AP1000核電站穩壓器模型瞬態響應分析

王翔宇

摘 要：該文以國家電投海陽核電AP1000項目一期2臺機組為依托，結合AP1000穩壓器模型參數、模擬機運行環境、OVATION系統控制邏輯3個部分模擬，來實現對AP1000機組有代表性的瞬態事件的模擬響應，通過穩壓器內壓力水位的響應變化的分析來驗證模型及其控制邏輯是正確和有效的，并在該前提下作為事故模擬演練及復現的平臺，提高現場人員的風險應對能力。

關鍵詞：AP1000；穩壓器；液位控制

中圖分類號：TM44 文獻標志碼：A

1 AP1000控制系統功能

AP1000是西屋公司基于AP600設計延伸開發的一種雙環路1 000 MW級的壓水堆核電機組。其穩壓器屬一回路中調節壓力的重要設備，主要功能有壓力調控、水位調節、超壓保護、參與反應堆啟動和停堆調節、主系統除氣。

基于AP1000穩壓器壓力控制要求，其控制主要通過調節噴淋閥、卸壓閥，比例加熱器和通斷加熱器來實現，泄壓閥設定值為17.2 MPa起跳，在控制系統中不再做其設計工作。壓力調節控制信號來源于實際壓力與設定壓力比較后的壓力偏差信號。

壓力控制方面，為了提高二回路系統的效率，反應堆冷卻劑系統始終在高溫下工作，同時為了避免大量的冷卻劑沸騰，RCS需要保持比高溫沸點更大的壓力。

當壓力升高時，將增加一回路超壓的風險，壓力降低時，則可能出現偏離泡核沸騰，正是由于這些原因，RCS壓力在運行過程中始終要被精確調控。

通過對一回路系統的運行要求分析，可以將穩壓器壓力、液位調節的主要功能需求歸納為以下內容。

（1）在系統正常運行以及正常電廠瞬態情況下維持一回路冷卻劑壓力及水裝量在限制范圍內。

（2）在穩態運行條件下，控制系統應能補償穩壓器熱損失。

（3）在穩壓器壓力、液位調節過程中，控制設備不應頻繁動作。

（4）控制系統應能相應迅速且穩定性好。

（5）控制系統應有合理的超調量，對于正常瞬態的壓力調節過程中，不應導致噴淋和加熱或者上沖和下泄的同時動作。

為了滿足以上控制需求，控制設備主要包括2列噴淋閥、3個下泄隔離閥、2臺上充泵、1組比例電加熱器以及4組通斷電加熱器。

模型方面，將穩壓器實際存在的傳熱傳質現象分為汽、液兩相分區進行考慮。除此以外，由于穩壓器下部波動管線所連接熱管段的冷卻劑溫度低于穩壓器下部電加熱區域實際的冷卻劑溫度，且在波動管冷卻劑進入穩壓器下部的瞬間不可能與穩壓器中原有液體均勻混合，這也就使得在穩壓器下部的液相區冷卻劑自然地出現由于溫差而導致的分層現象。該文所使用的是海陽核電模擬機中的三區不平衡模型：汽相區、主液相區和波動液相區。

2 瞬態響應分析

AP1000機組相對于其他核電機組在設計規范中有很多特點，比較典型的包括快速降功率系統配合旁排系統的100 %甩負荷設計，LOCA情況下的ADS自動卸壓系統設計，非能動堆芯補水系統設計，非能動余熱導出熱交換器PRHR設計。對這些特殊工況的響應效果是控制系統以及動態模型驗證的關鍵。

針對AP1000機組的特點，對控制系統響應驗證的工況選擇主要考慮以下幾個因素：1）應包括LOCA事件后的響應。2）應包括100 %甩負荷后的響應。3）應包括PRHR驅動后觸發緊急停堆時的響應。

考慮以上因素，對穩壓器壓力水位控制系統及模型驗證時，設置以下兩種工況：1）ADS1～3級自動泄壓系統驅動的LOCA狀態。2）PRHR驅動緊急停堆后的工況。

壓力控制ADS 1-3級動作緊急停堆響應：在驗證過程中，可以發現穩壓器壓力在瞬間發生陡降，穩壓器比例電加熱器迅速將開度升為100 %，但由于整體水裝量損失極為嚴重，堆芯補水箱在20 s后開始進行補水。整個事件過程中，穩壓器汽空間溫度持續下降。

2.1 PRHR動作響應

穩壓器壓力出現負階躍，穩壓器比例電加熱器開啟，備用4列電加熱器打開，將穩壓器壓力穩定在較低水平上。

2.2 液位控制 ADS 1-3級動作緊急停堆響應

穩壓器水位迅速下降，并掉出調節帶范圍，但上沖由于閉鎖未開啟，隨后由于 cmT注水，穩壓器水位回升，同時ACC續壓箱通過壓力注水，只是穩壓器內部水位上升斜率升高并繼續升高，在ACC注水結束后，水位開始下降，但由于 cmT注水以及壓力的迅速降低，水位下降逐漸緩慢。在整個調節過程中，可以發現穩壓器內部汽空間溫度緩慢下降。

2.3 PRHR動作響應

在響應過程中可以明顯看到穩壓器液位由于冷水涌入冷卻劑收縮而出現急速下降，CVS上沖出口閥門以及上沖泵迅速響應，上沖流量迅速提升并穩定了穩壓器液位，但由于PRHR已經動作，其熱阱安全殼內換料水箱一直處于冷卻狀態，導致一回路平均溫度持續緩慢下降，故上沖流量維持在穩定水平且穩壓器液位始終伴隨著平均溫度的下降而緩慢下降。

3 仿真結果分析

在ADS1～3級觸發的響應過程中，由于3級閥門均布置在穩壓器頂部，致使一回路冷卻劑迅速從穩壓器頂部噴射入IRWST安全殼內換料水池，穩壓器壓力驟然降低，當壓力低于4.8 MPa時，可以看到壓力有一個簡短的暫緩下降過程，這是由于續壓箱ACC在氮氣加壓下開始安注，此時為堆芯再淹沒工況，但由于續壓箱水裝量有限，該過程后穩壓器內部壓力繼續迅速下落并最終維持在安全殼內部壓力。電加熱器在瞬態后迅速提升開度至100 %，通斷電加熱器也同樣開啟，但已經無法穩定其壓力，在 cmT堆芯補水箱動作后，所有電加熱器均關閉以確保安注過程的順利實現。

在PRHR驅動響應過程中，PRHR觸發瞬間熱交換器內部的低溫冷卻劑迅速流入堆芯，帶來大量的正反應性，反應堆停堆。一回路整體平均溫度下降、壓力下降，比例及通斷電加熱器迅速開啟，由于一回路冷卻劑持續通過PRHR導出熱量至IRWST，所以伴隨這一回路平均溫度的下降，一回路壓力最終穩定在相對低的水平，約14.2 MPa，該壓力并未達到 cmT觸發的13.4 MPa，不會帶來更嚴重的后果。

通過對上述調節過程的分析可以驗證，在所有選取工況的響應測試過程中，穩壓器模型以及壓力控制系統的響應均符合實際工況的響應過程，同時控制系統的動作特性也較好，能夠滿足其控制需求，壓力在正常工況的調解過程中響應迅速、超調量小，可以實現其控制需求。

由于觸發的事件為ADS導致的LOCA，一回路壓力及穩壓器液位迅速下降，這是因為一回路冷卻劑迅速通過穩壓器噴射出去，但由于一回路壓力的降低以及續壓箱ACC的安注，使液位迅速平穩，但仍然存在較緩的下降趨勢。在瞬態觸發后20 s時，由于穩壓器液位及壓力低過定值而隨即觸發了 cmT安注信號，由于 cmT內水裝量較大，其補水迅速通讓穩壓器液位回升，由于 cmT上部與一回路冷腿向連接，其補水隨著一回路與 cmT間的壓力平衡而逐漸放緩，最終可以看到穩壓器液位基本穩定，只存在緩慢的下降過程，這個過程也最終會觸發ADS第4級的動作以及IRWST的補水，并使得整個堆芯與安全殼內部環境聯通。通過前面的控制策略可以知道，此時為了防止CVS上沖泵出口壓力導致 cmT本身注水的影響，在邏輯中閉鎖了上沖泵打開，所以整個響應過程中不存在上充流量的響應。

4 結語

該文主要通過AP1000中較為常見以及特有的部分運行瞬態進行了選擇，隨后對各類瞬態情況下的響應情況進行了描述。最后通過對其響應過程的分析來實現對控制系統以及穩壓器動態模型性能的驗證。

參考文獻

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