ESPRIT臺架啟動試驗RELAP5程序預先模擬研究

李峰　黃慧劍　陳偉

【摘 要】華龍一號核電廠設置有二次側非能動余熱排出系統（Passive Residual Removal System，PRS系統）。為驗證該非能動系統的可用性，開展了二次側非能動余熱排出系統實驗研究，試驗臺架為ESPRIT。本文利用熱工水力系統分析程序RELAP5對ESPRIT臺架進行建模。針對啟動試驗工況進行預先計算分析，研究PRS系統運行狀態和主要現象，為啟動試驗提供參考。

【關鍵詞】ESPRIT；二次側非能動余熱排出系統；RELAP5

華龍一號二次側非能動余熱排出系統（PRS系統）利用放置在換熱水箱內的熱交換器，將蒸汽發生器二次側產生的蒸汽冷卻，進而將熱量釋放到換熱水箱。蒸汽冷卻產生的凝水通過管道流回到蒸汽發生器。蒸汽發生器吸收一回路冷卻劑的熱量產生蒸汽，再流入到熱交換器中，這樣就形成了兩相自然循環流動。該系統設計目標是實現停堆后能夠長期排出堆芯余熱和儲熱，保證反應堆處于安全狀態。

為驗證系統運行能力，建立了二次側非能動余熱排出系統試驗臺架ESPRIT。試驗內容包括了穩態運行試驗和啟動試驗。在啟動試驗前，首先利用RELAP5程序對啟動試驗進行了預先計算研究，獲得試驗過程中的主要現象，為啟動試驗提供支持和參考。

1 ESPRIT臺架

ESPRIT實驗裝置流程圖見圖1，該系統主要由蒸汽發生器模擬體（SG）、蒸汽管道、蒸汽管道手動調節閥、蒸汽管道文丘里流量計、冷卻器（EX）、凝水管道、凝水管道手動調節閥、凝水管道快開（關）閥、凝水管道文丘里流量計、凝水管道阻力件、總給水管道手動調節閥、總給水流量計、1#應急補水箱模擬體、2#應急補水箱模擬體、補水箱模擬體下游快開（關）閥、補水箱模擬體支路流量計、補水箱模擬體支路手動調節閥、事故冷卻水箱模擬體、蒸汽排放支路管道、蒸汽排放支路氣動調節閥、蒸汽支路排放手動截止閥、大氣旁路排放閥和安全閥等組成。

SG蒸汽發生器；ST事故冷卻水箱模擬體；HT加熱器；FEV文丘里流量計；EST應急補水箱；SV安全閥；EX應急余熱排出冷卻器模擬體；LV手動調節閥；CHV止回閥；V手動截止閥；PV氣動調節閥；HVS快開閥。

2 RELAP5程序模型

將實驗裝置主要分成蒸汽發生器模擬體、蒸汽管道、冷卻器、凝水管道和補水箱支路等部分進行程序建模。RELAP5程序模型圖見圖2。3 啟動試驗工況

實驗過程中功率按照給定變化曲線進行調節，曲線形狀為原型PRS系統投入后通過蒸汽發生器向二次側導出的功率曲線。實驗工況見表1。工況1考慮瞬態過程中補水箱可用，稱為注水啟動。工況2不考慮補水箱投入，稱為液柱啟動。

圖2 實驗裝置RELAP5程序模型圖

表1 啟動實驗工況

啟動試驗1試驗方法如下：

1）在換熱器支路啟動閥和補水箱支路啟動閥關閉的狀態下，通過調整上充流量和蒸汽發生器模擬體氣動閥開度，建立功率為0.5MW，壓力為7.85MPa的（水和蒸汽溫度均為飽和溫度）蒸汽發生器模擬體初始工況。

2）逐漸增大蒸汽發生器模擬體氣動閥開度，同時逐漸提升U形電加熱元件功率，待功率3.13%額定功率穩定時間長于20s且蒸汽發生器模擬體壓力和水位達到目標值時，投入功率曲線，同時開啟換熱器支路啟動閥、關閉蒸汽發生器模擬體氣動閥。大氣旁路排放閥閥門根據壓力信號開啟和關閉，開啟定值為7.85MPa，關閉定值為7.5MPa。

3）蒸汽發生器模擬體內水位低至設定值，手動開啟補水箱支路啟動閥，補水箱開始向蒸汽發生器模擬體注水。

4）待補水箱注水量達到設定時（補水箱水位低于0.1m），關閉補水箱支路啟動閥停止向補水箱注水。

啟動試驗2試驗方法與啟動試驗1的差別是：瞬態中不開啟補水箱支路啟動閥。

4 RELAP5程序模擬

4.1 初始點模擬

啟動試驗1和2初始點狀態相同，程序使用的調節方法為：

Step1：不引入功率。初始水溫為20℃，蒸汽管道排氣閥打開，給定壓力邊界為1MPa，給定模擬體初始水裝量，水位為14.267m，其余部分為飽和蒸汽。

Step2：投入模擬體熱源，假定功率為300kW，模擬體內水蒸發，系統壓力逐漸上升，水蒸氣通過蒸汽管道排氣閥排出。當壓力升高一定程度后，關閉排氣閥，手動打開大氣旁路排放閥閥門排出冷卻劑，使蒸汽發生器下降段水位下降到9.2m。

Step3：模擬體熱源功率加到600kW，關閉大氣旁路排放閥閥門，系統壓力繼續上升。當壓力升高到7.85MPa時，投入PRS系統。

4.2 瞬態模擬

在初始點調節Step3中，當壓力達到7.85MPa時，打開換熱器支路啟動閥。啟動試驗1中打開補水箱支路啟動閥。啟動試驗2中不打開補水箱支路啟動閥。

4.2.1 環路流量

與注水啟動1相比，液柱啟動2流向蒸汽發生器模擬體的流量偏低，但是流經換熱器的流量偏高，可見由于投入補水箱支路抑制了換熱器支路流量（圖3、圖4）。

注水啟動1中，在補水箱被隔離后，換熱器支路流量上升更快。

圖3 總凝水流量

圖4 換熱器支路流量

4.2.2 環路壓力

由于液柱啟動2流經換熱器流量較大，因此，其換熱能力較高，系統壓力下降較快。注水啟動1中大氣旁路排放閥開啟5次，而液柱啟動2中僅開啟3次（圖5）。

圖5 蒸汽壓力

4.2.3 蒸汽發生器模擬體下降段液位

注水啟動1中在補水箱投入后，液位逐漸上升，約3600s時水位最高達到14m，隨后逐漸下降。液柱啟動2中液位快速上升，隨后緩慢下降，約3500s后液位出現震蕩（圖6）。

圖6 蒸汽發生器模擬體下降段水位

5 結論

針對PRS系統啟動試驗進行了RELAP5程序模擬預算，結果顯示啟動過程呈現以下特征：

（1）兩種啟動過程均能順利建立自然循環流量，并形成穩定的自然循環，排出系統熱量；

（2）液柱啟動早期排熱功率高于注水啟動，系統壓力下降更快，大氣旁路排放閥開啟次數更少；

（3）注水啟動早期流向蒸汽發生器模擬體的流量較高，模擬體下降段液位上升更高。

【參考文獻】

[1]RELAP5v3.2 code maual， NUREG/CR-5535[Z].

[責任編輯：王楠]