìn)行比對如表3所示。

表3 失去交流電的事故觸發(fā)工況下流量計算值與設(shè)計值對比

從表3中可知，在失去交流電的事故觸發(fā)工況下系統(tǒng)能穩(wěn)態(tài)運行，并為PCS水箱和安全殼噴淋提供相應(yīng)的消防水。在搭建系統(tǒng)時，邊界條件采用壓力邊界，與設(shè)計值相符。所觀測的流量參數(shù)為系統(tǒng)計算結(jié)果，與設(shè)計值存在一定誤差，但誤差可控制在5%以內(nèi)。

4 結(jié)論

本文闡述了核電站消防系統(tǒng)的主要功能并用cosFlow對其進(jìn)行建模仿真，主要模擬了三種工況，分別為穩(wěn)態(tài)運行模式、事故觸發(fā)工況以及失去交流電下的事故觸發(fā)工況。系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)依據(jù)設(shè)計文件中的參數(shù)確定，計算模型為兩流體模型，系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)為單相液，不涉及相變及換熱。最終將三種工況下的仿真結(jié)果與設(shè)計值進(jìn)行對比，結(jié)果表明cosFlow建立的消防系統(tǒng)模型能夠較好地模擬三種工況，且誤差較小，cosFlow在熱工水力建模時具備良好的計算能力。