船用堆溫度不對(duì)稱偏環(huán)路運(yùn)行安全分析

張 鑫，王 坤，袁江濤

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199)

0 引 言

伴隨三哩島事故的發(fā)生，反應(yīng)堆的給水喪失事故逐漸引起世界各國(guó)的高度重視[1–2]。與核電站反應(yīng)堆比較，船用反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜，工況改變頻繁，蒸汽發(fā)生器給水故障發(fā)生頻率相對(duì)較高。船用堆的1 臺(tái)蒸汽發(fā)生器給水故障條件下，傳統(tǒng)單環(huán)路運(yùn)行方案[3]輸出堆芯功率有限，為滿足航行過(guò)程中的高功率需求，操作員可通過(guò)及時(shí)干預(yù)嘗試船用堆2 條環(huán)路的溫度不對(duì)稱運(yùn)行。而船用堆的蒸發(fā)器二次側(cè)水容積較小，事故發(fā)展速度較快，操作員能夠及時(shí)有效地運(yùn)行干預(yù)難度較大。本文利用RELAP5/MOD3.2 程序[4]建立船用堆一維系統(tǒng)模型，對(duì)蒸汽發(fā)生器給水故障情況下反應(yīng)堆2 條環(huán)路的溫度不對(duì)稱運(yùn)行特性進(jìn)行計(jì)算分析，為操作員的安全運(yùn)行提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 模型建立

船用反應(yīng)堆采用單堆雙環(huán)路布置，由一回路系統(tǒng)和二回路系統(tǒng)組成，包含1 座反應(yīng)堆、1 臺(tái)穩(wěn)壓器、2 臺(tái)蒸汽發(fā)生器及相關(guān)的泵、閥門(mén)、管道等。正常運(yùn)行過(guò)程中，穩(wěn)壓器可以通過(guò)噴淋或加熱過(guò)程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力控制；蒸汽發(fā)生器可以通過(guò)U 型傳熱管的熱傳遞作用將一回路熱量傳遞給二回路，并產(chǎn)生蒸汽進(jìn)入汽輪器做功。

本文采用RELAP5/MOD3.2 程序?qū)Υ梅磻?yīng)堆進(jìn)行系統(tǒng)建模。建模過(guò)程中，對(duì)船用反應(yīng)堆的一回路系統(tǒng)做了與實(shí)際相同的模擬，模型包含壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主泵、管道和閥門(mén)等；對(duì)二回路系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅模擬了蒸汽發(fā)生器以及相關(guān)的給水管道和蒸汽管道，并使用時(shí)間相關(guān)控制體作為給水管道和蒸汽管道的進(jìn)、出口邊界條件[5–6]；主泵建模過(guò)程中，使用了RELAP5/MOD3.2 內(nèi)置的主泵水力部件PUMP 進(jìn)行模擬，且使用了主泵四象限類比曲線。本文建立的船用反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)RELAP5 熱工水力模型如圖1所示。

圖1 小型壓水堆系統(tǒng)控制體劃分Fig.1 Division of control bodies of small PWR system

2 給水故障分析

2.1 穩(wěn)態(tài)測(cè)試

滿功率穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，利用RELAP5 模型計(jì)算分析船用反應(yīng)堆的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，并與反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行比較，如表1 所示。表1 中，相關(guān)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了歸一化處理，并通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證了本文RELAP5 模型的可靠性，滿足船用堆溫度不對(duì)稱偏環(huán)路運(yùn)行的安全分析需求。

表1 反應(yīng)堆參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of reactor parameters

2.2 溫度不對(duì)稱運(yùn)行分析

給水泵故障或給水閥門(mén)卡開(kāi)導(dǎo)致給水流量減小，蒸汽發(fā)生器帶走熱量能力降低，反應(yīng)堆堆芯功率被迫降低。1 臺(tái)蒸汽發(fā)生器故障情況下，船用反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)特點(diǎn)使其具備單環(huán)路運(yùn)行能力，但反應(yīng)堆功率不能過(guò)高。如果此時(shí)需要提供最大前進(jìn)動(dòng)力滿足航行需求，操作員可通過(guò)及時(shí)干預(yù)嘗試船用堆的溫度不對(duì)稱偏環(huán)路運(yùn)行。溫度不對(duì)稱偏環(huán)路運(yùn)行過(guò)程中，反應(yīng)堆壓力容器左、右環(huán)路的冷卻劑出口溫度和流量相等，而異常環(huán)路一次側(cè)的壓力容器進(jìn)口溫度升高，存在運(yùn)行參數(shù)超出安全運(yùn)行限值的可能。因此需利用理論分析方法得到船用堆溫度不對(duì)稱運(yùn)行的系統(tǒng)特性，為操作員的安全運(yùn)行提供相關(guān)理論依據(jù)。

本文RELAP5 模型的計(jì)算初始條件和干預(yù)措施如下：1）船用堆的初始穩(wěn)態(tài)運(yùn)行功率為76% 額定功率；2）1 500 s 后，系統(tǒng)異常環(huán)路的給水閥門(mén)卡開(kāi)，蒸汽發(fā)生器可維持最大給水流量分別為初始流量的40%，60%，80%，同時(shí)二回路的蒸汽流量調(diào)節(jié)閥自動(dòng)響應(yīng)動(dòng)作使二回路負(fù)荷降低；3）運(yùn)行至1 505 s 時(shí)，操作員開(kāi)始根據(jù)異常環(huán)路蒸汽發(fā)生器的最大給水流量，及時(shí)降低反應(yīng)堆功率，使反應(yīng)堆功率對(duì)應(yīng)下降至初始功率的70%，80%，90%（堆芯功率對(duì)應(yīng)于反應(yīng)堆左、右環(huán)路2 臺(tái)蒸汽發(fā)生器維持給水流量）。

船用堆轉(zhuǎn)換溫度不對(duì)稱偏環(huán)路運(yùn)行過(guò)程中，一回路堆芯功率、壓力容器進(jìn)出口溫度隨時(shí)間的變化情況分別如圖2～圖5 所示。圖中相關(guān)參數(shù)均根據(jù)初始運(yùn)行值進(jìn)行了歸一化處理，即動(dòng)態(tài)值/初始值。

圖2 反應(yīng)堆堆芯功率Fig.2 The core power of the reactor

圖3 壓力容器正常環(huán)路側(cè)進(jìn)口溫度Fig.3 The inlet temperature of the normal loop side of the pressure vessel

圖4 壓力容器出口溫度Fig.4 Outlet temperature of pressure vessel

圖5 壓力容器異常環(huán)路側(cè)進(jìn)口溫度Fig.5 The inlet temperature of the abnormal loop side of the pressure vessel

由圖2 和圖3 可知，船用堆轉(zhuǎn)換溫度不對(duì)稱偏環(huán)路運(yùn)行過(guò)程中，壓力容器出口冷卻劑溫度和正常環(huán)路進(jìn)口冷卻劑溫度均降低，且溫度降低幅值與蒸汽發(fā)生器可維持最大給水流量的減少幅值成正相關(guān)。由圖4可知，船用堆轉(zhuǎn)換溫度不對(duì)稱偏環(huán)路運(yùn)行過(guò)程中，壓力容器異常環(huán)路進(jìn)口冷卻劑溫度升高，溫度升高幅值與蒸汽發(fā)生器可維持最大給水流量的減少幅值成正相關(guān)。當(dāng)蒸汽發(fā)生器可維持最大給水流量為40%時(shí)，異常環(huán)路冷卻劑進(jìn)口溫度出現(xiàn)較大波動(dòng)，此時(shí)壓力容器左、右環(huán)路兩進(jìn)口冷卻劑溫度偏差最大，最大值為13.32℃；而蒸汽發(fā)生器可維持最大給水流量為60%時(shí)，壓力容器左、右環(huán)路兩進(jìn)口冷卻劑最大溫差為9.27℃。

這是由于船用堆轉(zhuǎn)換溫度不對(duì)稱偏環(huán)路運(yùn)行時(shí)（1 500 s），堆芯功率降低使壓力容器出口冷卻劑溫度降低，開(kāi)始階段正常環(huán)路一側(cè)蒸汽發(fā)生器帶走熱量的能力不變，導(dǎo)致正常環(huán)路壓力容器進(jìn)口冷卻劑溫度降低；而異常環(huán)路一側(cè)蒸汽發(fā)生器帶走熱量能力降低，導(dǎo)致異常環(huán)路的壓力容器進(jìn)口冷卻劑溫度升高，因此壓力容器左、右環(huán)路的進(jìn)口冷卻劑溫度出現(xiàn)較大偏差。

船用堆轉(zhuǎn)換溫度不對(duì)稱偏環(huán)路運(yùn)行過(guò)程中，二回路蒸汽發(fā)生器壓力、水位以及一回路穩(wěn)壓器壓力、水位隨時(shí)間的變化情況分別如圖6～圖9 所示。

圖6 異常環(huán)路蒸汽發(fā)生器壓力Fig.6 Pressure of abnormal loop steam generator

圖7 異常環(huán)路蒸汽發(fā)生器水位Fig.7 Water level of abnormal loop steam generator

圖8 穩(wěn)壓器內(nèi)部壓力Fig.8 The internal pressure of the pressurizer

圖9 穩(wěn)壓器內(nèi)部水位Fig.9 The internal water level of the pressurizer

由圖6 可知，船用堆轉(zhuǎn)換溫度不對(duì)稱偏環(huán)路運(yùn)行過(guò)程中，異常環(huán)路蒸汽發(fā)生器壓力升高，升高幅值與蒸汽發(fā)生器可維持最大給水流量成負(fù)相關(guān)，其中異常環(huán)路SG 維持40%給水流量條件下蒸汽發(fā)生器內(nèi)部壓力較高，且壓力、溫度均存在較大波動(dòng)現(xiàn)象。由圖7可知，船用堆轉(zhuǎn)換溫度不對(duì)稱偏環(huán)路運(yùn)行過(guò)程中，異常環(huán)路蒸汽發(fā)生器水位降低，降低幅值與蒸汽發(fā)生器可維持最大給水流量成正相關(guān)。這是由于蒸汽發(fā)生器給水流量下降較多時(shí)，汽水分離器的疏水溫度較高，當(dāng)疏水與給水混合后會(huì)產(chǎn)生大量蒸汽；大量蒸汽的產(chǎn)生使蒸汽發(fā)生器內(nèi)部壓力升高、水位降低，從而出現(xiàn)了壓力、溫度的波動(dòng)現(xiàn)象，而系統(tǒng)壓力、溫度的波動(dòng)現(xiàn)象不利于運(yùn)行的控制和穩(wěn)定，應(yīng)該盡量避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)。

由圖8 和圖9 可知，穩(wěn)壓器的壓力和水位均隨蒸汽發(fā)生器給水流量的減少而降低，且壓力和水位的減小幅值與最大給水流量的減少幅值具有正相關(guān)性。這是由于反應(yīng)堆壓力容器出口冷卻劑溫度降低產(chǎn)生負(fù)的流量通過(guò)波動(dòng)管流出穩(wěn)壓器，導(dǎo)致穩(wěn)壓器內(nèi)部壓力逐漸降低，同時(shí)水位逐漸降低。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用RELAP5/MOD3.2 程序建立船用反應(yīng)堆系統(tǒng)的一維模型，對(duì)蒸汽發(fā)生器給水故障引起的反應(yīng)堆溫度不對(duì)稱運(yùn)行進(jìn)行計(jì)算分析，得到如下結(jié)論：

1）蒸汽發(fā)生器給水故障且可維持的最大給水流量小于40%時(shí)，船用堆轉(zhuǎn)換2 條環(huán)路溫度不對(duì)稱運(yùn)行過(guò)程中，異常環(huán)路的蒸汽發(fā)生器壓力、溫度會(huì)存在較大波動(dòng)，不利于運(yùn)行的控制和穩(wěn)定。此時(shí)操作員應(yīng)該及時(shí)切斷異常環(huán)路實(shí)現(xiàn)單環(huán)路運(yùn)行。

2）蒸汽發(fā)生器給水故障且可維持的最大給水流量為60%時(shí)，船用堆轉(zhuǎn)換2 條環(huán)路溫度不對(duì)稱運(yùn)行過(guò)程中，壓力容器左、右環(huán)路兩進(jìn)口冷卻劑最大溫差為9.27℃，與其余相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)均滿足安全運(yùn)行限值要求，此時(shí)操作員可及時(shí)根據(jù)故障蒸汽發(fā)生器可維持的最大給水流量降低反應(yīng)堆功率，實(shí)現(xiàn)溫度不對(duì)稱偏環(huán)路運(yùn)行確保為航行提供最大動(dòng)力。

3）蒸汽發(fā)生器給水故障，船用堆轉(zhuǎn)換2 條環(huán)路溫度不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，操作員應(yīng)注意反應(yīng)堆功率的調(diào)節(jié)，密切關(guān)注異常環(huán)路蒸汽發(fā)生器壓力、水位變化，防止出現(xiàn)超壓。