核電廠堆頂風機運行工況分析

劉鵬飛 張雁

中圖分類號：TM623 文獻標識：A 文章編號：1674-1145（2019）2-173-02

摘 要 某非能動堆型核電廠控制棒驅動系統冷卻設計不同于M310堆型機組和VVER機組，從安全要求，系統部件設置，事故后果分析等給出一個全新的概念，不同以往的常規配置。本文針對某堆型的控制棒驅動機構通風冷卻系統進行了初步探討，系統分析了它的特點和不同之處。

關鍵詞 控制棒操作機構 堆頂風機 冷卻

本文以某非能動堆型核電廠機控制棒操作機構冷卻通風系統為主題，在掌握的現有資料基礎上，從系統的組成，設備，功能等方面進行了研究和探討。本文從通風專業角度對系統作了一些研究探討工作，對于這個系統的原理和運行在M310堆型和VVER堆型的冷卻方式基礎上做的改進有了更為深刻的理解和認識。

一、系統特點

非能動堆型的控制棒驅動機構冷卻系統CRDM設計與M310堆型RRM系統及VVER的KLA30系統不同之處在于：

1.系統簡單化，取消了為此設置的通風及為通風系統服務的相關管道和部件，使得反應堆本體周圍的空間利用更充分。2.取消了為此設置的空氣冷卻器裝置，減少了與輔助系統的接口。3.通風機在堆本體一體化堆頂布置，并且改為軸流式風機。

二、系統運行壓力分布分析

（一）風機吸入段壓力分布

堆頂一體化結構和冷卻系統為兩臺風機并聯運行，系統的阻力處于一個比較穩定的運行工況。由于風機進口形成的阻力與風機出口形成的阻力數值相差較大，因此要求風機動壓壓力不是很高。由于控制棒操縱機構的組成比較復雜。因此操縱機構內部的空間狹小，空氣流通斷面所形成的通道局部阻力很大，使得這個空間的空氣流通斷面速度直接影響空氣的熱交換效率。為此，堆頂一體化結構的8個進風門在圓筒的360o范圍均勻布置。

（二）風機壓出段壓力分布

從堆頂風機的工作狀態要求分析，風機入口的壓力分布可以確定，但是風機出口只有閥門段的局部阻力，然后靜壓壓力急劇下降到安全殼內的大氣壓力，近似為0。動壓隨著射程軸心逐步衰減到0。按照常規，安全殼大氣應該保持微負壓狀態在-10-30Pa左右，對于堆頂風機的排風是有利的。所以堆頂風機在排風過程中是可以節省部分動能的，對風機運行有利和節能。

（三）風量平衡計算

根據工藝要求，兩臺風機并聯運行，由通風機運行原理可知并聯運行情況下，系統流量增加，系統總壓力不增加，同時管網壓力損失不增加。風機額定流量54000m3/h，兩臺共108000m3/h計算，風量平衡結果分析，出風口截面積按照900mm直徑考慮，計算動壓值為290Pa左右，與風機性能鑒定試驗的數值312Pa的動壓差值比較吻合。

（四）風機電功率消耗分析

風機在性能試驗時配套的電機功率為45Kw，但是性能試驗結果實際在功率曲線最高點在33kw-31.5kw之間。由此可以得知，在風量和壓力滿足設備規格書的要求時，風機最大電能消耗不會超過37kw的標準配套電機所能提供的電能。

（五）考慮安全殼內的氣候條件和其他嚴重事故的影響

配套45kw的電動機，對于風機運行和系統的穩定性是必須要考慮的，功率消耗的安全冗余在30%是安全的。同時國內電機功率的配套37kw之上只有45kw的產品，因此電機實際能耗并不高，不會使得電機過載出現事故。

三、系統熱力工況分析

（一）CRDM堆控制棒操縱機構發熱量主要來自以下幾個方面

1.控制棒在正常運行工況下發熱量。根據反應堆功率的變化而動作，提升或者下降到堆芯內部反應區。由于堆芯溫度很高（正常運行大于300度），因此控制棒必然會在提升過程中帶出一部分熱量釋放到堆頂控制棒機構中間，這部分熱量是在不斷變化的（控制棒留在堆芯內的數量不確定，根據反應堆功率和反應性的大小而變化）。當堆功率達到最大時，控制棒反而帶出的熱量少。2.堆腔傳導過來的熱量。堆頂蓋和控制棒驅動機構一體化，反應堆本身產生的熱量由于設備結構本身的導熱和傳熱的性能使得堆頂蓋的溫度升高。由于控制棒孔道直通堆芯，所以堆的熱量可以直接傳導到堆頂結構部分。根據經驗和一些資料分析，常規的通風冷卻只要風量足夠大，不需要采取其他措施。按照常規分析，75-82℃的堆頂控制棒驅動機構排氣溫度應該是堆頂機構在正常通風冷卻的情況下運行時出口的最大值。3.控制棒和灰棒的導管傳遞熱。控制棒和灰棒的導管都是直接通到堆芯反應區的。它對通風冷卻系統的熱負荷造成直接影響。所以在沒有準確計算的基礎上，只是給出控制棒操作機構內部的溫度只要不高于200℃就是可以接受的限值溫度是根據驅動機構實驗得出的，而且經過安全風險分析后得出的可接受的限值。

（二）安全分析

在控制棒操作機構空間內部的溫度小于200℃時，操作機構的勵磁線圈就不會失效而發生掉棒事故。但是一旦發生掉棒事故，反應堆本體在設計時已經考慮了可以適應和接受一根或幾根控制棒掉落的事故影響。所以堆頂風機冷卻系統沒有考慮安全功能要求。但是堆頂風機和風閥按照抗震2類要求，在SSE時要求保證設備的完整性，不會影響到堆頂一體化結構的整體安全性能。

四、運行工況分析

控制棒驅動機構進氣口的空氣溫度就是安全殼內環境溫度，安全殼環境溫度在21-38℃之間。最不利情況下，堆頂風機進口空氣溫度75-82℃，所以在安全殼大氣環境溫度和控制棒驅動機構冷卻風機進口溫度之間有54-44℃左右的溫差，這個溫度差值可以使堆頂風機一旦失去電源時可以形成自然循環來冷卻控制棒驅動機構，帶走驅動機構內部線圈產生的熱量。

（一）控制棒驅動機構基本沒有濕量的產生

安全殼內相對濕度的升高一般是在主管道泄漏的情況下，但是不會在短時間內使得安全殼大氣絕對含濕量上升，而且驅動機構內部大量的散熱量和大的通風量會很快使得進入驅動機構內部空氣的相對濕度得以迅速降低，不會對堆頂風機這一套空氣冷卻設備產生影響，同時對于控制棒驅動機構的設備組成構件不會產生影響。

（二）控制棒操作機構內部工作溫度

西屋的設計文件中提到控制棒操作機構內部工作時的溫度要求不超過200℃，那么實際控制棒機構內的溫度可能高于200℃，而這一溫度的差值直接影響堆頂風機的設備性能。

五、堆頂冷卻風機帶走的熱量

堆頂風機運行有兩個工況：

A工況是調試啟動期間的冷卻試驗，控制風機入口溫度為21℃-79℃。B工況是正常運行時風機入口溫度為38℃-82℃。此時反應堆功率進入穩定階段.

（一）系統監測點

1.系統流量監測-就地控制室顯示及報警系統空氣氣體壓力監測。2.系統輻照劑量監測-就地控制室報警。3.系統運行系列切換信號顯示-就地控制室顯示。

（二）堆頂風機的運行監測

堆頂風機本身和系統需要監測的參數有以下幾點：1.風機進氣溫度顯示。2.風機排氣溫度顯示。3.風機軸承溫度顯示。4.電機機殼溫升顯示。5.運行開機信號顯示-主控制室。6.運行停機信號顯示-主控制室。7.電機運行電流顯示-就地控制室顯示。8.風閥運行狀態顯示-就地控制室顯示。9.風機振動監測。

（三）系統試驗

控制棒驅動機構冷卻功能試驗是驗證冷卻效果是否達到驅動機構線圈溫度小于200℃。。所以對于線圈的運行和溫度的監測，采取通過測量驅動機構線圈的電阻變化率來換算出溫度的變化。

六、設備運行故障的風險分析

（一）失電工況分析

堆頂風機出口的閥門電動執行機構在失電情況下，可以依靠機構內部的彈簧自動復位打開閥門，保持流道通風功能。

（二）電機高溫運行分析

由于電動機與風機一體化安裝，所以電機發熱量可以通過風道內的氣流始終在冷卻過程中，所以控制棒操縱機構內部的高溫氣體流經電機時傳給電機的熱量是變化的也是不穩定的傳熱過程。電機經過高溫120℃耐老化試驗，證明電機本身可以經受高溫環境的運行考驗。

七、存在問題的討論

1.風閥泄漏率。由于風閥在安全殼大氣環境中工作，風機吸入和排出也都處在這個環境中，所以對于風閥的殼體對外泄漏率為零的要求可以適當降低。2.堆頂一體化結構的抗震性能。堆頂風機抗震分析計算結果證明水平方向可以達到9g，垂直方向可以達到4g。堆頂一體化結構是抗震一類的結構，需要保持完整性和功能要求。3.冷卻系統的熱工計算。控制棒驅動機構的冷卻系統的熱工計算是一個涉及到反應堆熱工計算的范圍，所以在反應堆運行后準確跟蹤記錄堆頂風機的運行數據十分必要。4.過高的風速的不利影響。通過計算得知風機進風管道內風速達到20m/s以上，這樣一個速度是通風專業管道阻力計算中偏高的速度。局部阻力和沿程阻力都增加，風機功率增大，風機和管道的空氣噪聲增大，對于管道的震動也會產生影響。

八、堆頂風機的性能提高點

1.風機工作效率.由風機工作的特性可以分析出風機的效率不會很經濟，這是受風機功率，轉速，壓力，流量等因素的影響。堆頂風機在實驗過程中的工作效率達到67%，但是從風機性能曲線可以看出在流量范圍以內風機效率在55%-60%之間，應該已經是比較理想的效率了。

2.避免風機的喘振。從理論分析，風機入口設置了防喘振環，可以起到有效減少渦流，使得入口氣流壓力分布減少不均勻情況的發生是有利的措施，從而使風機最小流量在正常和喘振流量工況的分界點向下移動到26%。從控制棒驅動機構的構造分析，在風機啟動到正常運行這一段時間內，風量為14040m3/h。兩臺風機啟動運行，則需要的進風量最小為28080m3/h，因此風機是否發生喘振，與設在堆頂圍筒上的個8進風門的開啟多少直接相關。

3.改變葉片角度。堆頂風機性能數據是在葉片安裝角度為37度情況下的性能，如果需要調整風機壓力或者流量時，必須調整葉片的角度。而葉片安裝角度的改變，直接影響到風機的壓力和流量，同時使得耗電功率變化。

九、結語

由于作者掌握的資料信息有限，此非能動堆型的運行還沒有開始，因此在現有文件的基礎上，通過對這個系統和設備進行了一些邊緣的理論分析和探討。加深了非能動堆型整體設計的認識和理解。對后續核電設計有指導和借鑒作用。

參考文獻：

[1] 林誠格等.非能動安全先進壓水堆核電技術.北京：原子能出版社，2010（5）.

[2] 彭航，許厚明，李紅鷹等.600MW核電站控制棒驅動機構原理樣機風冷試驗[J].核動力工程，2000，21（3）：193-196.