華龍一號快速冷卻功能驗證試驗?zāi)M計算研究

陳 偉 錢立波 吳 清 袁 鵬 沈丹紅

（中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都610213）

0 引言

華龍一號是中國核工業(yè)集團開發(fā)的、具備能動與非能動相結(jié)合安全特征的三代先進核電廠。為應(yīng)對蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故（SGTR），華龍一號在設(shè)計上采用中壓安注泵加低壓安注泵的安全注入系統(tǒng)配置，因此為確保中壓安注在失水事故（LOCA）下有效注入，華龍一號在設(shè)計上采取快速冷卻功能以實現(xiàn)一回路的快速降壓至中壓安注投入壓力。

福清核電廠5號機組是華龍一號全球首堆示范工程，針對具有創(chuàng)新設(shè)計特征的重要新物項需要開展首堆試驗，“快速冷卻功能驗證試驗”即為華龍一號五個首堆試驗之一。

本文針對華龍一號快速冷卻功能首堆驗證試驗，首先開展試驗預(yù)先模擬計算，確定試驗過程中的風(fēng)險點以及初始工況參數(shù)；隨后，在試驗后開展復(fù)算分析，以論證事故分析程序和分析方法對快速冷卻安全功能模擬的適用性。

1 快速冷卻功能簡介

華龍一號快速冷卻功能主要用于應(yīng)對中、小破口失水事故和蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂（SGTR）事故，圖1給出了華龍一號應(yīng)對失水事故的相關(guān)系統(tǒng)的示意圖，包括安全注入系統(tǒng)和安全殼噴淋系統(tǒng)等。在中、小破口失水事故下，主系統(tǒng)壓力下降較慢，中壓安注存在不能及時有效注入的可能性，但依靠快速冷卻功能，即自動開啟二回路的大氣釋放閥進行排汽，即可實現(xiàn)對主系統(tǒng)的降溫、降壓，使中壓安注系統(tǒng)盡快注入。

圖1 華龍一號失水事故應(yīng)對系統(tǒng)示意圖

華龍一號為三環(huán)路壓水堆，每條蒸汽管線上各有一臺大氣釋放閥用于執(zhí)行快速冷卻功能。在快速冷卻信號觸發(fā)后，對應(yīng)大氣釋放閥自動開啟，并按照預(yù)設(shè)的二回路降壓速率降低蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力，直至二回路壓力下降至4.5 MPa。在此過程中，大氣釋放閥整定值按照公式（1）進行調(diào)節(jié)：若當(dāng)前壓力高于公式（1）計算得到壓力整定值，則自動增大閥門開度，若當(dāng)前壓力低于公式（1）計算得到壓力整定值，則自動減小閥門開度，最終使得二回路壓力向預(yù)設(shè)的壓力整定值靠近，從而實現(xiàn)預(yù)設(shè)的降壓速率：

式中，Psetpoint（t）為t時刻大氣釋放閥整定值；Psetpoint（t-Δt）為t-Δt時刻大氣釋放閥整定值；k為快速冷卻常數(shù)；Δt為時間步長；▽P為二回路壓力-溫度梯度。

2 快速冷卻功能首堆驗證試驗介紹

快速冷卻功能驗證試驗是為了驗證快速冷卻信號觸發(fā)后，二回路的降壓速率滿足設(shè)計要求。在試驗中，假設(shè)三個環(huán)路中的一臺大氣釋放閥發(fā)生故障，只依靠兩臺完好大氣釋放閥執(zhí)行快速冷卻功能。試驗的驗收準(zhǔn)則為每一時刻的蒸汽壓力測量值與閥門整定值之間的偏差都保持在±0.15 MPa之內(nèi)，如圖2所示。

圖2 試驗中大氣排放閥整定壓力曲線示意圖

快速冷卻功能驗證試驗過程屬于二回路過冷的一個瞬態(tài)工況，會導(dǎo)致一、二回路壓力及穩(wěn)壓器水位持續(xù)下降，存在安注系統(tǒng)自動觸發(fā)、穩(wěn)壓器排空、穩(wěn)壓器電加熱器裸露等風(fēng)險。為避免上述風(fēng)險，試驗前開展了預(yù)分析以根據(jù)提供預(yù)分析瞬態(tài)結(jié)果，確定驗證試驗初始工況的設(shè)計。

快速冷卻驗證試驗預(yù)分析初始工況參數(shù)如表1所示。

表1 試驗及模擬計算的主要參數(shù)

3 試驗前預(yù)先模擬分析

3.1 分析方法與假設(shè)

模擬分析采用CATHARE程序進行計算。CATHARE是一個先進的兩相流熱工水力程序，它由包含六個基本守恒方程（分別描述液體和蒸汽的質(zhì)量、能量和動量守恒）的一維模塊組成。程序可以模擬相分離、分層、液體和蒸汽速率間的非機械平衡，包括逆流現(xiàn)象，也可以模擬非平衡熱工行為。

對于快速冷卻功能按照公式（1）進行模擬，反應(yīng)堆初始狀態(tài)根據(jù)試驗規(guī)程的規(guī)定確定，關(guān)鍵系統(tǒng)的假設(shè)為：

（1）不考慮穩(wěn)壓器連續(xù)噴霧及向環(huán)境的散熱；

（2）所有穩(wěn)壓器電加熱器處于自動模式，電加熱器功率不考慮散熱的補償；

（3）上充流量根據(jù)穩(wěn)壓器水位自動調(diào)節(jié)，考慮了軸封流量及下泄流量；

（4）輔助給水流量采用2臺輔助給水電動泵啟動流量。

3.2 預(yù)分析結(jié)果

3.2.1 事件序列

表2給出了快速冷卻驗證試驗與預(yù)算的事件序列對比，可以看出，快速冷卻功能驗證試驗的事件序列與預(yù)算事件序列基本保持一致，僅大氣釋放閥開始開啟時間有所差異，原因在于快速冷卻功能觸發(fā)后，執(zhí)行快速冷卻功能的大氣釋放閥整定值開始從7.85 MPa按照快速冷卻公式確定的方式下降，而預(yù)算中蒸汽發(fā)生器初始壓力（7.51 MPa）低于驗證試驗蒸汽發(fā)生器初始壓力（7.63 MPa），因此，預(yù)算中大氣釋放閥開始開啟時間晚于驗證試驗結(jié)果。

表2 試驗及預(yù)分析的事件序列對比

圖3給出了快速冷卻驗證試驗穩(wěn)壓器水位預(yù)算結(jié)果?？梢?，快速冷卻試驗過程中穩(wěn)壓器水位會一直下降，但均保持在穩(wěn)壓器電加熱器頂部水位之上。因此，在快速冷卻首堆驗證試驗中穩(wěn)壓器初始水位取為70%。

圖3 穩(wěn)壓器水位預(yù)算結(jié)果

圖4給出了快速冷卻驗證試驗穩(wěn)壓器壓力與預(yù)算結(jié)果對比。可見，穩(wěn)壓器壓力最低值大于中壓安注泵截止壓頭，一回路壓試驗值力不會降至中壓安注系統(tǒng)注入壓力。通過對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)壓器壓力預(yù)算結(jié)果高于試驗結(jié)果，這主要是因為預(yù)算時未考慮穩(wěn)壓器連續(xù)噴霧和向環(huán)境散熱的影響。

圖4 穩(wěn)壓器壓力預(yù)算結(jié)果對比

圖5給出了快速冷卻驗證試驗蒸汽發(fā)生器壓力與預(yù)算結(jié)果對比。可見，蒸汽發(fā)生器壓力預(yù)算結(jié)果與試驗結(jié)果符合較好，主要差異在于預(yù)算初值與試驗初始工況參數(shù)差異（見表1）。

圖5 蒸汽發(fā)生器壓力預(yù)算結(jié)果對比

4 試驗后復(fù)算分析

在快速冷卻功能驗證試驗預(yù)算中，由于預(yù)算初始工況參數(shù)和系統(tǒng)假設(shè)與實際試驗有一定差異，導(dǎo)致瞬態(tài)結(jié)果有一定差異，因此，試驗后根據(jù)快速冷卻驗證試驗實際初始工況參數(shù)和假設(shè)開展了復(fù)算。

4.1 復(fù)算分析假設(shè)

表1給出了復(fù)算的初始工況參數(shù)。

主要假設(shè)：

（1）考慮穩(wěn)壓器連續(xù)噴霧及向環(huán)境散熱等因素；

（2）上充、下泄及軸封流量采用快速冷卻驗證試驗值；

（3）輔助給水流量采用快速冷卻驗證試驗值。

4.2 復(fù)算分析結(jié)果

4.2.1 事件序列

表3給出了試驗及復(fù)算事件序列結(jié)果對比?？梢?，在采用快速冷卻驗證試驗初始工況參數(shù)后，復(fù)算事件序列幾乎與試驗保持一致。

表3 試驗及復(fù)算事件序列結(jié)果對比

圖6給出了穩(wěn)壓器壓力的結(jié)果對比?？梢?，在考慮了向環(huán)境的散熱以及實際的穩(wěn)壓器電加熱器動作邏輯后，相比于預(yù)算結(jié)果，復(fù)算結(jié)果與驗證試驗結(jié)果符合更好。

圖6 穩(wěn)壓器壓力復(fù)算結(jié)果對比

圖7給出了蒸汽發(fā)生器壓力的結(jié)果對比?？梢?，在采用快速冷卻首堆驗證試驗實際初始工況及假設(shè)后，復(fù)算結(jié)果與試驗結(jié)果幾乎一致。這證明了采用事故分析程序和分析方法可以準(zhǔn)確地模擬快速冷卻功能。

圖7 蒸汽發(fā)生器壓力復(fù)算結(jié)果對比

5 結(jié)語

本文采用事故分析程序（CATHARE程序）對快速冷卻功能驗證試驗開展了試驗前預(yù)分析和試驗后復(fù)算，取得的結(jié)論如下：

（1）預(yù)分析結(jié)果可準(zhǔn)確模擬快速冷卻功能試驗過程中一回路系統(tǒng)響應(yīng)，根據(jù)預(yù)分析結(jié)果確定的驗證試驗初始工況有效地規(guī)避了試驗風(fēng)險，實現(xiàn)了既定的快速冷卻首堆驗證試驗?zāi)康模?/p>

（2）預(yù)分析結(jié)果和復(fù)算分析結(jié)果均與快速冷卻功能驗證試驗符合較好，結(jié)果表明基于CATHARE程序?qū)焖倮鋮s功能驗證試驗的模擬是合理的；

（3）預(yù)分析結(jié)果和復(fù)算結(jié)果與試驗結(jié)果的符合性也在一定程度上論證了事故工況下快速冷卻功能有效性。