船用核動(dòng)力裝置強(qiáng)迫循環(huán)向自然循環(huán)轉(zhuǎn)換程序優(yōu)化研究

孫吉晨，馬 杰，韓 壯

(海軍工程大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430033)

1 引言

對(duì)于船用核動(dòng)力裝置而言，采用自然循環(huán)工況運(yùn)行可以提高核動(dòng)力裝置非能動(dòng)安全性、降低運(yùn)行噪音，但在強(qiáng)迫循環(huán)與自然循環(huán)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中仍存在很大隱患，在強(qiáng)迫循環(huán)向自然循環(huán)的過(guò)渡過(guò)程中，往往會(huì)由于出口溫度越限和蒸汽壓力過(guò)低而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換失敗所以有必要針對(duì)以上2種現(xiàn)象進(jìn)行研究，并優(yōu)化原有轉(zhuǎn)換程序以確保核動(dòng)力裝置強(qiáng)迫循環(huán)向自然循環(huán)轉(zhuǎn)換時(shí)的運(yùn)行安全。

陸基核動(dòng)力裝置出于經(jīng)濟(jì)效益的角度對(duì)自然循環(huán)需求較少，國(guó)內(nèi)外有關(guān)強(qiáng)迫循環(huán)向自然循環(huán)過(guò)渡過(guò)程的研究都基于船用核動(dòng)力裝置，于雷等利用RELAP5/MOD3.2軟件模擬了不同位置的反應(yīng)堆進(jìn)出口溫度測(cè)點(diǎn)下的強(qiáng)迫循環(huán)向自然循環(huán)過(guò)渡過(guò)程的瞬態(tài)特性，并根據(jù)結(jié)果對(duì)原有轉(zhuǎn)換程序做了相關(guān)優(yōu)化，但優(yōu)化后轉(zhuǎn)換程序在高初始功率下進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)仍存在著蒸汽壓力過(guò)低的現(xiàn)象。

本文使用自然循環(huán)運(yùn)行分析平臺(tái)進(jìn)行原有轉(zhuǎn)換程序下的工況轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)結(jié)果對(duì)轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行優(yōu)化。該平臺(tái)是基于熱工水力軟件THEATRe和三維兩群物理計(jì)算軟件REMARK耦合開發(fā)的，平臺(tái)可準(zhǔn)確計(jì)算自然循環(huán)工況轉(zhuǎn)換時(shí)的反應(yīng)性反饋。

2 強(qiáng)迫循環(huán)向自然循環(huán)轉(zhuǎn)換失敗的原因

轉(zhuǎn)換失敗的原因主要有2種：① 主泵停閉后，裝置內(nèi)流量驟減，反應(yīng)堆熱量無(wú)法及時(shí)導(dǎo)出，使得反應(yīng)堆出口超溫，觸發(fā)保護(hù)性停堆，尤其在第二臺(tái)主泵停止工作后，熱量的積累更加明顯，由于出口超溫引起的保護(hù)性停堆多發(fā)于此時(shí)；② 主泵停閉后，流量效應(yīng)使得核功率急速下降，此時(shí)二回路負(fù)荷基本不變，蒸汽發(fā)生器能量平衡遭到破壞，一回路功率不足以維持原有二回路負(fù)荷，在達(dá)到新的能量平衡前，蒸汽發(fā)生器儲(chǔ)能將一直被消耗，具體表現(xiàn)為蒸汽發(fā)生器蒸汽壓力過(guò)低，而過(guò)低的蒸汽壓力無(wú)法滿足二回路用汽設(shè)備要求，導(dǎo)致汽輪機(jī)停止運(yùn)行。

所以在進(jìn)行工況轉(zhuǎn)換或制定工況轉(zhuǎn)換程序時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注堆芯出口溫度以及蒸汽發(fā)生器壓力，這兩個(gè)參數(shù)表征著一回路與二回路裝置的工作狀態(tài)，若堆芯出口溫度與蒸汽發(fā)生器壓力在安全限值內(nèi)，則不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重事故；若堆芯溫度超限，則燃料包殼完整性有破壞的風(fēng)險(xiǎn)；若蒸汽發(fā)生器壓力過(guò)低，則汽輪機(jī)有停止工作的風(fēng)險(xiǎn)。

3 原有轉(zhuǎn)換程序及其不足

3.1 原有轉(zhuǎn)換程序下的工況轉(zhuǎn)換

船用核動(dòng)力裝置自然循環(huán)運(yùn)行功率區(qū)相對(duì)狹小，在強(qiáng)迫循環(huán)向自然循環(huán)轉(zhuǎn)換前需將功率降至功率區(qū)內(nèi)，再進(jìn)行工況轉(zhuǎn)換。原有轉(zhuǎn)換程序如下：① 使反應(yīng)堆功率處于自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)；② 將主泵運(yùn)行工況切換至低速運(yùn)行工況，并使主泵處于自動(dòng)狀態(tài)；③ 待反應(yīng)堆穩(wěn)定運(yùn)行后，開始工況轉(zhuǎn)換，并以一定時(shí)間間隔分別停止2臺(tái)主泵。

圖1、圖2、圖3給出原有轉(zhuǎn)換程序下，轉(zhuǎn)換前初始功率分別為0.75 N、0.9 N、N時(shí)的強(qiáng)迫循環(huán)轉(zhuǎn)換自然循環(huán)時(shí)過(guò)渡過(guò)程中主要運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，所有參數(shù)均采用瞬態(tài)值比最大值進(jìn)行歸一化：

圖1 初始功率為0.75 N、0.8 N、N時(shí)的核功率曲線Fig.1 Nuclear power at initial power of 0.75 N,0.9 N and N

圖2 初始功率為0.75 N、0.8 N、N的堆左出口溫度曲線Fig.2 Left core outlet temperature at initial power of 0.75 N,0.9 N and N

圖3 初始功率為0.75 N、0.8 N、N的主蒸汽壓力曲線Fig.3 Main steam pressure at initial power of 0.75 N,0.9 N and N

從以上圖片中可以得出，在原有轉(zhuǎn)換程序下進(jìn)行工況轉(zhuǎn)換的一般規(guī)律：

1) 在自然循環(huán)開始時(shí)，主泵停止工作使得反應(yīng)堆內(nèi)流量驟減，流量下降帶來(lái)的冷卻能力下降使堆內(nèi)冷卻劑溫度升高，同時(shí)堆芯出口溫度也相應(yīng)升高，溫度效應(yīng)的負(fù)反饋使核功率降低至0.2 N左右，然后由功率控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制棒緩慢提升功率，另外從圖2中可以得出，轉(zhuǎn)換前功率水平與轉(zhuǎn)換后反應(yīng)堆出口溫度呈正相關(guān)的趨勢(shì)；

2) 在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，流量會(huì)因?yàn)橹鞅猛Ｖ构ぷ鞫E然減少，但在自然循環(huán)建立的過(guò)程中，流量在驟然減少后會(huì)緩慢提升后回落至穩(wěn)定值，這是在自然循環(huán)建立的過(guò)程中，核功率波動(dòng)導(dǎo)致的，自然循環(huán)系統(tǒng)中的流動(dòng)靠冷熱端的密度差驅(qū)動(dòng)，核功率波動(dòng)帶來(lái)的熱端密度波動(dòng)帶來(lái)冷熱端的壓差波動(dòng)，流量也因此波動(dòng)，此外，轉(zhuǎn)換前核功率與穩(wěn)定后系統(tǒng)的流量成正相關(guān)；

3) 在轉(zhuǎn)換過(guò)程中由于蒸汽發(fā)生器出口閥開度不變以至于蒸汽流量變化不大，當(dāng)蒸汽流量不變時(shí)二回路負(fù)荷基本不變，同時(shí)核功率因負(fù)反饋而下降，所以在蒸汽發(fā)生器內(nèi)一回路傳遞給二回路的能量不足以在原有蒸汽壓力下維持原有二回路負(fù)荷，在一、二回路能量不平衡狀態(tài)下二回路負(fù)荷不變會(huì)使得蒸汽發(fā)生器內(nèi)壓力降低，汽化加劇，蒸汽發(fā)生器壓力一直處于降低狀態(tài)在一、二回路功率達(dá)到平衡時(shí)達(dá)到谷值，從圖中可以看出，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中轉(zhuǎn)換前功率與蒸汽發(fā)生器壓力谷值成負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，這是由于轉(zhuǎn)換前功率越高，二回路負(fù)荷越大，核功率由于負(fù)反饋下降后返回到與二回路負(fù)荷相當(dāng)?shù)墓β仕叫枰臅r(shí)間更長(zhǎng)，蒸汽發(fā)生器儲(chǔ)能消耗得更為徹底，蒸汽發(fā)生器壓力谷值會(huì)更小。

3.2 原有轉(zhuǎn)換程序的不足

從以上3次工況轉(zhuǎn)換可以得出如下結(jié)論：

1) 原有轉(zhuǎn)換程序下，2臺(tái)主泵關(guān)閉時(shí)間過(guò)于接近，在第一臺(tái)主泵關(guān)閉后該環(huán)路流量驟減導(dǎo)致的熱量積累尚未及時(shí)排除，第二臺(tái)主泵就已經(jīng)關(guān)閉，此時(shí)堆芯的熱量積累會(huì)加劇，造成堆芯出口溫度超限，隨著轉(zhuǎn)換前功率的增加，堆芯出口溫度裕量會(huì)逐漸減?。?/p>

2) 原有轉(zhuǎn)換程序下，缺少二次側(cè)負(fù)荷調(diào)節(jié)，主泵停止工作后核功率驟減，二次側(cè)負(fù)荷基本不變，主蒸汽壓力因此迅速降低，轉(zhuǎn)換開始后核功率與二次側(cè)負(fù)荷的不匹配隨著轉(zhuǎn)換前功率的增大而逐漸明顯，進(jìn)而導(dǎo)致初始功率為N的情況下工況轉(zhuǎn)換失敗。

4 優(yōu)化方案的提出與驗(yàn)證

4.1 優(yōu)化方案的提出

本文提出新的轉(zhuǎn)換程序，旨在使某型船用核動(dòng)力裝置在更高的功率水平下更安全地完成強(qiáng)迫循環(huán)向自然循環(huán)的轉(zhuǎn)換。新轉(zhuǎn)換程序?qū)檫\(yùn)行參數(shù)留有足夠的裕量并盡量減少人員干預(yù)。新轉(zhuǎn)換程序是基于原有程序的不足提出的，在依照原有轉(zhuǎn)換程序下進(jìn)行強(qiáng)迫循環(huán)向自然循環(huán)轉(zhuǎn)換時(shí)，由于二次側(cè)負(fù)荷與核功率之間的差值過(guò)大，以至于初始功率為N功率時(shí)的工況轉(zhuǎn)換失敗，同時(shí)2臺(tái)主泵停閉時(shí)間過(guò)于接近，使得主泵停閉帶來(lái)的堆芯熱量積累進(jìn)一步加劇。

但增大2臺(tái)主泵停閉間隔時(shí)間會(huì)使反應(yīng)堆處于流量不對(duì)稱的偏環(huán)路運(yùn)行狀態(tài)，此種工況下運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致堆芯功率不均勻分布，桂學(xué)文等利用物理熱工耦合的方法分別對(duì)反應(yīng)堆不對(duì)稱運(yùn)行進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明，當(dāng)2臺(tái)主泵處于不同運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，入口流量分配不均勻性很大，同時(shí)流量分配過(guò)高與過(guò)低的燃料組件都位于堆芯邊緣，雖對(duì)徑向功率分布沒有造成明顯影響，但熱組件的流量因子因此降低，同時(shí)降低了最小燒毀比，會(huì)降低核動(dòng)力裝置運(yùn)行裕度，其他學(xué)者也對(duì)反應(yīng)堆偏環(huán)路運(yùn)行進(jìn)行了相關(guān)研究。

所以新轉(zhuǎn)換程序的核心是通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的二次側(cè)負(fù)荷，以及適度增大主泵停止的間隔時(shí)間。之所以以二次側(cè)負(fù)荷調(diào)節(jié)為主，是因?yàn)樵龃笾鞅猛Ｖ沟拈g隔時(shí)間無(wú)法維持主蒸汽壓力(參見4.2節(jié))。

4.2 優(yōu)化方案的驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)以下11種工況，實(shí)驗(yàn)方案具體工況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experinmental condition table

由圖4、圖5，對(duì)主泵停閉不同間隔時(shí)間對(duì)轉(zhuǎn)換過(guò)程影響的敏感性進(jìn)行分析，結(jié)果如下，圖4—圖12所有參數(shù)均采用瞬態(tài)值比最大值進(jìn)行歸一化。

圖4 工況1—7的堆芯出口溫度曲線Fig.4 Left core outlet temperature in case 1-7

圖5 工況1—7的主蒸汽壓力曲線Fig.5 Main steam pressure in case 1-7

圖6 工況1、5、8、9的核功率曲線Fig.6 Nuclear power in case 1,5,8,9

圖7 工況1、5、8、9的堆芯出口溫度曲線Fig.7 Left core outlet temperature in case 1,5,8,9

圖8 工況1、5、8、9的堆芯入口溫度曲線Fig.8 Left core inlet temperature in case 1,5,8,9

圖9 工況1、5、8、9的主蒸汽壓力曲線Fig.9 Main steam pressure in case 1,5,8,9

圖10 工況9—11的核功率曲線Fig.10 Nuclear power in case 9—11

圖11 工況9—11的堆芯出口溫度曲線Fig.11 Left core outlet temperature in case 9—11

圖12 工況9—11的主蒸汽壓力曲線Fig.12 Main steam pressure in case 9—11

在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，隨著主泵停閉間隔時(shí)間的增大，2臺(tái)主泵相繼停閉帶來(lái)的堆芯熱量積累可以得到一定程度上緩解，同時(shí)堆芯出口溫度的峰值也隨之減小，減小的幅度與間隔時(shí)間長(zhǎng)度成正比，但經(jīng)敏感性分析后工況5、6、7堆芯出口溫度峰值近似，為盡可能減小反應(yīng)堆流量不對(duì)稱時(shí)間，優(yōu)化方案選取主泵停閉間隔時(shí)間為14 t。

主泵停閉間隔時(shí)間的增大對(duì)無(wú)法有效維持二次側(cè)壓力，轉(zhuǎn)換過(guò)程中主蒸汽壓力谷值基本不隨著主泵停閉間隔時(shí)間的增大而變化，所以汽輪機(jī)停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)仍然存在，這是由于增大主泵停閉間隔時(shí)間不能有效緩解流量效應(yīng)造成的核功率驟減，工況7核功率谷值仍處于0.4 N左右，核功率與二次側(cè)負(fù)荷的不平衡仍較大，一、二次側(cè)負(fù)荷平衡所需時(shí)間也無(wú)明顯變化，導(dǎo)致主蒸汽壓力谷值變化較小。

由圖6、圖7、圖8、圖9對(duì)3種優(yōu)化方案進(jìn)行比對(duì)評(píng)估，工況5與工況8相對(duì)比，工況8由于調(diào)整了二次側(cè)負(fù)荷可以有效維持主蒸汽壓力，在維持主蒸汽壓力的同時(shí)堆芯出口溫度峰值也得到了控制，這是由于在減小二次側(cè)負(fù)荷后，蒸汽發(fā)生器一次側(cè)傳遞給二次側(cè)的熱量減少，使得反應(yīng)堆入口溫度升高，由于船用核動(dòng)力裝置反應(yīng)堆設(shè)計(jì)時(shí)將水鈾比設(shè)置在欠慢化區(qū)，以保證反應(yīng)堆在慢化劑溫度升高時(shí)具有負(fù)的慢化劑溫度系數(shù)，所以進(jìn)口溫度的升高會(huì)引入一部分負(fù)反應(yīng)性，由于二次側(cè)負(fù)荷減小工況8反應(yīng)堆進(jìn)口溫度相比與工況5更大，所以工況8反應(yīng)堆功率上升速度減慢，出口溫度上升速率也相對(duì)較小，消除了轉(zhuǎn)換過(guò)程中的安全隱患。

工況9在工況8的基礎(chǔ)上增大了主泵停閉間隔時(shí)間，減輕了第一臺(tái)主泵停轉(zhuǎn)帶來(lái)的熱量積累，工況9核功率波動(dòng)幅度最小、堆芯出口溫度峰值最低、主蒸汽壓力谷值最高，效果最優(yōu)。綜上所述，優(yōu)化方案為增大主泵停閉間隔時(shí)間為14 t，并降低二次側(cè)負(fù)荷。

由圖4可知，基于優(yōu)化后的轉(zhuǎn)換程序，該型船用核動(dòng)力裝置可以在初始功率為2 N、1.5 N、N的情況下進(jìn)行強(qiáng)迫循環(huán)向自然循環(huán)轉(zhuǎn)換。在3種工況的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，核功率波動(dòng)幅度基本一致，堆芯出口溫度峰值與初始功率成正比，主蒸汽壓力谷值與初始功率成反比，堆芯出口溫度與主蒸汽壓力均處于安全限值內(nèi)，表明轉(zhuǎn)換程序優(yōu)化后達(dá)到了抑制主蒸汽壓力下降與堆芯出口溫度上升的目的。

5 結(jié)論

研究了船用核動(dòng)力裝置強(qiáng)迫循環(huán)向自然循環(huán)轉(zhuǎn)換過(guò)程和堆芯出口溫度、主蒸汽壓力在不同轉(zhuǎn)換程序下的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)原有轉(zhuǎn)換程序無(wú)法緩解堆芯熱量堆積并缺少二次側(cè)負(fù)荷調(diào)節(jié)。對(duì)原有轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)增大主泵停閉間隔時(shí)間的同時(shí)調(diào)節(jié)二次側(cè)負(fù)荷可以降低轉(zhuǎn)換過(guò)程中的堆芯出口溫度并將主蒸汽壓力維持在安全限值內(nèi)。

轉(zhuǎn)換程序優(yōu)化后，增大了轉(zhuǎn)換過(guò)程中主蒸汽壓力和反應(yīng)堆出口溫度的安全裕量，主蒸汽壓力谷值和反應(yīng)堆出口溫度峰值分別為優(yōu)化前的91%和95%，保證了堆芯和用汽設(shè)備的安全，同時(shí)將轉(zhuǎn)換功率區(qū)拓寬為原有功率區(qū)的200%，減小了核功率波動(dòng)，表明優(yōu)化方案具有可行性，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)換程序可應(yīng)用于陸基核動(dòng)力裝置自然循環(huán)工況轉(zhuǎn)換。