核動(dòng)力裝置BDS系統(tǒng)仿真與事故分析

陳玉昇，林 萌，余 刃，沈夢(mèng)思

(1.海軍工程大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

1 引言

蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)(BDS)在核動(dòng)力裝置以正常功率運(yùn)行時(shí)，維持蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水化學(xué)性質(zhì)[1，2]，是核動(dòng)力裝置十分重要的輔助系統(tǒng)。如果BDS不能正常運(yùn)行，不僅使蒸汽發(fā)生器U型管結(jié)垢，導(dǎo)致?lián)Q熱效率變低和誘發(fā)傳熱管破裂事故，而且蒸汽品質(zhì)下降，對(duì)汽輪機(jī)造成不可逆的腐蝕破壞。核動(dòng)力裝置BDS系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)多次事故[3]，事故發(fā)生時(shí)BDS系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)過(guò)高，BDS系統(tǒng)中的昂貴設(shè)備損壞，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此有必要對(duì)BDS系統(tǒng)進(jìn)行研究與分析。文獻(xiàn)[4]簡(jiǎn)要的介紹核電廠BDS系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)法蘭泄露的原因，并給出事故的應(yīng)急措施，但是并沒(méi)有分析該事故對(duì)BDS系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[5]只是對(duì)核電站的BDS系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況分析，關(guān)注重點(diǎn)對(duì)BDS系統(tǒng)影響較大的參數(shù)，其并沒(méi)有對(duì)瞬態(tài)工況進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[6]詳細(xì)介紹秦山核電BDS系統(tǒng)冷、熱態(tài)性能試驗(yàn)，只是對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證BDS系統(tǒng)的安全性，本文利用COSINE-SYST(簡(jiǎn)稱(chēng)COSINE)軟件平臺(tái)建立BDS模型，并做穩(wěn)態(tài)和事故動(dòng)態(tài)分析，分析結(jié)果為BDS系統(tǒng)性能分析及事故操作的優(yōu)化提供必要的理論支持。

2 核動(dòng)力裝置BDS系統(tǒng)以及仿真建模

BDS的作用是在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、啟停堆以及濕保養(yǎng)時(shí)維持蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的水化學(xué)，主要由熱交換器、流量控制閥、背壓控制閥、電離除鹽裝置(EDI)、再循環(huán)泵以及各種壓力、溫度、流量、放射性儀表等組成[6]，物理模型如圖1所示。其中BDS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求為：1：EDI的最高溫度不能高于324K，2：EDI入口壓力不能高于1MPa。

圖1 BDS系統(tǒng)圖

仿真軟件采用中國(guó)自主開(kāi)發(fā)研制的COSINE系統(tǒng)分析程序，其以核動(dòng)力裝置一、二回路系統(tǒng)或其它管路系統(tǒng)為計(jì)算對(duì)象，采用多相多流場(chǎng)的最佳估算模型，具備兩相流水力學(xué)、沸騰與冷凝傳熱、輻射傳熱、水力學(xué)設(shè)備、堆芯功率與反饋等計(jì)算功能，可應(yīng)用于核動(dòng)力裝置運(yùn)行瞬態(tài)分析、事故分析、設(shè)計(jì)瞬態(tài)計(jì)算、核動(dòng)力裝置仿真等領(lǐng)域[7]。目前已成功應(yīng)用于模擬核動(dòng)力裝置系統(tǒng)中各類(lèi)設(shè)備，如主冷卻劑泵、管道、各類(lèi)閥門(mén)、蒸汽發(fā)生器、安注箱、穩(wěn)壓器、汽水分離器、汽輪機(jī)等，以及模擬核動(dòng)力裝置的控制系統(tǒng)。此外，還能模擬瞬態(tài)與事故過(guò)程中的各類(lèi)熱工水力現(xiàn)象，包括噴放、熱分層、液滴夾帶、相向流動(dòng)、固體導(dǎo)熱、輻射、堆芯再淹沒(méi)等。因此采用COSINE系統(tǒng)分析程序可以完全滿足本文仿真計(jì)算的需求BDS計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)圖如圖2所示。

圖2 BDS仿真節(jié)點(diǎn)圖

3 BDS仿真建模結(jié)果分析

為了驗(yàn)證模型的正確性和穩(wěn)定性，本文對(duì)穩(wěn)態(tài)工況以及瞬態(tài)工況下的系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證計(jì)算模型的有效性，對(duì)BDS系統(tǒng)的100%功率穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況進(jìn)行仿真驗(yàn)證，初始化模型邊界條件為滿功率運(yùn)行狀態(tài)，打開(kāi)或者關(guān)閉系統(tǒng)中相應(yīng)的閥門(mén)，調(diào)節(jié)流量控制閥門(mén)，并把計(jì)算模型的關(guān)鍵參數(shù)值與設(shè)計(jì)值對(duì)比，根據(jù)計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)該模型的可靠度。

通過(guò)計(jì)算，得到BDS系統(tǒng)在滿功率工況下的仿真結(jié)果，主要計(jì)算結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明：計(jì)算模型的關(guān)鍵性能參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)最大誤差為3.21%，滿足精度要求，能有效反應(yīng)核電廠實(shí)際100%功率運(yùn)行系統(tǒng)參數(shù)。證明BDS系統(tǒng)模型在穩(wěn)態(tài)計(jì)算中具有可靠性。該計(jì)算模型可為BDS事故仿真建模及分析提供支持。

表1 正常運(yùn)行BDS系統(tǒng)仿真參數(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)參數(shù)對(duì)比

3.2 瞬態(tài)仿真結(jié)果

3.2.1 事故分析

根據(jù)文獻(xiàn)可知[6]，熱交換器泄漏事故在電廠運(yùn)行過(guò)程中是一較為常見(jiàn)的故障現(xiàn)象。由于文獻(xiàn)4只是探究該事故發(fā)生的原因，事故對(duì)系統(tǒng)的影響并沒(méi)有進(jìn)行分析，所以本文選擇對(duì)熱交換器泄露事故進(jìn)行分析并給出事故處理方案。

結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)破口事故的仿真分析[8-11]，選擇100%功率穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，BDS系統(tǒng)發(fā)生破口事故，破口大小為0.0005m2。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至300秒時(shí)觸發(fā)事故，事故結(jié)果仿真如圖3和圖4所示。

圖3 破口流量隨時(shí)間變化曲線圖

圖4 EDI入口溫度隨時(shí)間變化圖

通過(guò)圖4可以看出在411秒時(shí)，EDI入口溫度快速上升到324K，達(dá)到EDI設(shè)備工作的限值，而工作人員很難在110秒內(nèi)，發(fā)現(xiàn)并排除故障，所以熱交換器泄露事故很有可能造成EDI模塊的損壞，由于EDI設(shè)備屬于國(guó)外進(jìn)口，因此會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

3.2.2 事故處理仿真分析

查閱BDS相關(guān)系統(tǒng)資料：當(dāng)發(fā)生冷卻劑喪失、主系統(tǒng)溫度升高事故時(shí)，蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)系列對(duì)應(yīng)的流量控制閥(V006)和排污隔離閥(V005)自動(dòng)關(guān)閉，從而保護(hù)電離除鹽裝置。可以看出該事故處理方案，只是簡(jiǎn)單對(duì)故障排污管線進(jìn)行隔離，然而對(duì)應(yīng)蒸汽發(fā)生器的水質(zhì)仍然需要進(jìn)行凈化，否則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此當(dāng)BDS熱交換器發(fā)生泄漏事故，為維持二次側(cè)水凈化的功能，本文認(rèn)為可以將故障系統(tǒng)的排污水旁切換至正常系列中，維持蒸汽發(fā)生器水質(zhì)凈化。

第一種事故解決方案仿真設(shè)計(jì)，運(yùn)行工況設(shè)計(jì)如下：當(dāng)熱交換器A發(fā)生泄漏，將故障系列蒸汽發(fā)生器排污流通過(guò)閘閥V002和V004旁通至正常系列。具體操作：1600秒觸發(fā)破口事故，由圖4可知110秒后會(huì)達(dá)到閾值，1700秒立刻關(guān)閉故障系列的隔離閥，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)書(shū)可知隔離閥是快速閥門(mén)，所以行程時(shí)間為3秒，所以無(wú)法進(jìn)行改變，但可以在關(guān)閉隔離閥之后20秒，打開(kāi)旁通閥，旁通閥的行程時(shí)間為40秒。仿真結(jié)果如圖5-圖8所示。

圖5 正常系列熱交換器出口溫度隨時(shí)間變化曲線

圖6 正常系列EDI入口流量隨時(shí)間變化曲線圖

圖7 各支路入口流量隨時(shí)間變化曲線圖

圖8 正常系列EDI入口壓力隨時(shí)間變化曲線

通過(guò)圖5可以看出，當(dāng)隔離事故系列，并打開(kāi)旁通支路，將事故系列的排污水引入正常系列后，正常系列的溫度先降低后升高最后達(dá)到穩(wěn)定，整個(gè)過(guò)程中正常系列的EDI模塊溫度低于閾值溫度，但是通過(guò)圖6可以看出管道內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)振蕩現(xiàn)象，正負(fù)流量的峰值為(-6.8%，1.9%)。通過(guò)圖7分析可知，當(dāng)打開(kāi)旁通閥后，事故系列蒸汽發(fā)生器與正常系列蒸汽發(fā)生器出口流量變?yōu)樵瓉?lái)流量的50%，水錘現(xiàn)象是由于截止閥的快速關(guān)閉，流量的階躍式變化所引發(fā)的。通過(guò)圖8可以看出，由于水錘現(xiàn)象的存在導(dǎo)致正常系列管道壓力產(chǎn)生波動(dòng)。并且EDI入口壓力接近閾值1MPa，為了防止壓力波動(dòng)對(duì)設(shè)備造成損壞，所以有必要對(duì)該方案進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.3 第二種事故解決方案仿真分析

為了解決第一種事故處理方案中的水錘問(wèn)題，設(shè)計(jì)第二種事故解決方案。具體操作：1600秒觸發(fā)破口事故，1700秒時(shí)關(guān)閉氣動(dòng)隔離閥V005A，設(shè)置行程時(shí)間為3秒，同時(shí)打開(kāi)閥門(mén)V002和V004，設(shè)置行程時(shí)間為40秒。仿真結(jié)果如圖9-圖12所示。

圖9 優(yōu)化后正常系列熱交換器出口溫度隨時(shí)間變化曲線

圖10 優(yōu)化后正常系列EDI入口流量隨時(shí)間變化曲線圖

圖11 優(yōu)化后各支路入口流量隨時(shí)間變化曲線圖

圖12 優(yōu)化后正常系列EDI入口壓力隨時(shí)間變化曲線

由圖9-圖12所示，通過(guò)采用優(yōu)化后操作方式，可以有效的減緩水錘幅值的大小，正負(fù)幅值僅為(-1.2%，1.3%)，同時(shí)管道內(nèi)壓力波峰值僅僅達(dá)到0.325MPa，比優(yōu)化前幅值減少了65.5%，很大程度減少了壓力波對(duì)管道系統(tǒng)的損害。

4 結(jié)論

BDS系統(tǒng)作為核動(dòng)力裝置重要的輔助系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備安全、換熱效率等等有重大影響，但是對(duì)其研究的相關(guān)文章量少，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生許多次故障，所以本文使用COSINE程序?qū)DS蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，在完成了調(diào)穩(wěn)工作基礎(chǔ)上，對(duì)核動(dòng)力裝置事故實(shí)際發(fā)生概率較高的換熱器破口事故開(kāi)展事故分析計(jì)算。本文對(duì)核動(dòng)力裝置操作進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。最終得到結(jié)論如下：

1)仿真結(jié)果表明事故發(fā)生110秒后，EDI入口溫度達(dá)到閾值，所以電廠需要在110秒內(nèi)處理破口事故。

2)為了保持事故系列蒸汽發(fā)生器水質(zhì)凈化功能，可以利用疏水管線V002和V004將污水旁排至正常系列的凈化管線，并調(diào)節(jié)每個(gè)蒸汽發(fā)生器排污流量為原來(lái)50%。

3)直接關(guān)閉隔離閥V005由于流量的階躍變化，會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。正負(fù)水錘峰值(-6.8%，1.9%)，并且會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)壓力十分接近設(shè)計(jì)閾值，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備存在較大安全隱患。

4)當(dāng)運(yùn)行人員進(jìn)行事故操作時(shí)，應(yīng)當(dāng)同時(shí)關(guān)閉隔離閥和打開(kāi)旁通支路V002和V004，可以有效減緩水錘效應(yīng)，建議相關(guān)閥門(mén)應(yīng)設(shè)計(jì)同步開(kāi)關(guān)。

5)在換熱器的冷卻下，EDI出口水溫與CDS(設(shè)備冷卻系統(tǒng))冷卻劑入口水溫敏感度較高，因此需要特別關(guān)注CDS系統(tǒng)水溫的變化