二次側非能動余熱排出系統啟動特性試驗研究

李亮國，龍 彪，孫振邦，許嚴陣，蘇前華,*，吳小航，盧冬華，朱 峰

(1.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518026； 2.深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518026)

二次側非能動余熱排出(ASP)系統作為國內二代加型百萬千瓦級壓水堆核電廠的重要改進項，其基于蒸汽發生器二次側閉式自然循環的基本原理，主要應對全場斷電等超設計基準事故，可顯著提高核電廠的固有安全性。在核電廠正常運行時，ASP系統處于備用狀態，當發生事故后需通過打開ASP系統隔離閥以投入ASP系統。對于ASP系統需研究ASP系統投入后能否建立自然循環以及ASP系統建立自然循環過程中是否存在汽(水)錘、流動不穩定性等物理現象，同時，ASP系統的運行特性與系統設備構成及布置密切相關。因此有必要針對國內二代加型百萬千瓦級壓水堆核電廠ASP系統研究其啟動特性及影響因素。

許多學者針對不同堆型的二次側非能動余熱排出系統采用軟件模擬、試驗研究方法進行系統啟動特性及其影響因素的研究。盧向暉等[1]采用RELAP5程序對某二代加型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過程中的穩定性和汽(水)錘現象進行建模分析，研究認為閥門的快速啟閉容易引起閥門前后管道中介質壓力或動能發生劇烈變化，尤其對于高溫高壓的蒸汽，瞬間的壓力波動會產生很大的沖擊波(即汽錘和水錘)，研究了全廠斷電事故下系統采用不同的啟動方式和啟動速度下的啟動特性。宮厚軍等[2]對含有補水箱的二次側非能動余熱排出系統通過RELAP程序進行了建模分析，研究了補水啟動和液柱啟動兩種不同啟動方式、系統阻力對二次側非能動余熱排出系統啟動特性的影響。肖澤軍等[3]通過建造相應的試驗裝置，針對AC600二次側非能動余熱排出系統開展了試驗研究，研究了系統阻力、下降段液柱高度、系統冷熱芯位差等對系統啟動及運行特性的影響。Sun等[4]以HPR1000為原型，采用等高模擬的方式設計建造了試驗裝置，并在該試驗裝置上開展了不同啟動方式和系統阻力對系統啟動特性的影響研究。

為獲取二代加型壓水堆ASP系統的啟動特性及其影響因素，基于多級雙向模化分析(H2TS)方法設計建造ASP試驗裝置(ASPTF)。在ASPTF上開展不同方式下的ASP系統啟動特性試驗，研究ASP系統隔離閥動作時間、蒸汽管線阻力、回水管線阻力、蒸汽發生器二次側水裝量、蒸汽釋放閥對ASP系統啟動特性的影響。

1 試驗裝置

根據試驗需求與試驗目的，針對試驗過程涉及到的系統與設備進行模化設計。目前國內外新建造的系統效應試驗裝置如美國的APEX試驗裝置、中國的ACME試驗裝置、韓國的ATLAS試驗裝置均采用H2TS的模化設計方法[5-8]。針對ASP系統試驗的研究需求，參照國內外同類試驗裝置的模化比例，結合實際場地條件及關鍵物理現象模化相似性要求，基于H2TS方法進行ASPTF的模化設計[9-10]。ASPTF的主要模化比例列于表1。

表1 ASPTF模化比例Table 1 Scaling criteria for ASPTF

ASPTF回路系統流程如圖1所示，該裝置主要由一回路系統、二回路系統、安全排放系統、供水系統、測控系統、電氣系統等組成。

ASPTF中堆芯模擬體采用電加熱模擬核釋熱，一回路的水在主泵模擬體的驅動下通過堆芯模擬體的電加熱組件加熱后進入蒸汽發生器模擬體一次側，并通過蒸汽發生器中的U型管將熱量傳遞至蒸汽發生器二次側，蒸汽發生器中二次側的水受熱變為蒸汽。正常運行時，ASP系統處于隔離狀態，冷凝器快關閥與補水系統快關閥打開，蒸汽發生器二次側的蒸汽通過冷凝器快關閥及背壓閥后進入冷凝器冷凝后返回至補水系統。當ASP系統投運時，冷凝器快關閥與補水系統快關閥關閉，蒸汽管線快關閥與回水管線快關閥按照測控系統的自動控制信號依次自動打開，蒸汽發生器二次側產生的飽和蒸汽通過內置于換熱水箱中的換熱器冷凝后返回至蒸汽發生器二次側，并將熱量傳遞至換熱器換熱水箱，敞口換熱水箱將熱量最終傳遞至大氣環境。

換熱水箱水溫采用T型熱電偶進行測量，其余溫度測量采用N型熱電偶，熱電偶測量精度為Ⅰ級；流量采用文丘里流量計配合Honeywell STD720差壓變送器獲取；壓力采用Honeywell STG77L壓力變送器獲取，壓力及差壓測量精度為0.1%。所有采集信號通過NI系統進行處理。ASPTF堆芯模擬體最大功率為1 MW，且可通過測控系統實現功率的調節與自動控制。

圖1 ASPTF回路系統流程Fig.1 Schematic diagram of ASPTF

2 試驗工況與試驗方法

2.1 試驗工況

在反應堆原型發生全場斷電等事故工況時將投運ASP系統，當ASP系統投運時對應著特定的堆芯功率，因此本文試驗工況中均為同一堆芯加熱功率，試驗工況列于表2。

2.2 試驗方法與邊界條件

正式試驗開展前通過調節二回路上的節流件及閥門以保證ASP系統的阻力系數與原型的一致。首先進行系統狀態調整，試驗前ASP系統處于隔離狀態，蒸汽釋放閥處于關閉狀態，蒸汽管線阻力系數與回水管線阻力系數為標準值，換熱器換熱管內注滿室溫水，換熱水箱中注入室溫水至標準液位。將一回路壓力及加熱功率調整至額定狀態，調整二回路壓力至額定壓力，蒸汽發生器二次側液位至45%WR的標準值。然后執行自動控制程序，依次打開蒸汽管線隔離閥與回水管線隔離閥，ASP系統隔離閥的標準動作時間為蒸汽管線隔離閥經過10 s打開，間隔5 s后給定回水管線隔離閥打開信號，回水管線隔離閥歷經10 s打開，測控系統自動同步記錄相應的信號直至試驗結束。

表2 試驗工況Table 2 Experimental condition

注：εm為蒸汽管線標準阻力系數；εb為回水管線標準阻力系數；WR為滿功率下蒸汽發生器寬量程液位值

開展不同工況試驗時遵循單一變量原則。開展隔離閥動作時間影響試驗時按照表2僅調整蒸汽管線隔離閥與回水管線隔離閥的動作時間；開展蒸汽管線阻力影響試驗時，按照表2僅調整蒸汽管線的阻力系數；開展回水管線阻力影響試驗時，按照表2僅調整回水管線的阻力系數；開展蒸汽發生器二次側水裝量影響試驗時，按照表2僅調整蒸汽發生器二次側的初始液位；開展蒸汽釋放閥影響試驗時，按照表2僅在ASP系統投入時同步往復開啟蒸汽釋放閥。

2.3 試驗數據處理與誤差分析

本試驗中采用文丘里流量計測量得到體積流量，根據下式進行質量流量的轉換：

(1)

式中：M為質量流量；ρ為介質密度；v為體積流量。通過Fortran語言編寫試驗數據處理程序，計算中涉及到的水及蒸汽物性通過調用美國國家標準技術研究所(NIST)開發的水物性包得到。根據誤差傳遞原理，得到質量流量的相對不確定度不大于0.52%。

本試驗中換熱器由多根換熱管組成，換熱管由上傾斜段、豎直段、下傾斜段、彎管段組成，每次試驗前需向換熱管內注水進行換熱管內初始液位建立，由于換熱管的特殊結構，在建立初始液位時較難保證換熱管內初始液位完全一致。

3 結果與討論

以試驗裝置到達穩定的額定參數并投入自動控制程序執行試驗控制的時間點作為0 s，得到不同工況下的試驗結果。

3.1 隔離閥動作時間的影響

圖2 不同隔離閥動作時間下的系統流量Fig.2 Flow rate with different operating time of isolation valve

選取試驗裝置ASP系統隔離閥能達到的最快打開速率為工況1-1，獲取不同隔離閥動作時間下ASP系統流量的變化，如圖2所示。隨著回水管道快關閥的打開，換熱器換熱管內的水在重力的作用下進入蒸汽發生器，由于初始換熱器換熱管內的啟動液柱的存在，因此形成1個流量峰值，后隨著自然循環的建立流量趨于穩定。試驗過程中，閥門動作時間主要影響換熱器換熱管內的初裝水進入蒸汽發生器的時間，不同隔離閥動作時間的影響試驗中ASP系統未出現汽(水)錘現象，試驗中均建立了穩定的自然循環，自然循環流量基本一致。

3.2 蒸汽管線阻力的影響

不同蒸汽管線阻力下ASP系統流量變化如圖3所示。通過調節蒸汽管線上的阻力件，得到1.0εm、1.3εm、1.6εm3種不同蒸汽管線阻力下自然循環流量隨時間的變化趨勢基本一致，但由于蒸汽管線阻力的不同，自然循環流量最終的穩定值有所差別。自然循環流量隨蒸汽管線阻力的增大而降低。

圖3 不同蒸汽管線阻力下的系統流量Fig.3 Flow rate with different drag coefficients of steam pipeline

3.3 回水管線阻力的影響

圖4 不同回水管線阻力下的系統流量Fig.4 Flow rate with different drag coefficients of backwater pipeline

不同回水管線阻力下ASP系統流量變化如圖4所示。通過調節回水管線上的阻力件，得到1.0εb、1.3εb、1.6εb3種不同回水管線阻力下自然循環流量隨時間的變化趨勢基本一致，但流量峰值由于換熱管內初始水裝量即換熱管內初始液柱高度的不同而略有差異。由于回水管線阻力的不同，自然循環流量最終的穩定值有所差別，自然循環流量隨回水管線阻力的增大而降低。

3.4 蒸汽發生器二次側水裝量的影響

不同蒸汽發生器二次側水裝量下ASP系統流量變化如圖5所示。通過調節蒸汽發生器二次側初始液位分別為10%WR、20%WR、30%WR、45%WR，隨著回水管道快關閥的打開，換熱器換熱管內的水在重力的作用下進入蒸汽發生器并形成1個流量峰值，后隨著自然循環的建立流量趨于穩定。從圖5中初始水裝量的積分值可知，在30%WR液位工況下，由于換熱器換熱管內的初始水裝量略小于表2中所列其他不同液位工況，其換熱管內初始液柱相對較低進而導致其流量峰值略低，但流量變化總體趨勢一致。

圖5 不同蒸汽發生器二次側水裝量下的系統流量Fig.5 Flow rate with different secondary-side water inventory of steam generator

3.5 蒸汽釋放閥的影響

對比工況5-1蒸汽釋放閥往復開啟同步投入ASP系統試驗與工況5-2蒸汽釋放閥關閉同步投入ASP系統試驗的試驗結果如圖6所示。由圖6可知，蒸汽釋放閥的往復開啟影響換熱器換熱管內初裝水向蒸汽發生器二次側的重力注入過程，且工況5-1中換熱管內的初裝水量相對較少，換熱管內初始液柱高度相對較低導致蒸汽釋放閥往復開啟試驗工況中自然循環流量的峰值小于蒸汽釋放閥關閉的工況。在工況5-1中蒸汽釋放閥的往復開啟造成自然循環流量有小幅的波動，當蒸汽釋放閥關閉后自然循環流量可恢復至穩定狀態。由圖6還可知，由于蒸汽釋放閥的往復開啟，導致二次側非能動系統內的一部分蒸汽直接排至大氣，排熱途徑的增加導致換熱管內的降壓速率高于蒸汽釋放閥關閉的工況。

圖6 不同蒸汽釋放閥開啟方式下的系統流量和系統壓力Fig.6 Flow rate and pressure with different open modes of VDA

4 結論

本文系統研究了ASP系統的啟動特性及其影響因素，通過對試驗數據分析與處理，得到如下研究結果：

1) 隔離閥動作時間影響試驗中，ASP系統蒸汽管線與回水管線隔離閥的動作時間主要影響ASP系統的投入以及換熱器換熱管內初裝水進入蒸汽發生器的時間，試驗中均最終建立了穩定的自然循環；

2) 蒸汽管線阻力對系統影響試驗中均能建立穩定的自然循環，自然循環流量隨蒸汽管線阻力的增大而降低；

3) 回水管線阻力對系統影響試驗中均能建立穩定的自然循環，自然循環流量隨回水管線阻力的增大而降低；

4) 蒸汽發生器二次側水裝量對系統影響試驗中，不同蒸汽發生器液位對于ASP系統的啟動及運行特性影響較小，試驗中均最終建立了穩定的自然循環；

5) 蒸汽釋放閥對系統影響試驗中，蒸汽釋放閥的往復開啟引起自然循環流量的波動及降壓速率的增加，當蒸汽釋放閥關閉時，自然循環恢復可至穩定狀態；

6) 在本研究中的所有試驗工況中均未出現汽(水)錘現象，ASP系統均建立了自然循環；

7) 換熱管內初裝水的水量即啟動液柱高度對ASP系統啟動過程中流量峰值影響較大。