核電廠堆頂風(fēng)機運行工況分析

劉鵬飛 張雁

中圖分類號：TM623 文獻標(biāo)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(qū)動系統(tǒng)冷卻設(shè)計不同于M310堆型機組和VVER機組，從安全要求，系統(tǒng)部件設(shè)置，事故后果分析等給出一個全新的概念，不同以往的常規(guī)配置。本文針對某堆型的控制棒驅(qū)動機構(gòu)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)進行了初步探討，系統(tǒng)分析了它的特點和不同之處。

關(guān)鍵詞 控制棒操作機構(gòu) 堆頂風(fēng)機 冷卻

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

一、系統(tǒng)特點

非能動堆型的控制棒驅(qū)動機構(gòu)冷卻系統(tǒng)CRDM設(shè)計與M310堆型RRM系統(tǒng)及VVER的KLA30系統(tǒng)不同之處在于：

1.系統(tǒng)簡單化，取消了為此設(shè)置的通風(fēng)及為通風(fēng)系統(tǒng)服務(wù)的相關(guān)管道和部件，使得反應(yīng)堆本體周圍的空間利用更充分。2.取消了為此設(shè)置的空氣冷卻器裝置，減少了與輔助系統(tǒng)的接口。3.通風(fēng)機在堆本體一體化堆頂布置，并且改為軸流式風(fēng)機。

二、系統(tǒng)運行壓力分布分析

（一）風(fēng)機吸入段壓力分布

堆頂一體化結(jié)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)為兩臺風(fēng)機并聯(lián)運行，系統(tǒng)的阻力處于一個比較穩(wěn)定的運行工況。由于風(fēng)機進口形成的阻力與風(fēng)機出口形成的阻力數(shù)值相差較大，因此要求風(fēng)機動壓壓力不是很高。由于控制棒操縱機構(gòu)的組成比較復(fù)雜。因此操縱機構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)的8個進風(fēng)門在圓筒的360o范圍均勻布置。

（二）風(fēng)機壓出段壓力分布

從堆頂風(fēng)機的工作狀態(tài)要求分析，風(fēng)機入口的壓力分布可以確定，但是風(fēng)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(nèi)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(guī)，安全殼大氣應(yīng)該保持微負壓狀態(tài)在-10-30Pa左右，對于堆頂風(fēng)機的排風(fēng)是有利的。所以堆頂風(fēng)機在排風(fēng)過程中是可以節(jié)省部分動能的，對風(fēng)機運行有利和節(jié)能。

（三）風(fēng)量平衡計算

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

（四）風(fēng)機電功率消耗分析

風(fēng)機在性能試驗時配套的電機功率為45Kw，但是性能試驗結(jié)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(fēng)量和壓力滿足設(shè)備規(guī)格書的要求時，風(fēng)機最大電能消耗不會超過37kw的標(biāo)準配套電機所能提供的電能。

（五）考慮安全殼內(nèi)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(fēng)機運行和系統(tǒng)的穩(wěn)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(nèi)電機功率的配套37kw之上只有45kw的產(chǎn)品，因此電機實際能耗并不高，不會使得電機過載出現(xiàn)事故。

三、系統(tǒng)熱力工況分析

（一）CRDM堆控制棒操縱機構(gòu)發(fā)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(fā)熱量。根據(jù)反應(yīng)堆功率的變化而動作，提升或者下降到堆芯內(nèi)部反應(yīng)區(qū)。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(gòu)中間，這部分熱量是在不斷變化的（控制棒留在堆芯內(nèi)的數(shù)量不確定，根據(jù)反應(yīng)堆功率和反應(yīng)性的大小而變化）。當(dāng)堆功率達到最大時，控制棒反而帶出的熱量少。2.堆腔傳導(dǎo)過來的熱量。堆頂蓋和控制棒驅(qū)動機構(gòu)一體化，反應(yīng)堆本身產(chǎn)生的熱量由于設(shè)備結(jié)構(gòu)本身的導(dǎo)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(dǎo)到堆頂結(jié)構(gòu)部分。根據(jù)經(jīng)驗和一些資料分析，常規(guī)的通風(fēng)冷卻只要風(fēng)量足夠大，不需要采取其他措施。按照常規(guī)分析，75-82℃的堆頂控制棒驅(qū)動機構(gòu)排氣溫度應(yīng)該是堆頂機構(gòu)在正常通風(fēng)冷卻的情況下運行時出口的最大值。3.控制棒和灰棒的導(dǎo)管傳遞熱?？刂瓢艉突野舻膶?dǎo)管都是直接通到堆芯反應(yīng)區(qū)的。它對通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的熱負荷造成直接影響。所以在沒有準確計算的基礎(chǔ)上，只是給出控制棒操作機構(gòu)內(nèi)部的溫度只要不高于200℃就是可以接受的限值溫度是根據(jù)驅(qū)動機構(gòu)實驗得出的，而且經(jīng)過安全風(fēng)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(gòu)空間內(nèi)部的溫度小于200℃時，操作機構(gòu)的勵磁線圈就不會失效而發(fā)生掉棒事故。但是一旦發(fā)生掉棒事故，反應(yīng)堆本體在設(shè)計時已經(jīng)考慮了可以適應(yīng)和接受一根或幾根控制棒掉落的事故影響。所以堆頂風(fēng)機冷卻系統(tǒng)沒有考慮安全功能要求。但是堆頂風(fēng)機和風(fēng)閥按照抗震2類要求，在SSE時要求保證設(shè)備的完整性，不會影響到堆頂一體化結(jié)構(gòu)的整體安全性能。

四、運行工況分析

控制棒驅(qū)動機構(gòu)進氣口的空氣溫度就是安全殼內(nèi)環(huán)境溫度，安全殼環(huán)境溫度在21-38℃之間。最不利情況下，堆頂風(fēng)機進口空氣溫度75-82℃，所以在安全殼大氣環(huán)境溫度和控制棒驅(qū)動機構(gòu)冷卻風(fēng)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(fēng)機一旦失去電源時可以形成自然循環(huán)來冷卻控制棒驅(qū)動機構(gòu)，帶走驅(qū)動機構(gòu)內(nèi)部線圈產(chǎn)生的熱量。

（一）控制棒驅(qū)動機構(gòu)基本沒有濕量的產(chǎn)生

安全殼內(nèi)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(nèi)使得安全殼大氣絕對含濕量上升，而且驅(qū)動機構(gòu)內(nèi)部大量的散熱量和大的通風(fēng)量會很快使得進入驅(qū)動機構(gòu)內(nèi)部空氣的相對濕度得以迅速降低，不會對堆頂風(fēng)機這一套空氣冷卻設(shè)備產(chǎn)生影響，同時對于控制棒驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)備組成構(gòu)件不會產(chǎn)生影響。

（二）控制棒操作機構(gòu)內(nèi)部工作溫度

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

五、堆頂冷卻風(fēng)機帶走的熱量

堆頂風(fēng)機運行有兩個工況：

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

（一）系統(tǒng)監(jiān)測點

1.系統(tǒng)流量監(jiān)測-就地控制室顯示及報警系統(tǒng)空氣氣體壓力監(jiān)測。2.系統(tǒng)輻照劑量監(jiān)測-就地控制室報警。3.系統(tǒng)運行系列切換信號顯示-就地控制室顯示。

（二）堆頂風(fēng)機的運行監(jiān)測

堆頂風(fēng)機本身和系統(tǒng)需要監(jiān)測的參數(shù)有以下幾點：1.風(fēng)機進氣溫度顯示。2.風(fēng)機排氣溫度顯示。3.風(fēng)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(fēng)閥運行狀態(tài)顯示-就地控制室顯示。9.風(fēng)機振動監(jiān)測。

（三）系統(tǒng)試驗

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

六、設(shè)備運行故障的風(fēng)險分析

（一）失電工況分析

堆頂風(fēng)機出口的閥門電動執(zhí)行機構(gòu)在失電情況下，可以依靠機構(gòu)內(nèi)部的彈簧自動復(fù)位打開閥門，保持流道通風(fēng)功能。

（二）電機高溫運行分析

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

七、存在問題的討論

1.風(fēng)閥泄漏率。由于風(fēng)閥在安全殼大氣環(huán)境中工作，風(fēng)機吸入和排出也都處在這個環(huán)境中，所以對于風(fēng)閥的殼體對外泄漏率為零的要求可以適當(dāng)降低。2.堆頂一體化結(jié)構(gòu)的抗震性能。堆頂風(fēng)機抗震分析計算結(jié)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(jié)構(gòu)是抗震一類的結(jié)構(gòu)，需要保持完整性和功能要求。3.冷卻系統(tǒng)的熱工計算。控制棒驅(qū)動機構(gòu)的冷卻系統(tǒng)的熱工計算是一個涉及到反應(yīng)堆熱工計算的范圍，所以在反應(yīng)堆運行后準確跟蹤記錄堆頂風(fēng)機的運行數(shù)據(jù)十分必要。4.過高的風(fēng)速的不利影響。通過計算得知風(fēng)機進風(fēng)管道內(nèi)風(fēng)速達到20m/s以上，這樣一個速度是通風(fēng)專業(yè)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(fēng)機功率增大，風(fēng)機和管道的空氣噪聲增大，對于管道的震動也會產(chǎn)生影響。

八、堆頂風(fēng)機的性能提高點

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

2.避免風(fēng)機的喘振。從理論分析，風(fēng)機入口設(shè)置了防喘振環(huán)，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(fā)生是有利的措施，從而使風(fēng)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(qū)動機構(gòu)的構(gòu)造分析，在風(fēng)機啟動到正常運行這一段時間內(nèi)，風(fēng)量為14040m3/h。兩臺風(fēng)機啟動運行，則需要的進風(fēng)量最小為28080m3/h，因此風(fēng)機是否發(fā)生喘振，與設(shè)在堆頂圍筒上的個8進風(fēng)門的開啟多少直接相關(guān)。

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

九、結(jié)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(xiàn)有文件的基礎(chǔ)上，通過對這個系統(tǒng)和設(shè)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(shè)計的認識和理解。對后續(xù)核電設(shè)計有指導(dǎo)和借鑒作用。

參考文獻：

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