AP1000核電站穩(wěn)壓器模型瞬態(tài)響應(yīng)分析

王翔宇

摘 要：該文以國家電投海陽核電AP1000項目一期2臺機組為依托，結(jié)合AP1000穩(wěn)壓器模型參數(shù)、模擬機運行環(huán)境、OVATION系統(tǒng)控制邏輯3個部分模擬，來實現(xiàn)對AP1000機組有代表性的瞬態(tài)事件的模擬響應(yīng)，通過穩(wěn)壓器內(nèi)壓力水位的響應(yīng)變化的分析來驗證模型及其控制邏輯是正確和有效的，并在該前提下作為事故模擬演練及復現(xiàn)的平臺，提高現(xiàn)場人員的風險應(yīng)對能力。

關(guān)鍵詞：AP1000；穩(wěn)壓器；液位控制

中圖分類號：TM44 文獻標志碼：A

1 AP1000控制系統(tǒng)功能

AP1000是西屋公司基于AP600設(shè)計延伸開發(fā)的一種雙環(huán)路1 000 MW級的壓水堆核電機組。其穩(wěn)壓器屬一回路中調(diào)節(jié)壓力的重要設(shè)備，主要功能有壓力調(diào)控、水位調(diào)節(jié)、超壓保護、參與反應(yīng)堆啟動和停堆調(diào)節(jié)、主系統(tǒng)除氣。

基于AP1000穩(wěn)壓器壓力控制要求，其控制主要通過調(diào)節(jié)噴淋閥、卸壓閥，比例加熱器和通斷加熱器來實現(xiàn)，泄壓閥設(shè)定值為17.2 MPa起跳，在控制系統(tǒng)中不再做其設(shè)計工作。壓力調(diào)節(jié)控制信號來源于實際壓力與設(shè)定壓力比較后的壓力偏差信號。

壓力控制方面，為了提高二回路系統(tǒng)的效率，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)始終在高溫下工作，同時為了避免大量的冷卻劑沸騰，RCS需要保持比高溫沸點更大的壓力。

當壓力升高時，將增加一回路超壓的風險，壓力降低時，則可能出現(xiàn)偏離泡核沸騰，正是由于這些原因，RCS壓力在運行過程中始終要被精確調(diào)控。

通過對一回路系統(tǒng)的運行要求分析，可以將穩(wěn)壓器壓力、液位調(diào)節(jié)的主要功能需求歸納為以下內(nèi)容。

（1）在系統(tǒng)正常運行以及正常電廠瞬態(tài)情況下維持一回路冷卻劑壓力及水裝量在限制范圍內(nèi)。

（2）在穩(wěn)態(tài)運行條件下，控制系統(tǒng)應(yīng)能補償穩(wěn)壓器熱損失。

（3）在穩(wěn)壓器壓力、液位調(diào)節(jié)過程中，控制設(shè)備不應(yīng)頻繁動作。

（4）控制系統(tǒng)應(yīng)能相應(yīng)迅速且穩(wěn)定性好。

（5）控制系統(tǒng)應(yīng)有合理的超調(diào)量，對于正常瞬態(tài)的壓力調(diào)節(jié)過程中，不應(yīng)導致噴淋和加熱或者上沖和下泄的同時動作。

為了滿足以上控制需求，控制設(shè)備主要包括2列噴淋閥、3個下泄隔離閥、2臺上充泵、1組比例電加熱器以及4組通斷電加熱器。

模型方面，將穩(wěn)壓器實際存在的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象分為汽、液兩相分區(qū)進行考慮。除此以外，由于穩(wěn)壓器下部波動管線所連接熱管段的冷卻劑溫度低于穩(wěn)壓器下部電加熱區(qū)域?qū)嶋H的冷卻劑溫度，且在波動管冷卻劑進入穩(wěn)壓器下部的瞬間不可能與穩(wěn)壓器中原有液體均勻混合，這也就使得在穩(wěn)壓器下部的液相區(qū)冷卻劑自然地出現(xiàn)由于溫差而導致的分層現(xiàn)象。該文所使用的是海陽核電模擬機中的三區(qū)不平衡模型：汽相區(qū)、主液相區(qū)和波動液相區(qū)。

2 瞬態(tài)響應(yīng)分析

AP1000機組相對于其他核電機組在設(shè)計規(guī)范中有很多特點，比較典型的包括快速降功率系統(tǒng)配合旁排系統(tǒng)的100 %甩負荷設(shè)計，LOCA情況下的ADS自動卸壓系統(tǒng)設(shè)計，非能動堆芯補水系統(tǒng)設(shè)計，非能動余熱導出熱交換器PRHR設(shè)計。對這些特殊工況的響應(yīng)效果是控制系統(tǒng)以及動態(tài)模型驗證的關(guān)鍵。

針對AP1000機組的特點，對控制系統(tǒng)響應(yīng)驗證的工況選擇主要考慮以下幾個因素：1）應(yīng)包括LOCA事件后的響應(yīng)。2）應(yīng)包括100 %甩負荷后的響應(yīng)。3）應(yīng)包括PRHR驅(qū)動后觸發(fā)緊急停堆時的響應(yīng)。

考慮以上因素，對穩(wěn)壓器壓力水位控制系統(tǒng)及模型驗證時，設(shè)置以下兩種工況：1）ADS1～3級自動泄壓系統(tǒng)驅(qū)動的LOCA狀態(tài)。2）PRHR驅(qū)動緊急停堆后的工況。

壓力控制ADS 1-3級動作緊急停堆響應(yīng)：在驗證過程中，可以發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓器壓力在瞬間發(fā)生陡降，穩(wěn)壓器比例電加熱器迅速將開度升為100 %，但由于整體水裝量損失極為嚴重，堆芯補水箱在20 s后開始進行補水。整個事件過程中，穩(wěn)壓器汽空間溫度持續(xù)下降。

2.1 PRHR動作響應(yīng)

穩(wěn)壓器壓力出現(xiàn)負階躍，穩(wěn)壓器比例電加熱器開啟，備用4列電加熱器打開，將穩(wěn)壓器壓力穩(wěn)定在較低水平上。

2.2 液位控制 ADS 1-3級動作緊急停堆響應(yīng)

穩(wěn)壓器水位迅速下降，并掉出調(diào)節(jié)帶范圍，但上沖由于閉鎖未開啟，隨后由于 cmT注水，穩(wěn)壓器水位回升，同時ACC續(xù)壓箱通過壓力注水，只是穩(wěn)壓器內(nèi)部水位上升斜率升高并繼續(xù)升高，在ACC注水結(jié)束后，水位開始下降，但由于 cmT注水以及壓力的迅速降低，水位下降逐漸緩慢。在整個調(diào)節(jié)過程中，可以發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓器內(nèi)部汽空間溫度緩慢下降。

2.3 PRHR動作響應(yīng)

在響應(yīng)過程中可以明顯看到穩(wěn)壓器液位由于冷水涌入冷卻劑收縮而出現(xiàn)急速下降，CVS上沖出口閥門以及上沖泵迅速響應(yīng)，上沖流量迅速提升并穩(wěn)定了穩(wěn)壓器液位，但由于PRHR已經(jīng)動作，其熱阱安全殼內(nèi)換料水箱一直處于冷卻狀態(tài)，導致一回路平均溫度持續(xù)緩慢下降，故上沖流量維持在穩(wěn)定水平且穩(wěn)壓器液位始終伴隨著平均溫度的下降而緩慢下降。

3 仿真結(jié)果分析

在ADS1～3級觸發(fā)的響應(yīng)過程中，由于3級閥門均布置在穩(wěn)壓器頂部，致使一回路冷卻劑迅速從穩(wěn)壓器頂部噴射入IRWST安全殼內(nèi)換料水池，穩(wěn)壓器壓力驟然降低，當壓力低于4.8 MPa時，可以看到壓力有一個簡短的暫緩下降過程，這是由于續(xù)壓箱ACC在氮氣加壓下開始安注，此時為堆芯再淹沒工況，但由于續(xù)壓箱水裝量有限，該過程后穩(wěn)壓器內(nèi)部壓力繼續(xù)迅速下落并最終維持在安全殼內(nèi)部壓力。電加熱器在瞬態(tài)后迅速提升開度至100 %，通斷電加熱器也同樣開啟，但已經(jīng)無法穩(wěn)定其壓力，在 cmT堆芯補水箱動作后，所有電加熱器均關(guān)閉以確保安注過程的順利實現(xiàn)。

在PRHR驅(qū)動響應(yīng)過程中，PRHR觸發(fā)瞬間熱交換器內(nèi)部的低溫冷卻劑迅速流入堆芯，帶來大量的正反應(yīng)性，反應(yīng)堆停堆。一回路整體平均溫度下降、壓力下降，比例及通斷電加熱器迅速開啟，由于一回路冷卻劑持續(xù)通過PRHR導出熱量至IRWST，所以伴隨這一回路平均溫度的下降，一回路壓力最終穩(wěn)定在相對低的水平，約14.2 MPa，該壓力并未達到 cmT觸發(fā)的13.4 MPa，不會帶來更嚴重的后果。

通過對上述調(diào)節(jié)過程的分析可以驗證，在所有選取工況的響應(yīng)測試過程中，穩(wěn)壓器模型以及壓力控制系統(tǒng)的響應(yīng)均符合實際工況的響應(yīng)過程，同時控制系統(tǒng)的動作特性也較好，能夠滿足其控制需求，壓力在正常工況的調(diào)解過程中響應(yīng)迅速、超調(diào)量小，可以實現(xiàn)其控制需求。

由于觸發(fā)的事件為ADS導致的LOCA，一回路壓力及穩(wěn)壓器液位迅速下降，這是因為一回路冷卻劑迅速通過穩(wěn)壓器噴射出去，但由于一回路壓力的降低以及續(xù)壓箱ACC的安注，使液位迅速平穩(wěn)，但仍然存在較緩的下降趨勢。在瞬態(tài)觸發(fā)后20 s時，由于穩(wěn)壓器液位及壓力低過定值而隨即觸發(fā)了 cmT安注信號，由于 cmT內(nèi)水裝量較大，其補水迅速通讓穩(wěn)壓器液位回升，由于 cmT上部與一回路冷腿向連接，其補水隨著一回路與 cmT間的壓力平衡而逐漸放緩，最終可以看到穩(wěn)壓器液位基本穩(wěn)定，只存在緩慢的下降過程，這個過程也最終會觸發(fā)ADS第4級的動作以及IRWST的補水，并使得整個堆芯與安全殼內(nèi)部環(huán)境聯(lián)通。通過前面的控制策略可以知道，此時為了防止CVS上沖泵出口壓力導致 cmT本身注水的影響，在邏輯中閉鎖了上沖泵打開，所以整個響應(yīng)過程中不存在上充流量的響應(yīng)。

4 結(jié)語

該文主要通過AP1000中較為常見以及特有的部分運行瞬態(tài)進行了選擇，隨后對各類瞬態(tài)情況下的響應(yīng)情況進行了描述。最后通過對其響應(yīng)過程的分析來實現(xiàn)對控制系統(tǒng)以及穩(wěn)壓器動態(tài)模型性能的驗證。

參考文獻

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