非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)策略試驗(yàn)研究

黃晨，趙斌，孟兆明，孫中寧

1. 中國核電工程有限公司，北京 100840

2. 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

3. 哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江省核動(dòng)力裝置性能與設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001

安全殼是防裂變產(chǎn)物泄漏的第3 道屏障。在發(fā)生引起安全殼壓力和溫度上升的事故后（失水事故或二回路管線破裂事故），安全殼噴淋系統(tǒng)（containment spray system, CSP）投入運(yùn)行，CSP 系統(tǒng)可將安全殼的壓力和溫度限制在設(shè)計(jì)限值以內(nèi)，從而維持安全殼的完整性。在全場斷電以及安噴系統(tǒng)不可用的其他工況下，需要非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)（passive containment heat removal system，PCS）來降低安全殼壓力[1-9]。

PCS 系統(tǒng)與CSP 系統(tǒng)如何協(xié)同，需要結(jié)合系統(tǒng)配置進(jìn)行PCS 系統(tǒng)啟動(dòng)策略研究。通過實(shí)驗(yàn)研究PCS 系統(tǒng)備用狀態(tài)對系統(tǒng)啟動(dòng)特性的影響來支持工程策略的選擇。

1 PCS 系統(tǒng)啟動(dòng)策略實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)裝置

PCS 系統(tǒng)配置如圖1 所示。當(dāng)系統(tǒng)處于備用狀態(tài)時(shí)，隔離閥閥位存在4 種組合方案，如表1 所示。

表1 PCS 系統(tǒng)備用狀態(tài)閥位組合

圖1 PCS 系統(tǒng)單個(gè)系列的流程簡圖

啟動(dòng)策略實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)是研究熱管段和冷管段上的隔離閥在系統(tǒng)長期備用狀態(tài)的隔離策略選擇及其對系統(tǒng)啟動(dòng)性能的影響。

為開展PCS 系統(tǒng)啟動(dòng)策略實(shí)驗(yàn)研究，在哈爾濱工程大學(xué)搭建了PCS 系統(tǒng)綜合性能驗(yàn)證試驗(yàn)裝置，如圖2 所示，綜合性能試驗(yàn)驗(yàn)證裝置流程如圖3 所示。該裝置主要由冷凝罐組件、冷卻水箱組件、自然循環(huán)回路、汽–氣供應(yīng)系統(tǒng)及測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等5 部分組成。

圖2 PCS 系統(tǒng)綜合驗(yàn)證試驗(yàn)裝置

圖3 PCS 系統(tǒng)綜合性能驗(yàn)證試驗(yàn)裝置流程

2 非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)策略試驗(yàn)研究及分析

2.1 系統(tǒng)隔離及啟動(dòng)策略分析

表1 所述4 種閥位組合方案對應(yīng)4 種PCS 系統(tǒng)啟動(dòng)策略。

方案1雙隔離閥開啟，系統(tǒng)一直處于“準(zhǔn)運(yùn)行狀態(tài)”。嚴(yán)重事故狀態(tài)下，PCS 系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，熱管段水溫逐漸增加，能夠較好地克服PCS 管段內(nèi)可能出現(xiàn)的“汽錘”現(xiàn)象[10-14]，啟動(dòng)過程較為平穩(wěn)；反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，只要安全殼內(nèi)與PCS 水箱內(nèi)存在溫差，PCS 系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)對安全殼內(nèi)持續(xù)帶熱，同時(shí)還有利于緩解水箱內(nèi)的水在寒冷冬季面臨的結(jié)冰問題。

方案2冷管段隔離閥關(guān)閉，系統(tǒng)回路中無工質(zhì)流動(dòng)。嚴(yán)重事故狀態(tài)下，按照操作員指令投入運(yùn)行，冷管段隔離閥打開，回路中工質(zhì)受熱膨脹流向熱管段，冷、熱管段流體密度差增加，有利于系統(tǒng)的順利啟動(dòng)。但是隔離閥需在內(nèi)部換熱器管內(nèi)出口溫度達(dá)到當(dāng)?shù)貕毫ο碌娘柡蜏囟惹按蜷_，因?yàn)橐坏┏^飽和溫度，熱管段內(nèi)會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)兩相流及“汽錘”現(xiàn)象，對系統(tǒng)安全性構(gòu)成威脅；反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，PCS 系統(tǒng)被有效關(guān)閉。

方案3熱管段隔離閥關(guān)閉，反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，PCS 系統(tǒng)被關(guān)閉。嚴(yán)重事故時(shí)，按照操作員指令投入運(yùn)行，回路中的工質(zhì)受熱膨脹流向冷管段，冷管段內(nèi)密度減小，在隔離閥打開時(shí)系統(tǒng)內(nèi)可能發(fā)生工質(zhì)倒流和“汽錘”現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)長時(shí)間倒流，系統(tǒng)投運(yùn)無法得到可靠保證。

方案4 雙隔離閥關(guān)閉，反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，PCS 系統(tǒng)被徹底隔離。嚴(yán)重事故時(shí)，按操作員指令打開雙閥門，由于回路中充滿水，隨著周圍環(huán)境溫度升高，系統(tǒng)內(nèi)壓力增大，可能造成系統(tǒng)超壓。因此，除非核安全法規(guī)要求PCS 處于備用狀態(tài)時(shí)需要徹底隔離，否則不建議采用該方案。若確實(shí)有必要采用，則應(yīng)在回路上設(shè)置微啟式卸壓安全閥保證系統(tǒng)安全。

綜合以上分析，方案1 和方案2 為可供選擇的較優(yōu)方案，方案3 與方案4 則不建議采納。因此，本文將針對方案1 與方案2 開展試驗(yàn)研究，進(jìn)一步分析方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為最終隔離方案的選取提供可靠依據(jù)

2.2 系統(tǒng)啟動(dòng)特性試驗(yàn)研究

2.2.1 方案1 系統(tǒng)啟動(dòng)試驗(yàn)及特性

當(dāng)冷凝罐內(nèi)壓力達(dá)到方案1 所要求的壓力，維持冷凝管內(nèi)壓力基本不變，直至啟動(dòng)過程結(jié)束，系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工況。所測得PCS 系統(tǒng)回路及冷凝罐中壓力、溫度、流量隨時(shí)間變化如圖4~6 所示，其中自然循環(huán)流量及功率為無量綱參數(shù)（下文相關(guān)參數(shù)均為無量綱參數(shù)）。

圖4 開閥啟動(dòng)過程中自然循環(huán)流量和功率隨時(shí)間變化

圖5 開閥啟動(dòng)過程中自然循環(huán)溫度隨時(shí)間變化

圖6 開閥啟動(dòng)過程中冷凝罐內(nèi)混合氣體壓力和溫度及換熱器外壁面平均溫度隨時(shí)間變化

系統(tǒng)的啟動(dòng)可分為3 個(gè)階段。

1) 第I 階段

在這一階段，隨著蒸汽流入冷凝罐，PCS 系統(tǒng)快速做出響應(yīng)，產(chǎn)生自然循環(huán)流動(dòng)，并隨著蒸汽流量的增加，冷凝罐內(nèi)的溫度和壓力及換熱器出口溫度均呈現(xiàn)較快增長趨勢，而換熱器入口溫度則增加比較緩慢，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的自然循環(huán)流量和排熱功率均大幅度提高[15]。系統(tǒng)總體運(yùn)行平穩(wěn)，熱工參數(shù)波動(dòng)很小，呈現(xiàn)單相自然循環(huán)狀態(tài)。

2) 第II 階段

在這一階段，回路中處于單相流動(dòng)狀態(tài)，其間，盡管冷凝罐內(nèi)的溫度和壓力都在繼續(xù)上升（如圖4 所示），但由于換熱器內(nèi)流體溫度增長較快，使換熱器在冷凝罐內(nèi)的傳熱溫差明顯減小，其間，雖然回路中的流量穩(wěn)中有增，但增幅很小(約增加7.3%)，而且換熱器內(nèi)流體的進(jìn)出口溫差相應(yīng)也有所下降（約7 ℃），因此，綜合效果是系統(tǒng)的排熱能力下降，降幅約為20%（如圖4 所示）。

3) 第III 階段

當(dāng)換熱器入口溫度升至83.4 ℃時(shí)，換熱器出口溫度達(dá)到104.5 ℃，遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫ο碌娘柡蜏囟龋谑窃赑CS 系統(tǒng)出口附近開始產(chǎn)生閃蒸現(xiàn)象，急劇增加的驅(qū)動(dòng)壓頭使系統(tǒng)的自然循環(huán)流量和排熱量都發(fā)生階躍性大幅度增加。之后，隨著大量冷流體的流入，換熱器的出口溫度急速下降，換熱器導(dǎo)出的熱量不足以維持閃蒸所需的流體過熱度，閃蒸過程很快消失，流動(dòng)恢復(fù)至單相自然循環(huán)狀態(tài)，流量和排熱量相應(yīng)下降至單相自然循環(huán)水平。約242 s 發(fā)生第2 次閃蒸，之后這一過程不斷重復(fù)發(fā)生，但間歇周期則隨著換熱器進(jìn)口溫度的上升而變得越來越短，回路中的平均流量持續(xù)提高。直至換熱器入口水溫達(dá)到當(dāng)?shù)卮髿鈮毫ο碌娘柡蜏囟龋s99.2 ℃），此后換熱器進(jìn)口溫度保值穩(wěn)定不再變化，回路中的流量則保持規(guī)律的周期性波動(dòng)狀態(tài)，平均流量基本保持不變，系統(tǒng)的啟動(dòng)過程結(jié)束。在第III 階段，系統(tǒng)的平均排熱量一直呈下降趨勢。

2.2.2 方案2 系統(tǒng)啟動(dòng)試驗(yàn)及特性

當(dāng)冷凝罐內(nèi)溫度達(dá)到122 ℃時(shí)，均勻開啟V301 隔離閥，開閥時(shí)間約持續(xù)120 s。繼續(xù)提高冷凝罐內(nèi)壓力至第2 設(shè)計(jì)工況壓力，之后維持冷凝罐內(nèi)的壓力基本不變，直至啟動(dòng)過程結(jié)束。所測得PCS 系統(tǒng)回路中流量及功率隨時(shí)間變化如圖7 所示。從圖7 可看出，系統(tǒng)啟動(dòng)過程可分為4 個(gè)階段。與方案1 的系統(tǒng)啟動(dòng)特性對比(圖4與圖7)可以發(fā)現(xiàn)，采用方案2 時(shí)，除開閥瞬態(tài)階段，系統(tǒng)在其他各階段的運(yùn)行特性與方案1 基本相同，不再贅述，故本文對開閥瞬態(tài)階段的系統(tǒng)響應(yīng)特性進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖7 閉閥啟動(dòng)過程中自然循環(huán)流量和功率隨時(shí)間變化

圖8 為開閥瞬態(tài)階段自然循環(huán)冷卻劑溫度隨時(shí)間變化。從圖8 可看出，在隔離閥開啟之前，熱管段測點(diǎn)T305、T308、T309 處的水溫分別達(dá)到了117.8、62.5 和28 ℃，說明不僅換熱器中的水溫（約118 ℃）大大超過了外部環(huán)境大氣壓力下的飽和溫度（哈爾濱當(dāng)?shù)卮髿鈮毫ο碌娘柡蜏囟燃s為99.2 ℃），而且回路中的水也在熱膨脹、自然對流和導(dǎo)熱的聯(lián)合作用下，將熱量沿?zé)峁芏蝹鬏斄撕苓h(yuǎn)的距離，但尚未影響到水箱入口溫度，使系統(tǒng)儲(chǔ)備了一定的初始驅(qū)動(dòng)壓頭。因此，當(dāng)隔離閥打開時(shí)，回路中幾乎立即產(chǎn)生流量，尤其是隨著換熱器中的高溫水進(jìn)入熱管段上升通道并發(fā)生閃蒸，導(dǎo)致循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓頭急劇增加，使自然循環(huán)流量連續(xù)發(fā)生2 次階躍式大幅度飛升（如圖9 所示）。此后，隨著高溫水全部流出換熱器和大量低溫水的流入，熱管段的水溫快速下降，閃蒸現(xiàn)象消失，自然循環(huán)流量相應(yīng)發(fā)生陡降回落，直至穩(wěn)定的單相自然循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)，開閥瞬態(tài)階段結(jié)束，整個(gè)瞬態(tài)過程持續(xù)了約250 s。在此期間，冷凝罐內(nèi)的溫度和壓力，以及換熱器壁溫均出現(xiàn)了較大幅度的快速下降，如圖10 所示。

圖8 開閥瞬態(tài)階段自然循環(huán)冷卻劑溫度隨時(shí)間變化

圖9 開閥瞬態(tài)階段自然循環(huán)流量及功率隨時(shí)間變化

圖10 開閥瞬態(tài)階段混合氣體壓力和溫度及換熱器外壁面平均溫度隨時(shí)間變化

為了進(jìn)一步考察開閥持續(xù)時(shí)間對系統(tǒng)啟動(dòng)瞬態(tài)運(yùn)行特性的影響，本研究在3 次啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)中分別采用了不同的開閥速率，得到如表2 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可以看出，開閥持續(xù)時(shí)間對自然循環(huán)流量峰值的影響較小。

表2 開閥持續(xù)時(shí)間的影響

3 結(jié)論

本文針對非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)策略開展了詳細(xì)分析，并選擇了2 種啟動(dòng)策略開展試驗(yàn)研究，主要得到以下結(jié)論：

1) PCS 系統(tǒng)冷熱管段隔離閥采用雙閥開啟方案或冷管段隔離閥關(guān)閉方案時(shí)，PCS 系統(tǒng)能夠獲得較優(yōu)的啟動(dòng)性能。

2) PCS 啟動(dòng)過程試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用雙閥開啟的方案，系統(tǒng)啟動(dòng)過程較為平穩(wěn)；采用冷管段隔離閥關(guān)閉方案，在隔離閥開啟的瞬態(tài)階段，急速的溫度、壓力、流量變化和閃蒸–凝結(jié)過程的發(fā)生，一方面對管路和換熱器造成一定的熱沖擊，另一方面還在回路出口導(dǎo)致輕微的“汽錘”振動(dòng)。

3) 為避免冷管段隔離閥關(guān)閉方案發(fā)生強(qiáng)烈的“汽錘”振動(dòng)，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在換熱器管側(cè)流體出口溫度達(dá)到當(dāng)?shù)叵到y(tǒng)壓力下的飽和溫度之前開啟隔離閥（約126 ℃）。鑒于在系統(tǒng)隔離閥開啟前，換熱器管外側(cè)氣體溫度、傳熱管外壁溫度及換熱器管側(cè)出口溫度幾乎是同步增長，并考慮工程中的保守性和可操作性，建議系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)換熱器傳熱管內(nèi)的液體溫度不要超過120 ℃。