二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證分析

陳 薇，張亞男，曹夏昕，閻昌琪，張往鎖

(1.哈爾濱工程大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.國(guó)家核電技術(shù)有限公司，北京 100029；3.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

反應(yīng)堆事故停堆后，堆芯剩余功率仍十分可觀；傳統(tǒng)核電站采用能動(dòng)的余熱排出系統(tǒng)帶走這部分熱量，然而一旦發(fā)生全廠斷電事故，正常電源和可靠電源全部喪失，余熱排出系統(tǒng)無(wú)法投入工作，堆芯面臨熔毀的危險(xiǎn)。為提高反應(yīng)堆固有安全性，降低堆芯熔毀概率，從20世紀(jì)80年代開始，世界各國(guó)對(duì)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)（PRHRS）進(jìn)行了廣泛的研究。PRHRS利用重位差驅(qū)動(dòng)工作，通過在回路中建立自然循環(huán)的方式導(dǎo)出反應(yīng)堆剩余功率。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少或取消了能動(dòng)部件，不必依賴運(yùn)行人員的動(dòng)作及外部能源的供給就能完成相應(yīng)的安全功能，是提高核電站安全性、經(jīng)濟(jì)性的重要方式之一。因此，在反應(yīng)堆的開發(fā)中，非常強(qiáng)調(diào)PRHRS的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[1-4]。

本文在成熟壓水堆技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)反應(yīng)堆二回路系統(tǒng)進(jìn)行部分改造，提出基于蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的PRHRS，并用RELAP5/MOD3.2程序分析全廠斷電事故下PRHRS的運(yùn)行特性。

1 PRHRS設(shè)計(jì)方案

PRHRS設(shè)計(jì)方案如圖1所示。該方案采用二次側(cè)冷卻方法，以高位水箱為最終熱阱，通過在回路中建立自然循環(huán)的方式將事故后反應(yīng)堆剩余熱量導(dǎo)出。余熱排出系統(tǒng)由蒸汽發(fā)生器二次側(cè)、換熱器及相應(yīng)的管道、閥門組成，換熱器浸沒在高位水箱內(nèi)，連接蒸汽發(fā)生器上封頭和主給水管入口。回路中設(shè)置1個(gè)截止閥V1、1個(gè)電動(dòng)控制閥V2和1個(gè)逆止閥V3；V1設(shè)置在熱管段即蒸汽管道上，V2、V3設(shè)置在冷管段即冷凝水回流管道上，設(shè)置逆止閥V3的目的是防止出現(xiàn)給水倒流現(xiàn)象。反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，閥門V1常開，余熱排出回路冷、熱管段上方相互連通，壓力環(huán)境相同，閥門V2封閉，余熱排出回路與蒸汽發(fā)生器二次側(cè)隔離。余熱排出回路內(nèi)冷、熱管段流體密度差較大，回路內(nèi)形成了較大的重位蓄壓；一旦發(fā)生全廠斷電事故，電動(dòng)控制閥V2失效打開，在冷、熱管段流體重位壓差和冷凝抽吸力的共同驅(qū)動(dòng)下，余熱排出回路內(nèi)很快建立起循環(huán)流動(dòng)，帶走蒸汽發(fā)生器二次側(cè)熱量，間接地將堆內(nèi)余熱導(dǎo)入高位水箱中。

PRHRS設(shè)計(jì)在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)，與一次側(cè)PRHRS相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：二次側(cè)余熱排出系統(tǒng)熱管段工質(zhì)為飽和蒸汽，冷管段工質(zhì)為凝結(jié)水，冷、熱管段流體密度差較大，在余熱排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)高度一定的情況下，系統(tǒng)自然循環(huán)流量更大；余熱排出換熱器換熱管內(nèi)側(cè)為凝結(jié)換熱，外側(cè)為沸騰換熱，相比單相對(duì)流換熱而言，換熱系數(shù)更大，換熱效率更高，有利于節(jié)省換熱器布置空間及換熱管材；從安全角度看，二次側(cè)PRHRS工作壓力更低，經(jīng)濟(jì)性、安全性更好。

2 系統(tǒng)參數(shù)及計(jì)算模型

以大亞灣核電站反應(yīng)堆主冷卻劑系統(tǒng)為載體，用RELAP5/MOD3.2程序分析在全廠發(fā)生斷電事故時(shí)，PRHRS能否有效導(dǎo)出堆芯剩余釋熱。參照反應(yīng)堆三環(huán)路布置方式，在每臺(tái)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)均設(shè)置1個(gè)余熱排出回路，1個(gè)高位水箱作為最終熱阱，RELAP5程序計(jì)算節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

主冷卻劑系統(tǒng)與PRHRS主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1、表2所示，其中高位水箱容積的選取參考了AP1000換料水箱設(shè)計(jì)值。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

表1 主冷卻劑系統(tǒng)及蒸汽發(fā)生器主要參數(shù)[5]Table 1 Principal parameters of primary system and steam generator

表2 PRHRS換熱器主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Principal parameters of heat exchanger for PRHRS

調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，使反應(yīng)堆主要運(yùn)行參數(shù)與分析全廠斷電事故選用的參數(shù)假設(shè)值基本相同。反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行200 s時(shí)引入全廠斷電事故，計(jì)算得到的事故序列如表3所示。事故發(fā)生后，主泵惰轉(zhuǎn)，主給水喪失，汽輪機(jī)脫扣，反應(yīng)堆主冷卻劑泵低-低轉(zhuǎn)速觸發(fā)緊急停堆信號(hào)[6]，控制棒組件接收到停堆信號(hào)延遲一段時(shí)間后開始下落，促使反應(yīng)堆安全停堆。事故發(fā)生10 s內(nèi)反應(yīng)堆功率比及燃料元件熱流密度比變化曲線如圖3所示。這段時(shí)間內(nèi)反應(yīng)堆剩余功率較大，且由于蓄熱作用燃料元件熱流密度降低更為緩慢，在此期間監(jiān)測(cè)臨界熱流密度，比較得出燃料元件熱流密度均低于臨界熱流密度，因此，堆芯安全。主泵惰轉(zhuǎn)，主回路冷卻劑流量瞬間減少，堆內(nèi)熱量無(wú)法被有效帶出，導(dǎo)致冷卻劑平均溫度及一回路壓力瞬間升高，事故發(fā)生后約6 s穩(wěn)壓器安全閥觸發(fā)打開，限制了一回路壓力和冷卻劑平均溫度的進(jìn)一步上升，冷卻劑平均溫度及壓力變化曲線分別如圖4、圖5所示。

余熱排出回路冷凝液變化曲線如圖6所示。事故發(fā)生后60 s，電動(dòng)控制閥V2失效打開，余熱排出系統(tǒng)投入運(yùn)行，反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，余熱排出回路左右兩側(cè)流體重位蓄壓較大，閥門一旦打開，系統(tǒng)內(nèi)瞬間形成了較大循環(huán)流量，并在瞬間達(dá)到峰值。冷管段冷卻水進(jìn)入蒸汽發(fā)生器對(duì)其冷卻，產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入換熱器重新被凝結(jié)成液體，余熱排出回路冷管段工質(zhì)凝結(jié)水和熱管段工質(zhì)蒸汽之間始終保持較大的重位壓差，在重位壓差及換熱器冷凝抽吸作用下，系統(tǒng)內(nèi)形成穩(wěn)定自然循環(huán)，帶走蒸汽發(fā)生器二次側(cè)熱量，導(dǎo)致一回路冷卻劑壓力及平均溫度不斷降低。隨著余熱排出回路冷管段水位回落，自然循環(huán)流量快速下降，余熱排出換熱器穩(wěn)定運(yùn)行后，自然循環(huán)流量隨高位水箱水位回落而緩慢降低。蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水位變化曲線如圖7所示。反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，蒸汽發(fā)生器環(huán)形下降空間為飽和水，水位穩(wěn)定地維持在13.1 m，上升空間內(nèi)為汽、水混合物，有效水位約為6 m；事故發(fā)生后，主給水喪失，流動(dòng)阻力壓降損失，下降及上升空間連通，二次側(cè)水位瞬間下降至10.6 m左右。余熱排出系統(tǒng)投入運(yùn)行后，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水位直至2000 s左右基本維持不變，2000 s后，隨著反應(yīng)堆功率下降，水位逐漸上升，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水位始終位于U形傳熱管之上，避免了傳熱管裸露、傳熱惡化現(xiàn)象的發(fā)生。

表3 全廠斷電事件的時(shí)間序列Table 3 Time sequence of station blackout

本方案采用高位水箱為最終熱阱，事故發(fā)生后反應(yīng)堆剩余功率被源源不斷地導(dǎo)入高位水箱中，高位水箱水位變化曲線如圖8所示。高位水箱內(nèi)冷卻水不斷吸熱并最終沸騰，水位不斷降低。事故發(fā)生之初，高位水箱冷卻水容量較大，溫度較低，換熱器換熱能力較強(qiáng)，自然循環(huán)流量也較大；隨著冷卻水位的降低，換熱管部分裸露，換熱器換熱能力下降，系統(tǒng)自然循環(huán)流量也逐漸減小；事故發(fā)生后3500 s左右，水位下降約0.16 m，仍具有很強(qiáng)的吸收堆芯衰變熱能力。

事故初期，不需人為干預(yù)，僅依靠二次側(cè)PRHRS，即可帶走堆芯余熱，保證反應(yīng)堆安全；事故后期，可采用向高位水箱內(nèi)補(bǔ)水的方法保證堆芯熱量持續(xù)導(dǎo)出。PRHRS一旦投入運(yùn)行，即可通過自然循環(huán)的方式帶走蒸汽發(fā)生器二次側(cè)熱量，間接地導(dǎo)出堆內(nèi)余熱，在一段時(shí)間內(nèi)保證反應(yīng)堆安全，計(jì)算結(jié)果表明PRHRS設(shè)計(jì)合理、有效。

4 敏感性分析

本文對(duì)一些有可能影響PRHRS運(yùn)行特性的因素進(jìn)行了敏感性研究，包括換熱器距給水管入口高度、余熱排出系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)間、換熱器換熱面積。

4.1 換熱器距給水管位置高度影響

換熱器距給水管高度增加20%，由原來(lái)的2.451 m增加到2.951 m，PRHRS運(yùn)行特性曲線如圖9所示。換熱器距給水管高度越高，余熱排出回路左右兩側(cè)流體重位壓差越大，相應(yīng)的系統(tǒng)自然循環(huán)流量越大，冷卻劑降溫速率及一回路降壓速率也越快。但主系統(tǒng)降溫降壓速率并不是越快越好，設(shè)計(jì)中要充分考慮系統(tǒng)熱應(yīng)力效應(yīng)，防止反應(yīng)堆系統(tǒng)出現(xiàn)熱應(yīng)力損傷，并避免事故初期，冷卻劑降溫速率過快，引入冷水事故，使反應(yīng)堆重返臨界。

4.2 PRHRS投入時(shí)間影響

PRHRS投入時(shí)間由原來(lái)相對(duì)較保守的事故發(fā)生后60 s投入，提前到事故發(fā)生后20 s投入，PRHRS運(yùn)行特性曲線如圖10所示。由圖10可看出，系統(tǒng)自然循環(huán)流量的大小與系統(tǒng)投入時(shí)間早晚并無(wú)必然聯(lián)系，兩種工況下系統(tǒng)自然循環(huán)流量變化趨勢(shì)基本相同；但系統(tǒng)投入越早，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水位越高，越有利于蒸汽發(fā)生器二次側(cè)換熱，可避免發(fā)生傳熱管裸露，傳熱惡化現(xiàn)象，因此事故發(fā)生后，應(yīng)盡早投入PRHRS。

4.3 換熱器換熱面積影響

換熱器換熱面積主要影響換熱器效率，即PRHRS導(dǎo)出堆芯衰變熱的能力，在原來(lái)設(shè)計(jì)參數(shù)基礎(chǔ)上，將換熱器換熱管數(shù)量減少為原來(lái)的1/2，兩種設(shè)計(jì)參數(shù)下，系統(tǒng)運(yùn)行特性對(duì)比曲線如圖11所示。換熱面積減小，余熱排出換熱器導(dǎo)熱能力降低，換熱器出口流體溫度越高，從而減少了余熱排出系統(tǒng)自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓頭，冷卻劑平均溫度由初始每小時(shí)下降27 ℃，減少到每小時(shí)下降16 ℃。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的PRHRS，并用RELAP5/MOD3.2程序分析了在全廠斷電事故時(shí)，PRHRS的運(yùn)行特性。

1）事故發(fā)生后，PRHRS內(nèi)可快速建立起自然循環(huán)，將蒸汽發(fā)生器二次側(cè)熱量導(dǎo)入高位水箱中，間接地帶走堆芯余熱，在一段時(shí)間內(nèi)保證反應(yīng)堆安全。

2）換熱器距給水管高度越高，系統(tǒng)內(nèi)自然循環(huán)流量越大，主冷卻劑系統(tǒng)降溫、降壓速率也越快。

3）余熱排出系統(tǒng)投入時(shí)間越早，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水位越高，越有利于蒸汽發(fā)生器U形管一、二次側(cè)之間的換熱。

4）換熱器換熱面積越小，系統(tǒng)自然循環(huán)流量越小，冷卻劑平均溫度下降速度越慢。

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