高溫氣冷堆蒸汽發生器卸壓過程模擬和分析

王 巖，石 磊，鄭艷華

（清華大學 核能與新能源技術研究院，先進核能技術協同創新中心，先進反應堆工程與安全教育部重點實驗室，北京 100084）

由清華大學核能與新能源技術研究院設計的200 MW 高溫氣冷示范堆（HTR-PM）核島采用兩套核蒸汽供應系統帶動1臺汽輪發電機組的技術方案，每座反應堆熱功率為250 MW，總熱功率為500 MW，汽輪發電機組額定輸出電功率為211 MW。反應堆一回路采用氦氣冷卻方式，由設置在蒸汽發生器上部的主氦風機提供驅動壓頭［1］，堆芯入口溫度250℃，出口溫度750℃。蒸汽發生器采用直流螺旋管式蒸汽發生器。其入口給水溫度約205 ℃，通過蒸汽發生器換熱管束與一次側進行熱量交換，在出口形成約571 ℃的過熱蒸汽，通過主蒸汽管線將過熱蒸汽送往汽輪機。當HTR-PM 發生假想事故需緊急停堆時，保護系統動作，使反應堆安全停堆［2-3］。停堆后蒸汽發生器二次側進行卸壓，壓力降至一定值后，蒸汽發生器二回路啟動冷卻給水注入（調節其流量與一回路熱工匹配）。

二次側卸壓過程中，蒸汽發生器二次側內水和蒸汽將通過卸壓閥門向常壓環境的排放腔室排放。蒸汽發生器內水汽流經換熱管以及下游的主蒸汽管線時，與管線壁面發生對流換熱，帶走部分熱量，這將對蒸汽發生器內部十分復雜的溫度場分布產生影響。研究卸壓瞬態過程中蒸汽發生器換熱管等部件的溫度變化，將為相關應力分析以及后續冷卻方案的制定提供參考和支持。

1 模型和設定

采用熱工水力瞬態系統分析程序RETRAN-02［4］對問題進行建模分析。蒸汽發生器二回路示意圖如圖1所示。

HTR-PM 蒸汽發生器為螺旋管式直流蒸汽發生器，其螺旋式換熱管有效長度約60 m，在模型中沿長度方向分為72段。給水管線約15m，長度方向上劃分為2 段，在給水管線上安裝有給水隔離閥門。主蒸汽管線長度取值100m，其長度方向上劃分為54 段，其上安裝有蒸汽隔離閥。卸壓閥門安裝在蒸汽隔離閥前端，其距蒸汽發生器換熱管出口約40m。蒸汽發生器換熱管、給水管線以及主蒸汽管線等部件在模型中均作為熱構件考慮，其內壁面與蒸汽發生器二次側內的流體進行換熱，在模型中程序將根據流體熱工狀態自動選擇對流換熱公式進行計算。由于停堆后，氦氣風機擋板下落，一回路氦氣沒有流動，換熱較弱，因此模型中認為換熱管外壁與一次側在卸壓過程中沒有換熱。給水管線與主蒸汽管線外包裹有保溫材料，其外壁面作為絕熱邊界。

圖1 二回路示意圖Fig.1 Illustration of the secondary loop

模型中對于系統的動作進行如下設定：

1）從0 時刻開始，系統以額定功率穩定運行。

2）20s時探測到超限信號，保護系統動作，包括反射層控制棒下落、停主氦風機和關風機擋板、蒸汽發生器二次側隔離（給水隔離閥與蒸汽隔離閥關閉）等。

3）主蒸汽管線上的卸壓閥門在蒸汽發生器二次側隔離后開啟。

4）當蒸汽發生器二次側壓力下降到1 MPa時，卸壓閥門關閉。

2 計算結果及分析

從卸壓閥門向常壓排放腔室排放過程中，噴放流量與卸壓閥門直徑密切相關。不同的噴放流量下，流體在蒸汽發生器或主蒸汽管線內的流速以及熱工狀態也不同，從而造成與管壁的對流換熱過程有所差別，影響管壁溫度的瞬態變化過程。

本文對直徑為8、12、16、20 mm 的4種卸壓閥門直徑設計下，蒸汽發生器二回路的卸壓瞬態進行模擬和對比分析。

隨卸壓閥門的開啟，二回路內的流體從閥門管嘴處向排放腔室排放，壓力逐漸降低。圖2示出不同直徑卸壓閥門下二次側瞬態壓力變化。閥門直徑越大，排放流量越大，卸壓速度越快。當卸壓閥門直徑為20mm 時，在卸壓閥門開啟后約3 400s時下降到1MPa；而當卸壓閥門直徑為8mm 時，蒸汽發生器二次側壓力直到近20 000s才降至1 MPa。

圖2 蒸汽發生器二次側壓力Fig.2 Pressure in the secondary side of steam generator

二次側內流體在排放過程中流過換熱管壁面，與其發生換熱，換熱管熱量被流體帶走，因此溫度逐漸下降。隨壓力的降低，二回路內原來以液體形態存在的冷卻水也將不斷汽化，氣液兩相混合物不斷膨脹，在流過蒸汽發生器換熱管和主蒸汽管線時與管壁發生相變換熱，使得管壁溫度降低更快。圖3示出蒸汽發生器換熱管出口處的溫度變化，圖4示出卸壓閥門處主蒸汽管線的溫度變化。

從圖中可看出，卸壓閥門直徑越大，換熱速率越大，換熱管的溫度下降越快。當卸壓閥門直徑為20 mm 時，蒸汽發生器出口處的溫度在2 300s左右即降至約200 ℃，卸壓閥門處主蒸汽管線的溫度下降較蒸汽發生器出口處有所延遲，在3 100s后降至200℃左右。當卸壓閥門直徑為8mm 時，二回路內流速較慢，管線溫度下降速率明顯減小，蒸汽發生器出口處的溫度呈現較平緩的線性下降，在12 000s左右降至200 ℃左右，卸壓閥門處的主蒸汽管線直到17 500s時才降至200 ℃。及至壓力下降至1 MPa，卸壓閥門關閉，二次側內流體的流動基本停止，換熱明顯減弱，溫度變化不明顯。

圖3 蒸汽發生器換熱管出口溫度Fig.3 Temperature at outlet of steam generator heat-exchange tube

圖4 卸壓閥處的主蒸汽管線溫度Fig.4 Temperature of live-steam pipeline near pressure relief valve

由于蒸汽發生器螺旋式換熱管束結構復雜，工藝要求高，考慮到部件材料的熱應力問題，宜將卸壓過程中的溫度變化速率控制在一定限值之下。圖5示出不同卸壓閥門直徑設計下，蒸汽發生器換熱管出口處的溫度變化速率情況。可看出，當卸壓閥門直徑較大時，換熱管在卸壓瞬態過程中有較大的溫度變化速率峰值。結果顯示，當卸壓閥門直徑低于8mm 時，卸壓瞬態過程中，蒸汽發生器換熱管的溫度變化速率可被控制在8 ℃／min以下。

圖5 蒸汽發生器換熱管出口溫度變化速率Fig.5 Temperature change rate at outlet of steam generator heat-exchange tube

3 結論

高溫氣冷反應堆緊急停堆后，將進行冷卻以載出堆內熱量。冷卻前的蒸汽發生器二次側卸壓瞬態過程中，二次側內的流體將與蒸汽發生器換熱管等進行換熱，對其溫度場分布產生影響。

本文利用熱工水力系統分析程序對不同卸壓閥門直徑設計下的卸壓瞬態過程進行了模擬和分析。計算顯示，卸壓過程完成后，蒸汽發生器換熱管等系統部件溫度均降至約200℃。但由于卸壓閥門直徑不同，導致卸壓時蒸汽發生器二次側管線內流速不同，熱工瞬態過程有所差異。卸壓閥門直徑越大，蒸汽發生器二次側內管線與其中的冷卻流體換熱率越大，管線溫度下降更快。從避免熱應力、系統保護角度，應控制卸壓過程中蒸汽發生器換熱管等部件的溫度下降速率。分析結果表明，合理設計卸壓閥門直徑，可有效控制卸壓瞬態過程中蒸汽發生器換熱管的溫度下降速率。當卸壓閥門直徑低于8mm 時，蒸汽發生器換熱管的溫度變化速率可控制在8 ℃／min以下，這對于避免過快溫度變化所可能引起的系統部件結構損害是有利的。

［1］ ZHANG Z，SUN Y.Economic potential of modular reactor nuclear power plants based on the Chinese HTR-PM project［J］.Nuclear Engineering and Design，2007，237：2 265-2 274.

［2］ ZHENG Yanhua，SHI Lei，WANG Yan.Wateringress analysis for the 200 MWe pebble-bed modular high temperature gas-cooled reactor［J］.Nuclear Engineering and Design，2011，240：3 095-3 107.

［3］ 趙木，馬波，董玉杰.球床模塊式高溫氣冷堆核電站特點及推廣前景研究［J］.能源環境保護，2011，25（5）：1-4.ZHAO Mu，MA Bo，DONG Yujie.The strategic study of pebble model high temperature gascooled reactor plant with power generation feature and industrial application prospect［J］.Energy Environmental Protection，2011，25（5）：1-4（in Chinese）.

［4］ RETRAN02程序員手冊［M］.RETRAN 開發小組，譯.北京：核工業部核電軟件中心，1987.