ESPRIT臺(tái)架啟動(dòng)試驗(yàn)RELAP5程序預(yù)先模擬研究

李峰　黃慧劍　陳偉

【摘 要】華龍一號(hào)核電廠設(shè)置有二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)（Passive Residual Removal System，PRS系統(tǒng)）。為驗(yàn)證該非能動(dòng)系統(tǒng)的可用性，開展了二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，試驗(yàn)臺(tái)架為ESPRIT。本文利用熱工水力系統(tǒng)分析程序RELAP5對(duì)ESPRIT臺(tái)架進(jìn)行建模。針對(duì)啟動(dòng)試驗(yàn)工況進(jìn)行預(yù)先計(jì)算分析，研究PRS系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和主要現(xiàn)象，為啟動(dòng)試驗(yàn)提供參考。

【關(guān)鍵詞】ESPRIT；二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)；RELAP5

華龍一號(hào)二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)（PRS系統(tǒng)）利用放置在換熱水箱內(nèi)的熱交換器，將蒸汽發(fā)生器二次側(cè)產(chǎn)生的蒸汽冷卻，進(jìn)而將熱量釋放到換熱水箱。蒸汽冷卻產(chǎn)生的凝水通過管道流回到蒸汽發(fā)生器。蒸汽發(fā)生器吸收一回路冷卻劑的熱量產(chǎn)生蒸汽，再流入到熱交換器中，這樣就形成了兩相自然循環(huán)流動(dòng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)停堆后能夠長(zhǎng)期排出堆芯余熱和儲(chǔ)熱，保證反應(yīng)堆處于安全狀態(tài)。

為驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行能力，建立了二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架ESPRIT。試驗(yàn)內(nèi)容包括了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)和啟動(dòng)試驗(yàn)。在啟動(dòng)試驗(yàn)前，首先利用RELAP5程序?qū)?dòng)試驗(yàn)進(jìn)行了預(yù)先計(jì)算研究，獲得試驗(yàn)過程中的主要現(xiàn)象，為啟動(dòng)試驗(yàn)提供支持和參考。

1 ESPRIT臺(tái)架

ESPRIT實(shí)驗(yàn)裝置流程圖見圖1，該系統(tǒng)主要由蒸汽發(fā)生器模擬體（SG）、蒸汽管道、蒸汽管道手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、蒸汽管道文丘里流量計(jì)、冷卻器（EX）、凝水管道、凝水管道手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、凝水管道快開（關(guān)）閥、凝水管道文丘里流量計(jì)、凝水管道阻力件、總給水管道手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、總給水流量計(jì)、1#應(yīng)急補(bǔ)水箱模擬體、2#應(yīng)急補(bǔ)水箱模擬體、補(bǔ)水箱模擬體下游快開（關(guān)）閥、補(bǔ)水箱模擬體支路流量計(jì)、補(bǔ)水箱模擬體支路手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、事故冷卻水箱模擬體、蒸汽排放支路管道、蒸汽排放支路氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、蒸汽支路排放手動(dòng)截止閥、大氣旁路排放閥和安全閥等組成。

SG蒸汽發(fā)生器；ST事故冷卻水箱模擬體；HT加熱器；FEV文丘里流量計(jì)；EST應(yīng)急補(bǔ)水箱；SV安全閥；EX應(yīng)急余熱排出冷卻器模擬體；LV手動(dòng)調(diào)節(jié)閥；CHV止回閥；V手動(dòng)截止閥；PV氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥；HVS快開閥。

2 RELAP5程序模型

將實(shí)驗(yàn)裝置主要分成蒸汽發(fā)生器模擬體、蒸汽管道、冷卻器、凝水管道和補(bǔ)水箱支路等部分進(jìn)行程序建模。RELAP5程序模型圖見圖2。3 啟動(dòng)試驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)過程中功率按照給定變化曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)，曲線形狀為原型PRS系統(tǒng)投入后通過蒸汽發(fā)生器向二次側(cè)導(dǎo)出的功率曲線。實(shí)驗(yàn)工況見表1。工況1考慮瞬態(tài)過程中補(bǔ)水箱可用，稱為注水啟動(dòng)。工況2不考慮補(bǔ)水箱投入，稱為液柱啟動(dòng)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置RELAP5程序模型圖

表1 啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)工況

啟動(dòng)試驗(yàn)1試驗(yàn)方法如下：

1）在換熱器支路啟動(dòng)閥和補(bǔ)水箱支路啟動(dòng)閥關(guān)閉的狀態(tài)下，通過調(diào)整上充流量和蒸汽發(fā)生器模擬體氣動(dòng)閥開度，建立功率為0.5MW，壓力為7.85MPa的（水和蒸汽溫度均為飽和溫度）蒸汽發(fā)生器模擬體初始工況。

2）逐漸增大蒸汽發(fā)生器模擬體氣動(dòng)閥開度，同時(shí)逐漸提升U形電加熱元件功率，待功率3.13%額定功率穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)于20s且蒸汽發(fā)生器模擬體壓力和水位達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，投入功率曲線，同時(shí)開啟換熱器支路啟動(dòng)閥、關(guān)閉蒸汽發(fā)生器模擬體氣動(dòng)閥。大氣旁路排放閥閥門根據(jù)壓力信號(hào)開啟和關(guān)閉，開啟定值為7.85MPa，關(guān)閉定值為7.5MPa。

3）蒸汽發(fā)生器模擬體內(nèi)水位低至設(shè)定值，手動(dòng)開啟補(bǔ)水箱支路啟動(dòng)閥，補(bǔ)水箱開始向蒸汽發(fā)生器模擬體注水。

4）待補(bǔ)水箱注水量達(dá)到設(shè)定時(shí)（補(bǔ)水箱水位低于0.1m），關(guān)閉補(bǔ)水箱支路啟動(dòng)閥停止向補(bǔ)水箱注水。

啟動(dòng)試驗(yàn)2試驗(yàn)方法與啟動(dòng)試驗(yàn)1的差別是：瞬態(tài)中不開啟補(bǔ)水箱支路啟動(dòng)閥。

4 RELAP5程序模擬

4.1 初始點(diǎn)模擬

啟動(dòng)試驗(yàn)1和2初始點(diǎn)狀態(tài)相同，程序使用的調(diào)節(jié)方法為：

Step1：不引入功率。初始水溫為20℃，蒸汽管道排氣閥打開，給定壓力邊界為1MPa，給定模擬體初始水裝量，水位為14.267m，其余部分為飽和蒸汽。

Step2：投入模擬體熱源，假定功率為300kW，模擬體內(nèi)水蒸發(fā)，系統(tǒng)壓力逐漸上升，水蒸氣通過蒸汽管道排氣閥排出。當(dāng)壓力升高一定程度后，關(guān)閉排氣閥，手動(dòng)打開大氣旁路排放閥閥門排出冷卻劑，使蒸汽發(fā)生器下降段水位下降到9.2m。

Step3：模擬體熱源功率加到600kW，關(guān)閉大氣旁路排放閥閥門，系統(tǒng)壓力繼續(xù)上升。當(dāng)壓力升高到7.85MPa時(shí)，投入PRS系統(tǒng)。

4.2 瞬態(tài)模擬

在初始點(diǎn)調(diào)節(jié)Step3中，當(dāng)壓力達(dá)到7.85MPa時(shí)，打開換熱器支路啟動(dòng)閥。啟動(dòng)試驗(yàn)1中打開補(bǔ)水箱支路啟動(dòng)閥。啟動(dòng)試驗(yàn)2中不打開補(bǔ)水箱支路啟動(dòng)閥。

4.2.1 環(huán)路流量

與注水啟動(dòng)1相比，液柱啟動(dòng)2流向蒸汽發(fā)生器模擬體的流量偏低，但是流經(jīng)換熱器的流量偏高，可見由于投入補(bǔ)水箱支路抑制了換熱器支路流量（圖3、圖4）。

注水啟動(dòng)1中，在補(bǔ)水箱被隔離后，換熱器支路流量上升更快。

圖3 總凝水流量

圖4 換熱器支路流量

4.2.2 環(huán)路壓力

由于液柱啟動(dòng)2流經(jīng)換熱器流量較大，因此，其換熱能力較高，系統(tǒng)壓力下降較快。注水啟動(dòng)1中大氣旁路排放閥開啟5次，而液柱啟動(dòng)2中僅開啟3次（圖5）。

圖5 蒸汽壓力

4.2.3 蒸汽發(fā)生器模擬體下降段液位

注水啟動(dòng)1中在補(bǔ)水箱投入后，液位逐漸上升，約3600s時(shí)水位最高達(dá)到14m，隨后逐漸下降。液柱啟動(dòng)2中液位快速上升，隨后緩慢下降，約3500s后液位出現(xiàn)震蕩（圖6）。

圖6 蒸汽發(fā)生器模擬體下降段水位

5 結(jié)論

針對(duì)PRS系統(tǒng)啟動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行了RELAP5程序模擬預(yù)算，結(jié)果顯示啟動(dòng)過程呈現(xiàn)以下特征：

（1）兩種啟動(dòng)過程均能順利建立自然循環(huán)流量，并形成穩(wěn)定的自然循環(huán)，排出系統(tǒng)熱量；

（2）液柱啟動(dòng)早期排熱功率高于注水啟動(dòng)，系統(tǒng)壓力下降更快，大氣旁路排放閥開啟次數(shù)更少；

（3）注水啟動(dòng)早期流向蒸汽發(fā)生器模擬體的流量較高，模擬體下降段液位上升更高。

【參考文獻(xiàn)】

[1]RELAP5v3.2 code maual， NUREG/CR-5535[Z].

[責(zé)任編輯：王楠]