基于FSS 對(duì)二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的驗(yàn)證

劉金超，王童生，林耀祖，張恒，沙睿

（1.中廣核（北京）仿真技術(shù)有限公司,廣東 深圳 518031；2.重慶郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,重慶 400065；3.中國(guó)核能行業(yè)協(xié)會(huì),北京 100048）

核電廠是和平利用原子能的大型能源工業(yè)設(shè)施，因其發(fā)電高效、成本低且無(wú)空氣污染等原因被很多國(guó)家所應(yīng)用。核安全是政府、社會(huì)和核能界高度關(guān)注的問題，這就使核電廠的安全性至關(guān)重要。這種絕對(duì)安全性的要求貫穿于核電廠的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、調(diào)試以及運(yùn)行的全過(guò)程。

全范圍模擬機(jī)（簡(jiǎn)稱FSS)是以真實(shí)機(jī)組數(shù)據(jù)為參照，其仿真精度滿足以下條件：

1) 25%～100%負(fù)荷之間：

對(duì)于主要變量，在任意時(shí)刻，模型的計(jì)算值與參考值之間的偏差應(yīng)不超過(guò)參考值的±1%。

對(duì)于要求無(wú)死區(qū)并跟隨設(shè)定點(diǎn)變化的一些值，在任意時(shí)刻，設(shè)定值與模型計(jì)算值之間的偏差應(yīng)不超過(guò)設(shè)定值的±0.5%。

2) 0～25 %負(fù)荷之間：

在0 負(fù)荷時(shí)（冷停堆及熱停堆），主要變量的精度應(yīng)是參考值的±2%，在0～25%負(fù)荷之間具有線性關(guān)系。對(duì)于在0～25%負(fù)荷之間要求無(wú)死區(qū)并跟隨設(shè)定點(diǎn)變化的一些值，其精度應(yīng)為相應(yīng)負(fù)荷下的設(shè)定值的±1%。

3) 在模擬機(jī)連續(xù)運(yùn)行24 h 期間，主要變量的偏差應(yīng)不超過(guò)允差要求。

4) 對(duì)于輔助變量，在25%～100%負(fù)荷之間，其精度應(yīng)是參考值的±3%，在0～25%負(fù)荷之間，其精度應(yīng)是參考值的±5%。

可見FSS 可以對(duì)實(shí)際機(jī)組的各個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真實(shí)的仿真模擬，其對(duì)核電廠設(shè)計(jì)優(yōu)化以及工程驗(yàn)證等是一個(gè)重要的驗(yàn)證手段[1]。包括對(duì)儀控設(shè)計(jì)圖紙的驗(yàn)證，對(duì)實(shí)際機(jī)組DCS 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制驗(yàn)證，對(duì)主控室人機(jī)接口的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，再到對(duì)工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)和新研發(fā)堆型的總體運(yùn)行研究的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，以及對(duì)核電廠運(yùn)行與調(diào)試規(guī)程的驗(yàn)證，使得模擬機(jī)在多個(gè)領(lǐng)域可以進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證[2-4]。

作為應(yīng)對(duì)全廠斷電事故（SBO）所做的重要改進(jìn)項(xiàng),二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出（ASP）系統(tǒng)基于蒸汽發(fā)生器（SG）的二次側(cè)閉式自然循環(huán)原理，在缺少外部電源的情況下，可以導(dǎo)出堆芯余熱[5]。本文基于國(guó)內(nèi)某三代核電機(jī)組FSS，以仿真手段驗(yàn)證ASP 系統(tǒng)在SBO 事故工況下是否滿足設(shè)計(jì)需求。

1 FSS 仿真系統(tǒng)軟件

仿真軟件系統(tǒng)是模擬機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵和開發(fā)的重點(diǎn)。FSS 仿真系統(tǒng)軟件主要是由仿真平臺(tái)軟件和虛擬DCS 系統(tǒng)構(gòu)成的多層次和相互有機(jī)聯(lián)系的大型實(shí)時(shí)軟件體系。

1.1 仿真平臺(tái)軟件

核電仿真平臺(tái)是模擬機(jī)開發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)的軟件基礎(chǔ)。其作為模擬機(jī)的底層操作系統(tǒng)，應(yīng)具有一體化建模和在線建模功能，能夠提供圖形化建模環(huán)境、高精度建模工具以及高性能計(jì)算算法，包含模擬機(jī)運(yùn)行、維護(hù)和測(cè)試、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、配置控制、培訓(xùn)記錄編制管理所需的各種軟件。

仿真平臺(tái)軟件的結(jié)構(gòu)如圖1 所示：

圖1 仿真平臺(tái)軟件Fig.1 Simulation platform software structure

仿真平臺(tái)軟件具有以下優(yōu)點(diǎn)[6]：

1）具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，支持在線建模與修改，修改模型不需要進(jìn)行任何編譯。

2）圖形化功能強(qiáng)，面向?qū)ο?，快速、有效、高效的平臺(tái)，建模、測(cè)試無(wú)需編程知識(shí)。

3）工具齊全，所有建模工具軟件、教控臺(tái)軟件與仿真平臺(tái)一體化集成。

4）易于與第三方軟件、硬件系統(tǒng)、I/O 系統(tǒng)和盤臺(tái)集成。

5）易開發(fā)、易于擴(kuò)展，可根據(jù)需要隨時(shí)增加模型對(duì)象和建模工具。

6）DCS 和邏輯系統(tǒng)可通過(guò)翻譯、模擬、虛擬等各種方式仿真和集成。

7）提供所有模擬機(jī)所需要的仿真功能。

1.2 FSS 虛擬DCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[7]:

1）Level 0 為工藝系統(tǒng)接口層，主要功能為：實(shí)時(shí)對(duì)工藝系統(tǒng)與設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)DCS系統(tǒng)的控制信號(hào)對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行控制。

2）Level 1 為自動(dòng)控制與保護(hù)層，主要功能為：完成數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、保護(hù)控制運(yùn)算、邏輯處理和通信等。

3）Level 2 為操作與信息管理層，主要功能為：支持和診斷各類工藝信息以及對(duì)記錄操作員的動(dòng)作，以及通過(guò)操作設(shè)備對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制等。

4）Level 3 為全廠信息管理層，主要功能為：對(duì)整個(gè)電廠信息進(jìn)行綜合處理，以及響應(yīng)核應(yīng)急。

2 二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)工藝描述

核電廠帶功率運(yùn)行工況下的完全喪失給水事故是指正常給水系統(tǒng)失效，且啟動(dòng)和停堆給水系統(tǒng)與應(yīng)急給水系統(tǒng)（ASG）未能啟動(dòng)或在運(yùn)行中失效的運(yùn)行事故。完全喪失給水事故發(fā)生后，二回路的熱阱功能完全失效，蒸汽發(fā)生器（SG）的導(dǎo)熱能力將急劇下降，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)不正常地快速升溫、升壓，給反應(yīng)堆帶來(lái)極大的安全隱患[8]。

ASP 系統(tǒng)主要執(zhí)行該類事故情況下的導(dǎo)熱功能。應(yīng)對(duì)的工況為全場(chǎng)斷電事故（SBO）+SBO 柴油機(jī)失效+ASG 氣動(dòng)泵失效的事故工況。

這些工況主要包括：

- 喪失全部給水；

- SBO 疊加 SBO 柴油機(jī)失效；

- 其他需要ASG 啟動(dòng)的事故疊加ASG 失效。

ASP 系統(tǒng)啟動(dòng)條件為：3 臺(tái)SG 寬量程水位同時(shí)低于20%疊加2 列ASG 系統(tǒng)流量低持續(xù)60 s。在設(shè)計(jì)工況下，系統(tǒng)能夠帶走一回路熱量，確保最終熱阱不會(huì)失效，防止堆芯熔毀。

ASP 系統(tǒng)分為3 列，每列對(duì)應(yīng)一臺(tái)SG。每列應(yīng)能在二次側(cè)8.6 MPa（a）的飽和蒸汽條件下導(dǎo)出至少20 MW 的熱量。每列包括1 個(gè)入口調(diào)節(jié)閥、2 個(gè)隔離閥和1 個(gè)冷凝器。每列中的閥門需要依次開啟，以緩解啟動(dòng)瞬態(tài)的影響。冷凝器浸泡于水箱中，水箱的作用是接收冷凝器傳出的熱量，并通過(guò)水箱存水的蒸發(fā)或沸騰等方式將熱量排向大氣。3 列ASP換熱器共用一個(gè)冷卻水箱，水箱位于反應(yīng)堆廠房的外壁，冷卻水箱的水裝量可滿足事故生發(fā)后72 h 內(nèi)對(duì)一回路熱量有效排出的設(shè)計(jì)需求。

ASP 系統(tǒng)的冷熱芯高度差需滿足工藝要求，飽和蒸汽入口管線應(yīng)保持連續(xù)上行布置，自然循環(huán)回路的最高點(diǎn)位于冷凝器入口前的蒸汽管線上。為利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，冷凝回流管線按照先下行布置后上行布置的方式，最低點(diǎn)應(yīng)低于回流管線進(jìn)入SG管嘴位置，以使整個(gè)回流管線成 U 型結(jié)構(gòu)布置，確保回流管線中形成水柱[9]。

ASP 系統(tǒng)如圖2 所示：

圖2 ASP 系統(tǒng)示意圖Fig.2 ASP System diagram

3 仿真驗(yàn)證與分析

3.1 初始狀態(tài)

模擬機(jī)在100%功率下穩(wěn)定運(yùn)行,所有系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)正常,各有關(guān)控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng),諸如功率調(diào)節(jié)、穩(wěn)壓器壓力和液位調(diào)節(jié)等系統(tǒng)均處于自動(dòng)狀態(tài),安全注入等保護(hù)系統(tǒng)則處于相應(yīng)的在線狀態(tài)。

3.2 仿真驗(yàn)證及分析

通過(guò)模擬機(jī)教控臺(tái)引入全場(chǎng)斷電事故（SBO）+SBO 柴油機(jī)失效+ASG 失效事故工況。事故工況觸發(fā)后，控制棒失電落入堆芯，將會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆緊急停堆，汽輪機(jī)跳閘。

事故工況觸發(fā)后，ASP 系統(tǒng)的主要參數(shù)和一、二回路的主要參數(shù)隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖如圖3～圖9。

圖3 ASP 系統(tǒng)冷凝器換熱功率Fig.3 Feat exchange power of condenser

圖4 ASP 系統(tǒng)自然循環(huán)流量Fig.4 Flow rate of ASP system

圖5 ASP 系統(tǒng)冷卻水箱溫度Fig.5 Temperature of cooling water tank

圖6 核功率Fig.6 Nuclear power

圖7 SG 水位Fig.7 Water level of steam generator

圖8 SG 二次側(cè)壓力Fig.8 Pressure of steam generator

圖9 堆芯出口溫度Fig.9 Temperature of core outlet

由以上各圖中可以看出，在事故初始階段，在ASP 系統(tǒng)未達(dá)到啟動(dòng)條件時(shí)，二回路壓力升高后，通過(guò)大氣釋放閥( VDA )的調(diào)節(jié)開啟帶走一回路的衰變熱，SG 二次側(cè)壓力維持在VDA 整定值附近，堆芯出口溫度維持在較為平穩(wěn)的水平。但由于ASG補(bǔ)水喪失，SG 內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)VDA 不斷排放至大氣，SG 內(nèi)水位不斷下降，存在換熱管裸露，SG 燒干的重大風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)事故發(fā)生約1 h 后，ASP 系統(tǒng)觸發(fā)啟動(dòng)條件自動(dòng)投運(yùn)，SG 內(nèi)產(chǎn)生的飽和蒸汽開始進(jìn)入ASP 冷凝器進(jìn)行冷凝，冷凝水在重力的作用下又回流至SG 內(nèi)，在這個(gè)過(guò)程中，熱量傳遞至冷卻水箱，SG 二次側(cè)自然循環(huán)建立，冷卻劑被SG 冷卻后，冷熱段形成溫差，利于一回路自然循環(huán)的建立。初始單列冷凝器的換熱功率約為20 MW，自然循環(huán)流量約為10 kg/s，同時(shí)期堆芯核功率約為50 MW，3 列冷卻環(huán)路的運(yùn)行完全可以導(dǎo)出堆芯余熱。隨著核功率的下降以及冷水水箱水溫的升高，冷凝器的換熱功率和自然循環(huán)流量逐漸降低。隨著飽和蒸汽被逐漸冷凝回流，SG內(nèi)水位逐漸升高，運(yùn)行4 h 后，SG 內(nèi)水位可恢復(fù)至8.6 m，蒸汽發(fā)生器傳熱管始終處于部分淹沒狀態(tài)。隨著冷卻的不斷進(jìn)行，SG 內(nèi)壓力逐漸降低，VDA 閥門關(guān)閉，運(yùn)行4 h 后SG 內(nèi)壓力可降至1.2 MPa。由于堆芯余熱被有效排出，堆芯出口溫度開始逐漸降低，4 h 后，堆芯出口溫度降至約為209 ℃，堆芯飽和溫度裕度大于20 ℃，堆芯不存在熔毀風(fēng)險(xiǎn)。由于ASP 系統(tǒng)的投運(yùn)，整個(gè)SBO 事故處于可控狀態(tài)。

4 結(jié)論

ASP 系統(tǒng)的相關(guān)驗(yàn)證工作已經(jīng)進(jìn)行很多[10-12]，但從機(jī)組全系統(tǒng)的角度尚缺少相關(guān)研究。全范圍模擬機(jī)可以真實(shí)地反映核電廠各個(gè)系統(tǒng)在事故下的實(shí)時(shí)動(dòng)作，對(duì)事故工況下的系統(tǒng)性能驗(yàn)證以及設(shè)計(jì)優(yōu)化驗(yàn)證是一個(gè)行之有效的重要手段[13-15]。

本文基于全范圍模擬機(jī)平臺(tái)，對(duì)ASP 系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，給出了機(jī)組在全廠斷電SBO+SBO 柴油機(jī)失效+ASG 氣動(dòng)泵失效事故工況下，ASP 系統(tǒng)的投運(yùn)前后，一、二回路的壓力、溫度和SG 水位的變化趨勢(shì)。驗(yàn)證了ASP 系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的有效性，其在SBO 事故工況下，可以高效地導(dǎo)出堆芯余熱，使事故處于可控狀態(tài)，保證反應(yīng)堆的安全。