基于密度鎖的非能動余熱排出系統設計及驗證分析

陳 薇，嚴 春，閻昌琪，谷海峰

（1.哈爾濱工程大學 核科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.華能山東石島灣核電開發有限公司，山東 榮成 264312）

密度鎖［1］通常是由兩端開口的豎直通道組成的蜂窩型管束，其內無任何機械隔離部件，安裝于反應堆主冷卻劑系統和非能動余熱排出系統之間，它的作用相當于“閥門”而又不像普通閥門那樣具有閥芯和瓣膜。反應堆正常運行期間，密度鎖內能形成穩定的冷／熱流體溫度交界面，并依靠主冷卻劑回路和余熱排出回路之間的壓力平衡，交界面能穩定地存在于密度鎖內，從而將主回路與余熱排出回路中溫度不同的工質隔開，使它們相互連通又阻止它們相互交混，此時，密度鎖處于“封閉”狀態。一旦反應堆發生惡性事故，堆芯溫度升高，交界面處的壓力平衡將被打破，密度鎖自動開啟，事故冷卻水進入反應堆內，并通過自然循環不斷帶走堆芯余熱。可見，密度鎖從“封閉”到投入工作的過程中不需任何工作人員及外部動力的干預，僅依靠反應堆自身運行特性來實現反應堆的安全停堆，因此是最可靠的安全保障。

有關密度鎖技術的應用，國外研究者進行了大量有益的探索，他們在一些新型反應堆概念化設計中均應用了密度鎖技術，比較典型的有 PIUS［2］、IRIS［3］及 CANDU［4］堆等，然而這些反應堆均為池式反應堆，其技術特點與目前應用廣泛的分散式布置壓水堆相差較遠。如能提出一種新的設計方案，將密度鎖技術應用于分散式布置壓水堆的非能動余熱排出系統中，對提高在役核電站的固有安全性具有重要意義。本文提出一種基于密度鎖的非能動余熱排出系統設計方案，并以AP1000主冷卻劑系統為載體，用REALP5／MOD3.2程序分析系統的穩態運行特性。

1 基于密度鎖的非能動余熱排出系統設計方案

基于密度鎖的非能動余熱排出系統設計方案如圖1所示。該方案采用一次側冷卻方法，以換料水箱為最終熱阱，通過自然循環將事故后的堆芯余熱導出。余熱排出回路按系統正常運行時其內流體溫度不同可分為冷管段和熱管段，冷管段包括非能動余熱換熱器、壓力調節回路、密度鎖及相應的管道、閥門。密度鎖連接于反應堆冷管段和換熱器出口之間，密度鎖內流體受主回路高溫工質的擾動及導熱作用將會形成穩定的冷熱流體溫度分層，溫度從上至下逐漸降低。壓力調節回路與余熱排出回路冷管段相連，由節流孔板，調壓泵及相應的管道組成。調壓泵轉速可調，通過調節壓力來調節回路流量，改變余熱排出回路冷管段流動阻力，可建立密度鎖水力平衡關系，維持主回路和余熱排出回路的隔離。余熱排出回路熱管段與主回路系統共用，如圖中虛線框出部分，熱管段包含1個循環回路，循環回路連接于反應堆熱管段與余熱排出換熱器入口之間，系統正常運行時，循環回路中始終有高溫主冷卻工質流動，流動方向如圖中實線所示，從而使余熱排出回路冷、熱管段之間存在較大重位壓差，可保證系統投入運行時建立一定自然循環驅動壓頭。

圖1 非能動余熱排出系統設計方案Fig.1 Design of PRHRS

密度鎖為余熱排出系統及主冷卻劑系統之間提供了1個常開的冷卻劑流動通道，其內部無任何機械或傳動部件，系統正常運行時，若能建立密度鎖內水力平衡關系，則可實現密度鎖“封閉”，維持主回路和余熱排出回路隔離。

2 密度鎖“封閉”條件分析

為分析方便，如圖1所示，定義余熱排出回路與主回路流動通道相交于1、2兩點；循環回路與主回路并聯于a、b兩點；余熱排出回路與壓力調節回路并聯，二者流動通道相交于c、d兩點。為便于說明，定義壓力調節回路中流體順時針方向流動為正向流動，逆時針方向流動為反向流動；余熱排出回路中冷管段流體向下流動為正向流動，向上流動為反向流動。

假設各通道內工質的流動是一維不可壓縮流體的流動，則其流動方程為：

式中：ρ為工質的密度，kg／m3；w 為工質的流速，m／s；p為壓力，Pa；θ為實驗管路與豎直方向的夾角；δp為不可逆壓降，Pa；t為時間，s。

將式（1）分別沿余熱排出回路冷管段1－2方向及熱管段2－1方向進行積分，并假設除重位壓頭外，流體密度不隨位置改變，得到如下方程：

式中：Q 為體積流量，m3／h；A 為通道流通面積，m2；下角標中1、2分別表示在位置1和位置2處的參數值，h、L分別代表余熱排出回路熱管段及冷管段流體參數值。

其中：

式中：ξ為壓力調節回路流動阻力系數；Qt為壓力調節回路體積流量，m3／h。

反應堆正常運行時，系統內應滿足以下條件：

1）非能動余熱排出回路與主回路隔離，即密度鎖應處于“封閉”狀態，非能動余熱排出回路冷管段流量為0，其數學表達式為：

2）系統運行達穩態后，主回路中體積流量基本不隨時間變化，是定常量，其數學表達式為：

將上述穩定性條件式（5）、（6）代入方程（2）、（3）中，經簡化便可得到反應堆正常運行時，密度鎖處于“封閉”狀態需滿足的條件，即密度鎖內的水力平衡條件：

上述方程中左邊第1項代表余熱排出回路冷、熱管段兩側流體重位壓差，第2項代表余熱排出回路冷管段與壓力調節回路公用管道（c－d）流動阻力壓降，右邊第1項代表熱管段流體流動阻力壓降，第2項代表熱管段流體流動加速壓降。密度鎖“封閉”應滿足的水力平衡條件為：非能動余熱排出回路冷、熱管段流體重位壓差與余熱排出回路冷管段（c－d）流體流動阻力之和等于熱管段流體不可逆流動阻力及加速壓降之和。

鑒于非能動余熱排出換料水箱布置高度的限制，余熱排出回路冷、熱管段流體重位壓差較小，而冷卻劑流過堆芯的阻力壓降較大，系統中若不設置壓力調節回路，密度鎖內流體上下兩側所受壓力不能平衡。主系統穩態運行時，壓力調節回路流體順時針方向流動，余熱排出回路冷管段產生較大流動阻力，由方程（7）知，通過對壓力調節回路循環流量的控制，可建立密度鎖內水力平衡關系，維持主回路和余熱排出回路的隔離。

3 非能動余熱排出系統啟動特性分析

3.1 系統參數和計算模型

本文重點分析了非能動余熱排出系統的啟動特性，即：主回路系統穩態運行一段時間后，打開余熱排出回路截止閥，在PI控制系統作用下，根據密度鎖內流體溫度變化情況調節調壓泵轉速，建立密度鎖內水力平衡關系，使主回路高溫冷卻劑和余熱排出回路低溫冷卻水隔離。

將非能動余熱排出系統與AP1000主冷卻劑系統連接，采用兩個冷卻劑環路分別帶1套非能動余熱排出系統的布置方式，RELAP5計算節點劃分如圖2所示，為說明方便，圖中僅給出了反應堆壓力容器及單環路計算節點，另一個環路計算節點與該環路類似。計算模型中包含了大部分一回路系統設備，主要有反應堆壓力容器、主泵、蒸汽發生器、穩壓器及相應的管道、閥門，省略了與計算無關的安注系統；穩壓器安全閥可實現起跳和回座，不考慮穩壓器內加熱和噴淋作用；二回路系統僅保留了蒸汽發生器二次側及部分主蒸汽管道，簡化了主給水系統，用時間相關控制體及相應接管模擬；余熱排出系統通過接管及分支部件與主回路系統冷熱管段相連，其中密度鎖用管型部件模擬，密度鎖內劃分為5個控制體，3＃控制體溫度作為調壓泵轉速控制變量。

圖2 非能動余熱排出系統RELAP5計算節點圖Fig.2 RELAP5nodalization of PRHRS

計算過程中首先關閉余熱排出回路截止閥，調節主回路系統至穩態運行工況，并使系統主要運行參數基本接近設計值［5］。主回路系統穩定運行一段時間后，打開余熱排出回路截止閥，以密度鎖中心處流體溫度作為控制變量控制調壓泵轉速，實現非能動余熱排出系統的啟動。具體方法是：根據密度鎖內流體溫度分層特性，選取密度鎖中心處流體溫度作為調壓泵轉速的控制變量，該處流體溫度升高，密度鎖內流體向下流動，則增大調壓泵轉速；該處流體溫度降低，密度鎖內流體向上流動，則減小調壓泵轉速。

3.2 計算結果及分析

非能動余熱排出系統啟動過程中密度鎖溫度、壓力調節回路質量流量及余熱排出回路質量流量變化曲線如圖3所示。余熱排出回路截止閥打開前，密度鎖內形成了穩定的冷熱流體溫度分層，從上至下流體溫度依次降低，圖中繪制了開閥前后，密度鎖1＃～5＃控制體溫度變化過程。30s之前主回路系統穩態運行，30s時打開余熱排出回路截止閥，此時主回路流體流動阻力遠大于余熱排出回路重位壓差，余熱排出回路流體瞬間產生較大正向流動，壓力調節回路也在主回路流體沖擊作用下產生較小流量的反向流動。隨著主回路高溫工質的流入密度鎖內流體溫度迅速升高，在控制系統反饋作用下，壓力調節回路質量流量逐漸增加，增大了余熱排出回路流動阻力壓降，此后余熱排出回路產生反向流量，密度鎖內流體溫度逐漸降低。密度鎖內流體溫度隨著余熱排出回路流量的變化而變化，余熱排出回路流量為負時，密度鎖內流體溫度升高，余熱排出回路流量為正時，密度鎖內流體溫度降低。密度鎖中心處流體溫度圍繞其初始值上下波動，于140s左右基本恢復穩定，密度鎖內始終維持著較好的冷熱流體溫度分層，開閥后由于流體震蕩，密度鎖內流體各分層間溫度梯度略有減小。壓力調節回路流量在密度鎖內流體溫度控制作用下經過一段時間波動后維持穩定，余熱排出回路質量流量最終穩定在0kg／s，至此非能動余熱排出回路啟動成功。非能動余熱排出系統啟動過程中，主回路系統運行參數受其影響也會在穩態值附近上下波動，余熱排出回路流量為0時，主回路系統運行參數恢復穩定，且與反應堆穩態運行參數設計值基本相同，即余熱排出系統啟動最終不影響反應堆穩態運行特性。

圖3 非能動余熱排出系統啟動過程主要參數變化曲線Fig.3 Characteristic curves on main parameters of PRHRS startup process

非能動余熱排出系統啟動后，主回路和余熱排出回路隔離，非能動余熱排出系統處于熱備用狀態，主回路系統運行穩定。580s時將反應堆堆芯功率降到90%Pn，以研究反應堆運行參數變化時非能動余熱排出系統的響應特性。密度鎖3＃控制體溫度、壓力調節回路質量流量、余熱排出回路質量流量變化曲線如圖4所示。由于反應堆功率瞬變，冷熱腿流體溫度瞬間降低，余熱排出回路冷、熱管段流體重位壓差減小，密度鎖內原有的水力平衡被打破，余熱排出回路中產生較小的反向流量，主回路高溫工質流入密度鎖，密度鎖內流體溫度升高。在控制系統自動調節下，壓力調節回路質量流量先是增大，隨著余熱排出回路產生正向流量，密度鎖內流體溫度降低，壓力調節回路質量流量逐漸減小，經過一段時間波動后最終趨于穩定，余熱排出回路質量流量經過一段時間小幅度波動后于740s左右重新恢復為0，主回路和余熱排出回路重新隔離。功率瞬變前后，壓力調節回路質量流量略有增加，彌補了余熱排出回路冷、熱管段流體重位壓差降低對密度鎖水力平衡關系造成的破壞，主回路系統穩態運行參數變化時，可通過對壓力調節回路流量的控制始終維持密度鎖的“封閉”，證明了該系統具有良好的抗擾動能力。

圖4 功率瞬變過程主要參數變化曲線Fig.4 Characteristic curves on main parameters with reactor power changing

4 結論

提出了一種基于密度鎖的非能動余熱排出系統設計方案，密度鎖連接于反應堆冷管段和余熱排出換熱器出口之間，通過控制調壓泵轉速可維持密度鎖的“封閉”，主回路和余熱排出回路隔離，并以AP1000主冷卻劑系統為載體，研究了非能動余熱排出系統的啟動特性及反應堆功率瞬變時系統的響應特性，得到的主要結論如下。

1）非能動余熱排出系統啟動時，以密度鎖內流體溫度作為控制信號，通過對壓力調節回路流量的控制，可自動建立密度鎖內流體水力平衡關系，維持密度鎖的“封閉”，最終實現主回路和余熱排出回路的隔離，以及非能動余熱排出系統的成功啟動。

2）反應堆正常運行期間，系統運行參數改變時，密度鎖內原有的水力平衡被打破，密度鎖內流體溫度發生變化，反饋到壓力調節系統中，壓力調節回路質量流量將根據密度鎖內流體溫度變化情況逐漸增大或減小，最終維持在某一穩定值，重新建立主回路和余熱排出回路之間的壓力平衡關系，證明了該系統在反應堆主系統正常運行期間具有較好的抗擾動能力。

［1]呂襄波，閻昌琪，孫立成.密度鎖在反應堆非能動安全中的作用分析［J］.核動力工程，2005，26（6）：605－608.LU Xiangbo，YAN Changqi，SUN Licheng.The analysis of density lock used in nuclear reactor passive safety［J］.Nuclear Power Engineering，2005，26（6）：605－608（in Chinese）.

［2]KARE H.The PIUS pressurized water reactor：Aspects of plant operation and availablity［J］.Nuclear Safety，1989，82：56－63.

［3]CARELLI M D.IRIS：A global approach to nuclear power renaissance［J］.Nuclear News，2003，46（10）：32－42.

［4]STEFAN M.An application of the new way to prevent core melting in pressure tube reactor（CANDU type）［J］.Annals of Nuclear Energy，2001，28：79－88.

［5]林誠格.非能動安全先進核電廠AP1000［M］.北京：原子能出版社，2008：136－218.