船用一體反應堆啟停系統的設計

李常偉 蔡報煒 郭 銳

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

0 引 言

船用一體反應堆結構緊湊、固有安全性高，在中小型反應堆的發展中具有很大優勢［1］。船用一體反應堆直流蒸汽發生器在啟動過程中，其負荷隨著反應堆功率的提升而增加［2］，在實際運行中，規定當反應堆功率達到一定值時蒸汽發生器出口蒸汽過熱度達到要求，繼續提升堆芯功率，二回路側主要依靠給水流量的增加實現跟隨。直流蒸汽發生器的停止過程是啟動過程的逆過程，主要參數的變化趨勢與啟動過程相反。

在套管式直流蒸汽發生器中，一回路冷卻劑在內管內側和外管外側自上向下流動，加熱窄縫間隙中流動的二回路水，使沿著窄縫間隙長度方向流體空泡份額發生變化：從進口的過冷水到出口的過熱蒸汽，經過過冷水、汽液兩相和過熱蒸汽3個流動過程。研究中發現，隨著堆芯功率的變化，沿間隙長度方向各段的長度會發生變化。隨著反應堆功率的降低，OTSG傳熱管的過冷區和沸騰區的長度都會減小，過熱區的長度增加；當堆芯功率降低至一定水平時，過熱區的長度占據整個OTSG換熱管的絕大部分，如圖1所示。

圖1 過熱區長度隨反應堆功率的變化

在不同的功率條件下，直流蒸汽發生器中3個區間的長度發生變化。由圖中可以看出，在功率比較低時單相水區所占的比例較小，管道中大部分都是過熱蒸汽段，由于過熱段有很強的可壓縮性，使流動不穩定性發生的可能性增大；而且，由于過冷區和沸騰區的長度都大幅減小，二回路側流體在過冷區和沸騰區的對流換熱系數遠遠大于其在過熱區的對流換熱系數，即過冷區和沸騰區承擔了主要的換熱任務。由于在低功率下，過冷區和沸騰區的長度變得很小，造成傳熱管在此部分的溫度梯度變得很大，這會給傳熱管帶來較大的熱沖擊，并可能導致傳熱管熱疲勞變形甚至破裂。

對于固定的系統，其進口過冷度、系統壓力和熱流密度都是確定的，由第4章的結論可以得出，只能通過改變進口的節流系數來提高系統的穩定性；當節流系數確定后，在不同的負荷工況下產生的節流壓降是不相同的（如圖2所示），此為不同負荷下，進口節流壓降隨給水流量的變化情況。

圖2 入口節流壓降隨反應堆功率的變化

可見，在低負荷工況下，進口給水流量比較小，節流產生的壓降很小，因此系統在低功率下運行時可能使系統的穩定性降低。

為了避免流動不穩定等不安全現象，反應堆啟動時可以采用以下方案：反應堆功率從零功率開始增大時，OTSG二回路側提供一定的給水流量。由于給水流量大于當前功率點處的穩態流量，所以剛開始時OTSG出口不會產生過熱蒸汽，其出口流體為單相水或汽水混合物。隨著功率的提升，OTSG在一定功率點處達到穩態，產生符合要求的過熱蒸汽，這樣的蒸汽才準許送入汽輪機系統。此后，功率的提升和給水流量的增加將是相互匹配的，即根據汽輪機的負荷要求，反應堆功率跟隨二回路給水流量的變化以滿足汽輪機系統的要求，OTSG出口不應該出現水或汽水混合物。OTSG的停止過程與啟動過程在原理上是相同的，僅操作順序上有如下區別：首先，功率和給水流量同步降低；當功率降到一定值時，給水流量也保持在一定值不再變化，直至余熱排出系統投入運行。

為保證汽輪機系統的安全，在汽輪機運行過程中產生的不符合要求的水以及汽水混合物和飽和蒸汽、微過熱蒸汽均不允許進入汽輪機系統。因此需設置專門系統來收集和處理這部分流體，將其中的水直接排入冷凝器熱阱，同時將其中的蒸汽凝結成水，并降低至符合要求的溫度和壓力值后，再 送入凝給水系統，從而實現OTSG安全啟停和二回路側流體循環利用。這個系統就是啟停輔助系統。

1 啟停輔助系統的設計

在一體化反應堆啟動和停止過程中，啟停輔助系統起著至關重要的作用，通常可分為內置式汽水分離器啟動系統和外置式汽水分離器啟動系統，可以帶循環啟動也可以不帶循環啟動。在啟動過程中，需要有一定的啟動參數，如啟動壓力、啟動流量和啟動速度等。啟動壓力的選取主要與受熱面的水力特征，工質膨脹現象，節流閥的腐蝕和給水泵的電耗等有關，為了保證一體化反應堆啟動時水動力穩定，避免脈動，減少膨脹量，同時也為了減少節流閥腐蝕、噪聲和給水泵電耗，啟動壓力應該適當選取，流量的大小直接影響到啟動的安全性和經濟性。啟動流量越大，工質流經受熱面的質量流速也越大。這對受熱面的冷卻，改善水動力特性都是有利的，但工質的損失和熱量的損失也相應增加，啟動旁路系統的設計容量及電動給水泵的容量也要加大。反之，啟動流量過小，受熱面冷卻和水動力穩定就得不到保證。因此，啟動流量的選擇是在保證受熱面得到可靠冷卻和工質流動穩定的條件下盡可能選擇的小些；在機組啟動過程中，機組的啟動時間主要取決于蒸汽的升溫速度，受熱部件中厚壁部件較少，工質元件受熱或冷卻容易達到均勻，升溫冷卻速度較快，啟停時間較短。因此，一體化反應堆在啟停過程和直流鍋爐的啟動控制系統相似，可以借鑒直流鍋爐的啟動控制系統設計思路［3］。

1.1 直流鍋爐啟停輔助系統的設計

直流鍋爐沒有汽包，在鍋爐啟停以及低負荷變壓運行時，工質參數未達到臨界點以上時，從水冷壁出來的汽水混合物如果直接進入各級過熱器，會造成水擊、熱應力和受熱面破管等事故［4-5］，。因此直流鍋爐均設有1套啟動系統，以適應啟停工況與低負荷變壓運行工況。在直流鍋爐的啟動系統中，汽水分離器是關鍵設備，它的作用是分離從水冷壁出來的汽水混合物。從汽水分離器分離出來的蒸汽通過汽水分離器頂部引出管進入鍋爐尾部包墻，然后依次流經一級過熱器、屏式過熱器、中間過熱器和末級過熱器，最后由主汽管道引出。分離出來的飽和水進入儲水罐，儲水罐內保持一定的水位。當水位升至高水位時，及時排除儲水罐內的飽和水，防止把水帶入受熱面。儲水罐排出的水如果水質合格，就回收到汽水循環系統中；如果水質不合格，就排放到排污擴容器中。

直流鍋爐啟動系統按分離器正常運行時是否參與系統工作可以分為內置式分離器啟動系統和外置式分離器啟動系統，見圖3。

圖3 內置式分離器和外置式分離器對比

外置式分離器啟動系統是指分離器不參與系統運行，啟動后即切除。外置式汽水分離器只在啟動和低負荷時使用，正常直流運行中切除，適用于定壓運行機組。內置式分離器啟動系統是指汽水分離器串聯在水冷壁與過熱器之間，在鍋爐啟動和低負荷運行時，鍋爐帶分離器運行時，蒸汽先經過分離器進行汽水分離，飽和蒸汽進入過熱器，飽和水排至儲水罐。當鍋爐直流運行時，從水冷壁出來的微過熱蒸汽經過分離器，進入過熱器，此時分離器僅起連接通道作用。其優點是操作簡單，不需切除分離器，在反應堆運行過程中，分離器一直處于熱狀態，當蒸汽發生器負荷降低，蒸汽發生器需要投入工作時，無需預熱汽水分離器，也沒有閥門開啟的動作，運行更加簡單可靠，適用于變負荷運行，簡化了系統。但其缺點是分離器要承受鍋爐全壓，對其強度和熱應力要求高并且汽水阻力較大。因此內置式汽水分離器啟動系統適用于變壓運行鍋爐。

根據直流鍋爐啟動過程中，汽水分離器分離出水的循環方式，可以分為帶循環系統和不帶循環簡易系統兩大類，見圖4。

圖4 帶循環和不帶循環啟動系統

在帶循環的啟動系統中，汽水分離器一部分疏水被引至循環泵入口，經循環泵升壓后送至省煤器入口，使鍋爐給水在熱力系統中循環。在鍋爐點火初期，啟動循環泵，可以保證經過水冷壁的流量達到規定值。這種系統較為復雜，設備及材料投資較大，但它的優點在于工質熱量損失較少，可以縮短啟動時間，在啟動階段可以節約燃料，降低使用成本。在不帶循環的簡易系統中，分離器分離出來的飽和水直接排至汽輪機冷凝器，這樣使工質熱量損失較大、燃料消耗較多，而且鍋爐啟動時間相對較長。但其投資少，設備檢修維護工作量也小。

綜上所述，直流鍋爐的啟動系統根據汽水分離器類型可以分為內置式汽水分離器啟動系統和外置式汽水分離器啟動系統，根據分離器分離出的飽和水的循環方式可以分為帶循環的啟動系統和不帶循環的啟動系統。它們各有優缺點，在直流鍋爐的設計過程中，應綜合考慮機組承擔的發電任務、燃料價格、設備造價等各方面的因素，通過技術經濟比較，選擇最優化的方案。

1.2 一體化反應堆啟停輔助系統的設計

直流鍋爐的啟動系統功控制復雜，控制閥門數量較多，往往采用外置式汽水分離器，汽水分離器材料要求較低，容易產生流動波動。一體化反應堆啟停輔助系統在一定程度上與直流鍋爐的啟動系統相似，其主要功能是在反應堆啟動或停止時，對直流蒸汽發生器產生的汽水混合物進行處理，并避免流動不穩定的產生，其控制系統相對于直流鍋爐更簡單，結構更簡化，采用內置式汽水分離器，閥門數量減少，系統的安全性及對汽水分離器的材料要求高。

在本文的一體化反應堆二回路系統中，給水溫度為373 K，汽水分離器分離出的飽和水溫度在506 K左右。隨著堆芯功率的提升，分離器分離出的飽和水流量不斷減小，如果采用帶循環的系統，在給水進入蒸汽發生器之前會有與分離器分理處出來的水混合的過程，而且混合后水的溫度會不斷減小，這會對混合部分管道造成一定的熱應力，對運行的安全性產生影響；同時，考慮到一體化反應堆體積的限制，我們采用不帶循環的系統。因此本文設計的啟停輔助系統系統如圖5所示。

圖5 直流蒸汽發生器啟停輔助系統圖

當啟停輔助系統投入運行時，汽水分離器起著分離汽水混合物的作用，其中的蒸汽進入汽輪機管道進行暖管，然后經疏水系統進入冷凝器。分離出來的水先作為熱源加熱二回路的給水，從熱交換器出來的水進入冷凝器進行冷卻，然后經過給水泵加壓后作為二回路的給水，這樣可以有效地利用汽水分離器分離出的飽和水的熱量，提高了給水的溫度，可以在相同的加熱功率條件下得到更多的飽和蒸汽流量；當直流式蒸汽發生器出口變為過熱蒸汽時，啟停輔助系統停止使用，汽水分離器作為蒸汽流過的通道。

2 啟停輔助系統的仿真

陳五星［6］通過JTopmeret程序對直流蒸汽發生器啟停輔助系統方案及相應的控制方式進行仿真建模分析；劉建閣等［7］通過RELAP5程序對一體化輕水堆穩壓器汽腔破口事故和主泵斷電引起的喪失流量事故進行安全分析。

核動力系統在設計時需要詳細評價各種運行瞬態和意外事件瞬態，進行核安全分析，以便掌握運行規律和各種事故規律，從而制定出應對各種運行狀態和事故的處理規程，并作為操作員的處理原則。為了合理評價這些運行瞬態和意外事件，就需要有一套行之有效的分析方法和工具。

目前已經有了一系列相當成熟的計算機程序來預測反應堆在運行過程中的瞬態行為，按其方法可分為兩類：一類是保守評價模型，采用偏于安全的模型或使用保守計算條件來評價一個即將建造的反應堆是否符合官方規定的安全準則；另一類是最佳估算程序，根據系統設備“最佳可用性”原則，力求盡可能準確地模擬反應堆系統的運行特性，去掉了一些不必要的保守性，從而評價系統瞬態響應行為［8］。RELAP程序是其中一個典型的輕水堆熱工水力分析程序，可以進行保守計算和最佳估算。

RELAP程序是由美國愛達荷國家工程實驗室開發、美國核管會（NRC）批準，用于工程審評的大型瞬態熱工水力計算程序［9］，可用于規程制定、審評計算、事故減緩措施的評價、操作員規程評價和實驗計劃的分析等各個領域。RELAP5程序也已成為核電廠分析器的基礎，幾乎可以覆蓋核電廠所有熱工水力瞬變和事故譜。從1967年開始研制到RELAP5/MOD3投入使用有20多年。在RELAP5/MOD3.4版本中，集中了人們在兩相流理論研究、數值求解方法、計算機編程技巧以及各種規模實驗等方面取得的研究成果［10］。本文應用RELAP5程序對套管式一體化壓水堆二回路特性進行研究，建模的關鍵部分是套管式直流蒸汽發生器以及板狀燃料元件的窄縫隙換熱模型。劉建閣等［11］利用RELAP5/MOD3.4程序對套管式直流蒸汽發生器的運行特性進行了研究，結果表明RELAP5/MOD3.4程序可以近似分析套管式直流蒸汽發生器有效傳熱區的流動和傳熱規律。

2.1 啟停輔助系統節點圖

本文在兩相流動不穩定性的研究中，采用電加熱模擬一回路動作的思路，如下頁圖6所示；在啟停輔助系統的設計中，為了使仿真的結果更加真實，加入一回路的程序，包括堆芯、穩壓器和主泵等關鍵設備，一、二回路節點圖分別如下頁圖7所示。圖 中110、120、210、220、310、320、410、420代表一回路的流通通道，130、230、330、430代表二回路流通通道，控制體512接給水泵111，控制體515接pipe010，014p代表堆芯，采用電加熱的方式模擬堆芯的功率變化，026p為穩壓器，131閥門，132為時間相關控制體，限制了穩壓器的壓力。啟停輔助系統部分節點圖如7所示，507為汽水分離器部件，508為蒸汽出口，TMDPSV510規定了出口蒸汽的壓力和溫度。512為液體回路接管，此通路的水流入冷凝器熱阱，TMDPSV526規定了進入冷凝器流體的壓力和溫度，TMDPSV528規定了從冷凝器出來的給水溫度，二回路給水在進入蒸汽發生器之前先與汽水分離器出來的水進行換熱，190為換熱元件。

圖6 二回路節點圖

圖7 一、二回路節點圖

2.2 啟停輔助系統驗證

為了對啟停輔助系統的功能進行驗證，在反應堆運行時可以采用固定二回路給水流量不變，改變堆芯加熱功率的方法進行研究，此時一回路平均溫度變化很大。若固定堆芯加熱功率不變，改變二回路給水流量時，一回路平均溫度變化不大。所以，為避免產生大的溫度變化，以后的研究決定采用固定堆芯加熱功率，改變二回路流量的方法進行。

研究中發現，對于特定的結構來說，加入足夠的入口節流可以提高系統的穩定性，防止管間脈動流動不穩定性的發生，但是當給定一定的入口流量，逐漸增加加熱功率時，蒸汽發生器出口含汽率會增加，當平衡態含汽率接近1.0時，在出口處會出現流量的震蕩，直到出口的平衡態含汽率大于1.0時才會穩定運行。

確定了初步方案后，將一回路、蒸汽發生器和啟停輔助系統的程序連起來，驗證啟停輔助系統的可行性。為保持蒸汽發生器中有足夠的水位，在啟動過程中將二回路的流量設定為總流量的40%（35.5 kg/s），堆芯功率從總功率的0%（0.0 MW）開始增加到滿功率的40%（88.0 MW）。

由圖7可知，給水進入蒸汽發生器前先由汽水分離器分離出的飽和水進行加熱，經過換熱器后的給水溫度會高于初始給水溫度。為了驗證換熱器的功能，我們取使用換熱器和不使用換熱器時蒸汽發生器進口溫度作對比，結果見圖8。

圖8 蒸汽發生器進口溫度比較

由圖8可見，使用換熱器時，蒸汽發生器進口水溫度先升高然后降低，這是因為換熱器中加熱水是來自汽水分離器分離出的水，在運行初期由于反應堆功率很低，蒸汽發生器出口水仍為過冷水，分離出的水傳遞給二回路給水的熱量很少，因此經過換熱器后的給水溫升較小；隨著功率的升高，汽水分離器分離出來的水溫度升高，換熱器出口的給水溫度也逐漸升高；而在運行后期，隨著反應堆功率升高，蒸汽產量越來越高，由分離器分離出的飽和水不斷減少，給水的溫度逐漸降低，從而形成圖8所示的溫度峰值。

同時，記錄未加入換熱器時汽水分離器分離出的蒸汽量，并與加入換熱器時汽水分離器分離出的蒸汽量作對比，結果見下頁圖9。由圖9可見：未加入換熱器時，蒸汽量的變化較陡；加入換熱器后，蒸汽量的變化趨緩，且汽水分離器分離出的蒸汽提前出現。這在一定程度上可以縮短啟動時間，同時減小出口蒸汽量的變化率，使蒸汽發生器有足夠時間應對蒸汽量的變化，減緩汽水分離器負載量的變化率，有利于蒸汽發生器和汽水分離器的安全。

圖9 加換熱器后汽水分離器蒸汽產量比較

汽水分離器是啟停輔助系統中的關鍵設備，為了驗證汽水分離器的功能，記錄汽水分離器的出汽量和液體回落量（見圖10），由圖10可見，隨著功率的增大，汽水分離器出口含汽率不斷增大，由分離器分離出的飽和蒸汽產量不斷增加，而分離出的飽和水量呈減小趨勢，則證明汽水分離器可以實現其功能。

圖10 汽水分離器出汽量和液體回落量

由以上分析可見，在本文所設計的啟停輔助系統中，各關鍵設備均可較好實現其功能，從而證明本文所設計的啟停輔助系統可行性。

3 結 語

本文通過借鑒直流鍋爐啟動系統的特點，設計一體化反應堆的啟停輔助系統，在設計的系統中，直流蒸汽發生器產生的兩相混合物進入汽水分離器，分離出的蒸汽進入汽輪機管道暖管，然后經過疏水系統進入冷凝器熱阱；分離出的飽和水與給水泵的給水進行換熱，然后流入冷凝器的熱阱。加入啟停輔助系統后，除了處理套管式直流蒸汽發生器產生不符合參數的流體外，同時提高了啟停過程中蒸汽發生器的給水溫度，縮短了啟動過程，也增加了系統的安全性。