百萬千瓦級壓水堆核電廠二次側非能動余熱排出系統啟動響應研究

盧向暉，張吉勝，羅漢炎，張小英

（1.中科華核電技術研究院有限公司，廣東 深圳 518026；2.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640）

福島事故后，運用各種非能動技術提高核電廠的安全性成為核電技術的發展方向。對于國內二代加百萬千瓦級壓水堆核電廠，二次側非能動余熱排出（SPRHR）系統是一種可有效緩解類似全廠斷電等較為嚴重的事故工況的非能動技術。為應對全廠斷電等較為嚴重的事故工況，針對國內二代加百萬千瓦級壓水堆核電廠設計了SPRHR 系統。SPRHR 系統是事故下利用蒸汽產生及冷凝換熱的自然循環導出一回路余熱的安全系統。核電廠正常運行狀態下，該系統一直處于備用狀態。當事故發生后SPRHR 系統投入運行時，需開啟相關的閥門來啟動系統。在熱工水力系統中，閥門的快速關閉或開啟容易引起閥門前后管道中介質的壓力或動能發生劇烈變化，尤其對于高壓高溫的蒸汽，瞬間的壓力波動會產生很大的沖擊波（即汽錘和水錘），使系統中的管道和閥門產生劇烈震動，嚴重時會損壞管道和閥門。SPRHR 系統啟動過程也涉及閥門的快速開啟，因此可能會產生汽（水）錘等現象，對系統和設備造成沖擊，并同時影響自身自然循環的建立。因此在SPRHR 系統設計時，如何啟動系統以實現系統穩定運行是必須考慮的問題。

由于汽（水）錘對管道系統設計存在較大的潛在危害，早在19世紀中期時，研究者提出了非常多的理論和實驗來研究汽（水）錘問題。文獻［1］使 用RELAP5、MONA 和FLOWMASTER程序對水錘現象進行計算分析，并將計算結果與UMSICHT 實驗裝置的實驗結果進行了對比分析，分析結果非常吻合。文獻［2］采用RELAP5程序計算預測了壓力波在單相介質和兩相介質中的傳播現象。文獻［3］使用RELAP5程序針對RBMK-1500反應堆主要的循環回路的水錘影響進行了機理性分析。文獻［4］使用RELAP5程序進行閥門快速開啟和關閉時水錘現象的分析計算，并且將結果與UMSICHT和CWHTF的實驗測試裝置的實驗結果進行了對比。

本工作采用RELAP5 程序針對SPRHR系統啟動過程的系統穩定性以及汽錘現象進行研究。本文主要研究假設全廠斷電事故發生后，SPRHR 系統采用不同的啟動方式和啟動速度下的系統響應和啟動特性，并給出SPRHR 系統的啟動模式的建議。

1 SPRHR系統設計方案

SPRHR 系統的功能是在事故工況下作為最終熱阱通過自然循環帶出堆芯衰變熱，其設計方案示于圖1。本文在一、二回路系統模型的3臺蒸汽發生器（SG）上均增設1列SPRHR系統，如圖2中虛框所示。每列SPRHR 系統均有1臺冷凝器，冷凝器完全浸沒在冷凝水池中。冷凝水池初溫為大氣環境溫度，與大氣相連，最低點高度高于SG 頂部。SPRHR 系統啟動閥門在停堆后特定時間開啟，同時主蒸汽隔離閥關閉。系統啟動后，SG 產生的蒸汽進入該系統，經過冷凝器冷凝成水，之后回流到SG給水管線上，形成1個封閉循環回路。該自然循環由蒸汽管段和回流管段的密度差驅動，確保能持續有效地載出一回路的衰變熱。

圖1 SPRHR 系統設計方案Fig.1 Design scheme of SPRHR system

2 系統模型

2.1 系統建模

采用RELAP5 程序對SPRHR 系統進行建模。該系統為三環路設計，圖2僅示出了帶穩壓器環路的模型節點圖。

2.2 工況設定

分析中假定系統初始處于正常功率運行狀態，500s時刻發生全廠斷電，隨后汽輪機跳閘，主蒸汽隔離閥關閉，主給水以及輔助給水關閉，冷卻劑主泵開始惰轉，主泵低速信號觸發反應堆停堆。停堆約100s后由SG 寬量程水位低信號觸發啟動SPRHR 系統。此后，蒸汽發生器的蒸汽進入SPRHR 系統，經冷凝器冷凝后通過回流管流回，形成穩定的自然循環封閉環路，持續不斷地載出一回路衰變熱。

圖2 一、二回路系統與SPRHR 系統模型結構Fig.2 Structure of primary and secondary circuits and SPRHR system model

3 計算與分析

3.1 穩態計算

表1列出了系統穩態運行的設計參數和程序穩態計算結果，可看出計算值和設計值的吻合程度非常高，證明了所建立的系統模型是準確的。本文穩態計算進行了500s，這一過程中穩壓器和蒸汽發生器壓力以及冷熱管段的溫度如圖3所示。從圖3可看出，除了穩壓器壓力在計算初期有些微波動外，其他參數均趨于不變，穩壓器壓力波動是由于有補償加熱的調節作用。圖4示出程序中使用的SBO工況下堆芯功率曲線。

參數 數值設計值 計算值堆芯功率，MW 2 895 2 895熱管段流量，kg／s 4 812 4 813熱管段溫度，K 327.3 327.2冷管段溫度，K 292.7 292.8冷卻劑平均溫度，K 310 310堆芯流量，kg／s 13 500 13 500上封頭旁通流量，kg／s 361.0 361.2堆芯旁通流量，kg／s 577.55 577.56穩壓器水位，% 62.7 62.7穩壓器壓力，MPa 15.5 15.5 SG 壓力，MPa 6.7 6.7 SG 水位，m 13.1 13.1 SG 蒸汽流量，kg／s 537.0 540.21）

3.2 RELAP5對汽錘現象的模擬

圖3 穩態計算結果Fig.3 Calculation result at steady state

使用RELAP5進行汽錘現象模擬時，要非常注意控制體空間步長和時間步長的選取。為了高精度地追蹤壓力波的傳遞和防止數值計算不收斂，需考慮兩個重要的因素［5-6］：1）壓力波的Courant限值是指波動以聲速通過給定控制體長度所需要的時間。因為聲速在不同的介質中傳播的速度不同，通常時間步長可取得非常小，在RELAP5中選取合適的時間步長時，須小于Courant限值。2）控制體的空間步長劃分要足夠小，以保證捕捉到該空間內壓力的劇烈變化。因此，在應用RELAP5程序進行汽錘分析時需滿足Δtmax=Δx／v。一般來說，實際采用的時間步長要較最大時間步長Δtmax小。在設計壓力下蒸汽中壓力波傳播速度v 為490m／s，如果空間步長Δx 取0.1m，此時最大時間步長根據Courant限值要求應小于Δtmax=2.0×10-4s。

圖4 SBO 工況下堆芯功率曲線Fig.4 Core power curve for SBO accident

圖5示出主蒸汽隔離閥門關閉時管道的壓力變化。可看到：事故發生后，汽輪機跳閘，同時主蒸汽管隔離閥瞬間關閉，導致主蒸汽管內壓力瞬間變化，管道內產生較大的壓力沖擊波，表明主蒸汽管隔離閥瞬間關閉導致汽錘發生。該壓力沖擊波剛產生時頻率很高，此后隨著沖擊波向SG 傳遞，波動的振幅衰減、頻率降低，汽錘逐漸消失。圖6示出了SPRHR 系統汽側隔離閥瞬間開啟，SPRHR 系統的壓力變化。可看出：閥門瞬間開啟后，高壓、高溫的蒸汽快速進入系統管道中，由于閥門前后壓差非常大，引起巨大的壓力沖擊波，最大峰值達8.1MPa，表明汽錘發生。其后隨沖擊波在系統中的傳遞，振幅和頻率逐漸衰減，汽錘消失。圖5、6證實了在閥門快速打開或關閉時，系統內均會出現巨大的壓力波，即發生汽錘。

圖5 主蒸汽隔離閥門關閉時管道的壓力變化Fig.5 Pressure transient for MSIV closure

圖6 SPRHR 系統汽側隔離閥開啟時壓力波動Fig.6 SPRHR system pressure transient for inlet valve startup

以上分析表明，在合適的時間步長和空間步長下，RELAP5程序可很好地模擬該系統中發生的汽錘現象。

3.3 SPRHR 系統啟動響應研究

1）啟動方式

根據SPRHR系統設計，存在3種啟動方式。

方式1：初始汽側隔離閥為常閉，啟動時，先開汽側隔離閥，間隔一段時間后開啟回流隔離閥。

方式2：初始汽側隔離閥為常閉，啟動時，汽側隔離閥和回流隔離閥同時開啟。

方式3：初始汽側隔離閥為常開，啟動時，通過開啟回流隔離閥啟動系統。

針對上述3種啟動方式分別進行了研究，在分析中采用了相同的閥門開啟時間。

圖7、8分別示出了啟動方式1和啟動方式2在系統壓力響應和流量響應上的差異。兩種啟動方式均會引起系統壓力波動，產生一定程度的汽錘現象，啟動方式2所引起的回流隔離閥處的壓力波動更高。啟動方式1所引起的汽側隔離閥和回流隔離閥處的流量峰相對平緩；而啟動方式2會導致冷凝器入口處產生流量非常大的逆流峰以及非常尖銳的流量峰，回流隔離閥處產生非常尖銳的流量峰和頻繁的流量波動。

圖7 啟動方式1、2下SPRHR 系統壓力響應Fig.7 SPRHR system pressure transient under startup strategies 1and 2

圖8 啟動方式1、2下SPRHR 系統流量響應Fig.8 SPRHR system flowrate transient under startup strategies 1and 2

圖9和圖10示出了啟動方式1和啟動方式3的在系統壓力響應和流量響應上的差異。由于啟動方式3的汽側隔離閥始終處于開啟狀態，SPRHR 系統中的初始壓力和二回路的壓力是一致的，啟動過程不存在壓力突變的過程，不會引起汽錘現象，因此啟動方式3所引起的系統壓力和流量波動要遠小于啟動方式1。

從上研究可看出，啟動方式1和啟動方式2均在啟動過程中存在一定程度的汽錘現象，但啟動方式1汽錘沖擊相對較小。相對啟動方式1和2，啟動方式3是最有利于系統啟動穩定性，并可有效地消除汽錘現象。

圖9 啟動方式1、3下SPRHR 系統壓力響應Fig.9 SPRHR system pressure transient under startup strategies 1and 3

圖10 啟動方式1、3下SPRHR 系統流量響應Fig.10 SPRHR system flowrate transient under startup strategies 1and 3

2）啟動速度

針對啟動方式1，對其啟動速度（即閥門開啟時間）進行敏感性分析。假設系統在1 100s時刻開始啟動，可得到圖11、12中的壓力和流量響應。圖中表明系統啟動速度越快，所引起的壓力峰值越高、震蕩越大，所引起的流量震蕩也越劇烈。這是因為SPRHR 系統在備用狀態下壓力約為0.1 MPa，而二回路壓力（約7.8 MPa）遠高于大氣壓，所以在啟動過程中會經歷壓力瞬變的過程。閥門開啟速度越慢，SPRHR系統與二回路之間的質量和能量交換速率就上升得越慢，壓力變化的過程就越平緩。降低系統啟動速度，有利于減弱汽錘的沖擊強度，也有利于減弱系統啟動時帶來的壓力和流量震蕩，有助于建立穩定的自然循環。

圖11 不同啟動速度下SPRHR 系統壓力響應Fig.11 SPRHR system pressure transient in different startup speeds

圖12 不同啟動速度下SPRHR 系統流量響應Fig.12 SPRHR system flowrate transient in different startup speeds

研究表明，對于初始汽側隔離閥為常閉的SPRHR 系統設計方案，采用合適的啟動速度可有效地改善系統響應特性，弱化汽錘啟動沖擊，提高系統啟動穩定性。

4 結論

本文針對增設了SPRHR 系統的國內二代加百萬千瓦級壓水堆核電廠，基于RELAP5程序建立系統模型，對在全廠斷電事故發生后SPRHR 系統啟動過程的系統響應及汽錘現象進行了研究。研究結果表明：在合適的時間步長和空間步長下，RELAP5程序可很好地模擬該系統中發生的汽錘現象，從而可分析系統的響應特性，以確定較佳的系統啟動模式；SPRHR 系統啟動時出現的汽錘會對系統造成一定沖擊，沖擊的強度和持續時間受啟動方式和啟動速度的影響；保持SPRHR 系統汽側隔離閥常開的方案可有效地消除汽錘現象，有利于系統的啟動穩定性；對于SPRHR 系統汽側隔離閥常閉的方案選擇合適啟動速度（閥門開啟時間）可有效地弱化系統汽錘啟動沖擊，提高系統啟動穩定性。

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