核電站應(yīng)急給水系統(tǒng)對蒸汽噴射泵的性能要求分析

武心壯

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233)

作為主給水系統(tǒng)的備用系統(tǒng)，傳統(tǒng)壓水堆的應(yīng)急給水系統(tǒng)是在主給水失效時(shí)使用的。在電站事故停堆工況下，應(yīng)急給水系統(tǒng)用來維持電站熱停堆工況以足夠的時(shí)間，并且將反應(yīng)堆冷卻到余熱排出系統(tǒng)能夠投入運(yùn)行的狀態(tài)。在現(xiàn)有的壓水堆應(yīng)急給水系統(tǒng)中，驅(qū)動裝置包括電動泵、柴油機(jī)泵和汽動泵，以電源或柴油機(jī)作為驅(qū)動源，并以旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)現(xiàn)給水輸送。

在蒸汽噴射泵的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者針對超音速汽液兩相流升壓裝置的升壓能力及其應(yīng)用于核反應(yīng)堆系統(tǒng)中的性能特點(diǎn)展開了大量研究。在意大利，致力于輕水反應(yīng)堆研究的發(fā)電委員會ENEL與Cattadori等合作，從1991年開始展開了對超音速汽液兩相流升壓裝置在核反應(yīng)堆中的應(yīng)用可行性研究。他們以1∶6的比例做出了可以應(yīng)用于沸水堆緊急補(bǔ)水供應(yīng)系統(tǒng)的超音速汽液兩相流升壓裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在進(jìn)口冷水壓力為0.2 MPa，進(jìn)口冷水溫度為15～37 ℃，進(jìn)口蒸汽壓力為2.5～8.7 MPa的條件下，超音速汽液兩相流升壓裝置可以穩(wěn)定地得到高出進(jìn)口蒸汽壓力10%左右的高壓水[1]。Malibashev[2-4]對蒸汽噴射泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，蒸汽噴射泵的最大升壓能力可以達(dá)到進(jìn)汽壓力的2.8倍左右，并對蒸汽噴射泵用于核反應(yīng)堆堆芯緊急冷卻系統(tǒng)時(shí)的性能進(jìn)行闡述。彭云康等[5]初步探討了提高AC600二次側(cè)非能動余熱排出系統(tǒng)除熱能力的方法，介紹了超音速汽液兩相流升壓加熱裝置的工作原理，及其在AC600二次側(cè)非能動余熱排出系統(tǒng)中的布置方式。馬昕霞等[6]對多噴嘴汽-液兩相噴射性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到噴射泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和蒸汽參數(shù)對噴射泵性能的影響規(guī)律。嚴(yán)俊杰等[7-11]對超音速汽液兩相流升壓裝置的升壓特性、升壓過程、阻力特性、汽液兩相之間的換熱規(guī)律以及最大升壓能力等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與理論分析，掌握了該裝置主要性能特點(diǎn)和主要影響因素對其性能的影響規(guī)律，并將其發(fā)展應(yīng)用于民用供熱系統(tǒng)中，取得了良好的效果。

筆者提出采用蒸汽驅(qū)動的噴射泵作為驅(qū)動源的應(yīng)急給水系統(tǒng)，并根據(jù)百萬千瓦級壓水堆核電站的參數(shù)，提出了針對蒸汽噴射泵的性能要求，為采用蒸汽噴射泵提供應(yīng)急給水的可行性提供借鑒和參考。

1 系統(tǒng)配置

圖1給出了采用蒸汽噴射泵的應(yīng)急給水系統(tǒng)配置示意圖，主要包括反應(yīng)堆壓力容器、一回路主管道、反應(yīng)堆冷卻劑泵、蒸汽發(fā)生器、蒸汽噴射泵組、應(yīng)急給水箱以及相關(guān)閥門，其中蒸汽噴射泵組可以是單級或多級蒸汽噴射泵的并聯(lián)或串聯(lián)組合。正常功率運(yùn)行時(shí)，由主給水泵組向蒸汽發(fā)生器供水，帶走堆芯熱量，轉(zhuǎn)變成蒸汽后進(jìn)入汽輪機(jī)做功。在電站事故停堆工況下，當(dāng)喪失主給水時(shí)，應(yīng)急給水系統(tǒng)將投入運(yùn)行，用來維持電站熱停堆工況以足夠的時(shí)間，并將反應(yīng)堆冷卻到余熱排出系統(tǒng)能夠投入運(yùn)行的狀態(tài)。

圖1 采用蒸汽噴射泵的應(yīng)急給水系統(tǒng)配置示意圖

當(dāng)核電站二回路喪失主給水時(shí)，核電站隨后停堆，堆芯衰變熱將繼續(xù)加熱一回路流體和二回路流體，使一回路和二回路升溫升壓。所提出的應(yīng)急給水系統(tǒng)利用蒸汽發(fā)生器中的部分蒸汽通過蒸汽噴射泵引射低溫低壓給水，升溫升壓后注入蒸汽發(fā)生器，轉(zhuǎn)變成蒸汽后排入大氣，實(shí)現(xiàn)帶走衰變熱的目的。

2 分析方法及結(jié)果

2.1 分析方法

應(yīng)急給水投入后的帶熱過程是一個(gè)瞬態(tài)過程，一回路和二回路的壓力和溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律與應(yīng)急給水的投入時(shí)間和流量有關(guān)，本文的目的是研究滿足應(yīng)急給水功能的蒸汽噴射泵性能要求，即對噴射系數(shù)和升壓比的要求。根據(jù)流程配置，為了便于分析，進(jìn)行如下假設(shè)：

(1)喪失主給水后立即停堆，主蒸汽安全閥起跳，且應(yīng)急給水立即投入，不考慮蒸汽發(fā)生器液位的變化。

(2)一回路溫度變化不考慮穩(wěn)壓器蒸汽的影響，由液體的溫度變化體現(xiàn)。

(3)一回路的平均溫度與二回路的飽和蒸汽溫度相同。

(4)不考慮二回路金屬熱容。

筆者參考AP1000的功率和熱備用溫度，以及啟動給水系統(tǒng)的熱備用時(shí)間和冷卻時(shí)間，設(shè)定了計(jì)算要求[12]，具體見表1。

表1 分析參數(shù)及要求

根據(jù)停堆冷卻的要求，將冷卻過程分為降溫到熱備用溫度、維持熱備用溫度和降溫到余熱排出系統(tǒng)投入溫度3個(gè)階段。停堆后，為了將一回路溫度盡快降低到熱備用溫度，需維持應(yīng)急給水流量不變。達(dá)到熱備用溫度后，隨著衰變熱的減小，需要的應(yīng)急給水流量逐漸減小。在降溫到余熱排出系統(tǒng)投入溫度階段，為了適應(yīng)衰變熱的變化，同時(shí)保持降溫速率，需要調(diào)節(jié)應(yīng)急給水流量。結(jié)合假設(shè)條件，采用能量守恒將一、二回路的熱量變化和衰變熱結(jié)合起來。得到3個(gè)階段的應(yīng)急給水流量與一回路溫度變化的關(guān)系如下：

(1)

(2)

(3)

式中：qm為給水質(zhì)量流量，kg/s；qm(t)為t時(shí)刻的給水質(zhì)量流量，kg/s；C為一回路熱容，J/K；P(t)為t時(shí)刻的衰變熱功率，W；t為時(shí)間，s；τ為停堆開始到熱備用的時(shí)間，s；ΔT(τ)為停堆開始到熱備用時(shí)的一回路溫差，K；hs為二回路蒸汽的焓值，J/kg；hf為給水焓值，J/kg；T為降溫速率，K/h。

對于公稱直徑為DN150的給水管道，為了降低給水管道的流速，此處對蒸汽噴射泵出口總流量qm0進(jìn)行限制，因此蒸汽噴射泵的噴射系數(shù)為：

(4)

為了保證蒸汽噴射泵出口的混合流體能夠注入蒸汽發(fā)生器，要求蒸汽噴射泵的的升壓比φ(φ=po/ps)至少為1.2，其中po為蒸汽噴射泵出口蒸汽壓力，MPa，ps為蒸汽噴射泵進(jìn)口蒸汽壓力，MPa。但是在降溫降壓階段，如果仍然維持較高的蒸汽噴射泵的出口總流量，會造成管線阻力太大，導(dǎo)致蒸汽噴射泵升壓比增大，從而增加了蒸汽噴射泵的設(shè)計(jì)難度。因此在降溫降壓階段，為了維持升壓比不變，應(yīng)適當(dāng)提高對噴射系數(shù)的要求。

2.2 分析結(jié)果

基于本文的分析方法，得到了一回路平均溫度隨時(shí)間的變化情況(見圖2)。從圖2可以看出，在應(yīng)急給水投入的初始階段，一回路平均溫度先升高，然后逐漸降低到熱備用溫度，這是由于停堆初期衰變熱較大，應(yīng)急給水的帶熱能力小于衰變熱，隨著時(shí)間的增加，衰變熱逐漸小于應(yīng)急給水帶熱能力，所以溫度達(dá)到最高值后逐漸降低。當(dāng)一回路平均溫度達(dá)到熱備用溫度后，維持8 h溫度不變，然后在6 h內(nèi)以相同的速率降溫到余熱排出系統(tǒng)投入溫度。

圖2 一回路平均溫度隨時(shí)間的變化

圖3給出了蒸汽噴射泵進(jìn)口蒸汽壓力隨時(shí)間的變化曲線。由圖3可知，在停堆第一階段初期，由于主蒸汽安全閥起跳，蒸汽壓力維持不變后逐漸降低到熱備用溫度對應(yīng)的飽和壓力，然后在熱備用階段保持不變，在降溫階段均勻降低。蒸汽壓力是影響蒸汽噴射泵性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，蒸汽壓力曲線要求蒸汽噴射泵在較大壓力區(qū)間保持變工況運(yùn)行能力。

圖3 蒸汽噴射泵進(jìn)口蒸汽壓力隨時(shí)間的變化

圖4給出了與停堆冷卻要求匹配的蒸汽噴射泵噴射系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。從圖4可以看出，在停堆的第一階段，噴射系數(shù)保持不變；在熱備用階段噴射系數(shù)在較大幅度的減小后，減小趨勢減緩；在降溫階段，噴射系數(shù)逐漸增大。在第一階段噴射系數(shù)不變是由于應(yīng)急給水流量和蒸汽噴射泵出口總流量都不變；噴射系數(shù)在熱備用階段初期減小幅度較大是由于僅維持熱備用溫度的應(yīng)急給水流量需求小；在降溫階段初期噴射系數(shù)增大是由于系統(tǒng)突然需要增加給水流量以維持要求的降溫速率，然后相對緩慢增大是因?yàn)榫S持升壓比不變導(dǎo)致蒸汽量減小，從而使噴射系數(shù)增大。

圖4 蒸汽噴射泵的噴射系數(shù)隨時(shí)間的變化

與圖3比較可知，停堆冷卻第一階段是在蒸汽壓力基本不變的條件下，要求維持噴射系數(shù)不變；熱備用階段也是在蒸汽壓力不變的條件下，要求噴射系數(shù)逐漸減小；停堆冷卻階段在蒸汽壓力逐漸下降的條件下，要求噴射系數(shù)逐漸增大。因此可以看出，在停堆過程中的不同階段，提供給蒸汽噴射泵的蒸汽壓力和對噴射系數(shù)的要求是不同的。為了滿足應(yīng)急給水系統(tǒng)對蒸汽噴射泵的性能要求，蒸汽噴射泵可采用單級或多級蒸汽噴射泵的組合，同時(shí)通過調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵出口蒸汽壓力或其他汽水參數(shù)以滿足蒸汽噴射泵的性能要求。

3 結(jié) 論

(1)蒸汽壓力在停堆第一階段維持不變后逐漸降低，要求維持噴射系數(shù)不變；蒸汽壓力在熱備用階段保持不變，要求噴射系數(shù)逐漸減小；蒸汽壓力在降溫階段均勻降低，要求噴射系數(shù)逐漸增大。

(2)蒸汽壓力曲線要求蒸汽噴射泵在較大的壓力區(qū)間保持變工況運(yùn)行能力。根據(jù)應(yīng)急給水系統(tǒng)對蒸汽噴射泵的要求，蒸汽噴射泵可采用不同的配置形式，并調(diào)節(jié)汽水參數(shù)以滿足蒸汽噴射泵的性能要求。

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