華龍一號快速冷卻功能驗證試驗模擬計算研究

陳 偉 錢立波 吳 清 袁 鵬 沈丹紅

（中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室，四川 成都610213）

0 引言

華龍一號是中國核工業(yè)集團開發(fā)的、具備能動與非能動相結合安全特征的三代先進核電廠。為應對蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故（SGTR），華龍一號在設計上采用中壓安注泵加低壓安注泵的安全注入系統(tǒng)配置，因此為確保中壓安注在失水事故（LOCA）下有效注入，華龍一號在設計上采取快速冷卻功能以實現(xiàn)一回路的快速降壓至中壓安注投入壓力。

福清核電廠5號機組是華龍一號全球首堆示范工程，針對具有創(chuàng)新設計特征的重要新物項需要開展首堆試驗，“快速冷卻功能驗證試驗”即為華龍一號五個首堆試驗之一。

本文針對華龍一號快速冷卻功能首堆驗證試驗，首先開展試驗預先模擬計算，確定試驗過程中的風險點以及初始工況參數(shù)；隨后，在試驗后開展復算分析，以論證事故分析程序和分析方法對快速冷卻安全功能模擬的適用性。

1 快速冷卻功能簡介

華龍一號快速冷卻功能主要用于應對中、小破口失水事故和蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂（SGTR）事故，圖1給出了華龍一號應對失水事故的相關系統(tǒng)的示意圖，包括安全注入系統(tǒng)和安全殼噴淋系統(tǒng)等。在中、小破口失水事故下，主系統(tǒng)壓力下降較慢，中壓安注存在不能及時有效注入的可能性，但依靠快速冷卻功能，即自動開啟二回路的大氣釋放閥進行排汽，即可實現(xiàn)對主系統(tǒng)的降溫、降壓，使中壓安注系統(tǒng)盡快注入。

圖1 華龍一號失水事故應對系統(tǒng)示意圖

華龍一號為三環(huán)路壓水堆，每條蒸汽管線上各有一臺大氣釋放閥用于執(zhí)行快速冷卻功能。在快速冷卻信號觸發(fā)后，對應大氣釋放閥自動開啟，并按照預設的二回路降壓速率降低蒸汽發(fā)生器二次側壓力，直至二回路壓力下降至4.5 MPa。在此過程中，大氣釋放閥整定值按照公式（1）進行調節(jié)：若當前壓力高于公式（1）計算得到壓力整定值，則自動增大閥門開度，若當前壓力低于公式（1）計算得到壓力整定值，則自動減小閥門開度，最終使得二回路壓力向預設的壓力整定值靠近，從而實現(xiàn)預設的降壓速率：

式中，Psetpoint（t）為t時刻大氣釋放閥整定值；Psetpoint（t-Δt）為t-Δt時刻大氣釋放閥整定值；k為快速冷卻常數(shù)；Δt為時間步長；▽P為二回路壓力-溫度梯度。

2 快速冷卻功能首堆驗證試驗介紹

快速冷卻功能驗證試驗是為了驗證快速冷卻信號觸發(fā)后，二回路的降壓速率滿足設計要求。在試驗中，假設三個環(huán)路中的一臺大氣釋放閥發(fā)生故障，只依靠兩臺完好大氣釋放閥執(zhí)行快速冷卻功能。試驗的驗收準則為每一時刻的蒸汽壓力測量值與閥門整定值之間的偏差都保持在±0.15 MPa之內，如圖2所示。

圖2 試驗中大氣排放閥整定壓力曲線示意圖

快速冷卻功能驗證試驗過程屬于二回路過冷的一個瞬態(tài)工況，會導致一、二回路壓力及穩(wěn)壓器水位持續(xù)下降，存在安注系統(tǒng)自動觸發(fā)、穩(wěn)壓器排空、穩(wěn)壓器電加熱器裸露等風險。為避免上述風險，試驗前開展了預分析以根據(jù)提供預分析瞬態(tài)結果，確定驗證試驗初始工況的設計。

快速冷卻驗證試驗預分析初始工況參數(shù)如表1所示。

表1 試驗及模擬計算的主要參數(shù)

3 試驗前預先模擬分析

3.1 分析方法與假設

模擬分析采用CATHARE程序進行計算。CATHARE是一個先進的兩相流熱工水力程序，它由包含六個基本守恒方程（分別描述液體和蒸汽的質量、能量和動量守恒）的一維模塊組成。程序可以模擬相分離、分層、液體和蒸汽速率間的非機械平衡，包括逆流現(xiàn)象，也可以模擬非平衡熱工行為。

對于快速冷卻功能按照公式（1）進行模擬，反應堆初始狀態(tài)根據(jù)試驗規(guī)程的規(guī)定確定，關鍵系統(tǒng)的假設為：

（1）不考慮穩(wěn)壓器連續(xù)噴霧及向環(huán)境的散熱；

（2）所有穩(wěn)壓器電加熱器處于自動模式，電加熱器功率不考慮散熱的補償；

（3）上充流量根據(jù)穩(wěn)壓器水位自動調節(jié)，考慮了軸封流量及下泄流量；

（4）輔助給水流量采用2臺輔助給水電動泵啟動流量。

3.2 預分析結果

3.2.1 事件序列

表2給出了快速冷卻驗證試驗與預算的事件序列對比，可以看出，快速冷卻功能驗證試驗的事件序列與預算事件序列基本保持一致，僅大氣釋放閥開始開啟時間有所差異，原因在于快速冷卻功能觸發(fā)后，執(zhí)行快速冷卻功能的大氣釋放閥整定值開始從7.85 MPa按照快速冷卻公式確定的方式下降，而預算中蒸汽發(fā)生器初始壓力（7.51 MPa）低于驗證試驗蒸汽發(fā)生器初始壓力（7.63 MPa），因此，預算中大氣釋放閥開始開啟時間晚于驗證試驗結果。

表2 試驗及預分析的事件序列對比

圖3給出了快速冷卻驗證試驗穩(wěn)壓器水位預算結果。可見，快速冷卻試驗過程中穩(wěn)壓器水位會一直下降，但均保持在穩(wěn)壓器電加熱器頂部水位之上。因此，在快速冷卻首堆驗證試驗中穩(wěn)壓器初始水位取為70%。

圖3 穩(wěn)壓器水位預算結果

圖4給出了快速冷卻驗證試驗穩(wěn)壓器壓力與預算結果對比。可見，穩(wěn)壓器壓力最低值大于中壓安注泵截止壓頭，一回路壓試驗值力不會降至中壓安注系統(tǒng)注入壓力。通過對比結果發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)壓器壓力預算結果高于試驗結果，這主要是因為預算時未考慮穩(wěn)壓器連續(xù)噴霧和向環(huán)境散熱的影響。

圖4 穩(wěn)壓器壓力預算結果對比

圖5給出了快速冷卻驗證試驗蒸汽發(fā)生器壓力與預算結果對比。可見，蒸汽發(fā)生器壓力預算結果與試驗結果符合較好，主要差異在于預算初值與試驗初始工況參數(shù)差異（見表1）。

圖5 蒸汽發(fā)生器壓力預算結果對比

4 試驗后復算分析

在快速冷卻功能驗證試驗預算中，由于預算初始工況參數(shù)和系統(tǒng)假設與實際試驗有一定差異，導致瞬態(tài)結果有一定差異，因此，試驗后根據(jù)快速冷卻驗證試驗實際初始工況參數(shù)和假設開展了復算。

4.1 復算分析假設

表1給出了復算的初始工況參數(shù)。

主要假設：

（1）考慮穩(wěn)壓器連續(xù)噴霧及向環(huán)境散熱等因素；

（2）上充、下泄及軸封流量采用快速冷卻驗證試驗值；

（3）輔助給水流量采用快速冷卻驗證試驗值。

4.2 復算分析結果

4.2.1 事件序列

表3給出了試驗及復算事件序列結果對比。可見，在采用快速冷卻驗證試驗初始工況參數(shù)后，復算事件序列幾乎與試驗保持一致。

表3 試驗及復算事件序列結果對比

圖6給出了穩(wěn)壓器壓力的結果對比。可見，在考慮了向環(huán)境的散熱以及實際的穩(wěn)壓器電加熱器動作邏輯后，相比于預算結果，復算結果與驗證試驗結果符合更好。

圖6 穩(wěn)壓器壓力復算結果對比

圖7給出了蒸汽發(fā)生器壓力的結果對比。可見，在采用快速冷卻首堆驗證試驗實際初始工況及假設后，復算結果與試驗結果幾乎一致。這證明了采用事故分析程序和分析方法可以準確地模擬快速冷卻功能。

圖7 蒸汽發(fā)生器壓力復算結果對比

5 結語

本文采用事故分析程序（CATHARE程序）對快速冷卻功能驗證試驗開展了試驗前預分析和試驗后復算，取得的結論如下：

（1）預分析結果可準確模擬快速冷卻功能試驗過程中一回路系統(tǒng)響應，根據(jù)預分析結果確定的驗證試驗初始工況有效地規(guī)避了試驗風險，實現(xiàn)了既定的快速冷卻首堆驗證試驗目的；

（2）預分析結果和復算分析結果均與快速冷卻功能驗證試驗符合較好，結果表明基于CATHARE程序對快速冷卻功能驗證試驗的模擬是合理的；

（3）預分析結果和復算結果與試驗結果的符合性也在一定程度上論證了事故工況下快速冷卻功能有效性。