船用一體反應(yīng)堆啟停系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李常偉 蔡報(bào)煒 郭 銳

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

0 引 言

船用一體反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)緊湊、固有安全性高，在中小型反應(yīng)堆的發(fā)展中具有很大優(yōu)勢(shì)［1］。船用一體反應(yīng)堆直流蒸汽發(fā)生器在啟動(dòng)過(guò)程中，其負(fù)荷隨著反應(yīng)堆功率的提升而增加［2］，在實(shí)際運(yùn)行中，規(guī)定當(dāng)反應(yīng)堆功率達(dá)到一定值時(shí)蒸汽發(fā)生器出口蒸汽過(guò)熱度達(dá)到要求，繼續(xù)提升堆芯功率，二回路側(cè)主要依靠給水流量的增加實(shí)現(xiàn)跟隨。直流蒸汽發(fā)生器的停止過(guò)程是啟動(dòng)過(guò)程的逆過(guò)程，主要參數(shù)的變化趨勢(shì)與啟動(dòng)過(guò)程相反。

在套管式直流蒸汽發(fā)生器中，一回路冷卻劑在內(nèi)管內(nèi)側(cè)和外管外側(cè)自上向下流動(dòng)，加熱窄縫間隙中流動(dòng)的二回路水，使沿著窄縫間隙長(zhǎng)度方向流體空泡份額發(fā)生變化：從進(jìn)口的過(guò)冷水到出口的過(guò)熱蒸汽，經(jīng)過(guò)過(guò)冷水、汽液兩相和過(guò)熱蒸汽3個(gè)流動(dòng)過(guò)程。研究中發(fā)現(xiàn)，隨著堆芯功率的變化，沿間隙長(zhǎng)度方向各段的長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化。隨著反應(yīng)堆功率的降低，OTSG傳熱管的過(guò)冷區(qū)和沸騰區(qū)的長(zhǎng)度都會(huì)減小，過(guò)熱區(qū)的長(zhǎng)度增加；當(dāng)堆芯功率降低至一定水平時(shí)，過(guò)熱區(qū)的長(zhǎng)度占據(jù)整個(gè)OTSG換熱管的絕大部分，如圖1所示。

圖1 過(guò)熱區(qū)長(zhǎng)度隨反應(yīng)堆功率的變化

在不同的功率條件下，直流蒸汽發(fā)生器中3個(gè)區(qū)間的長(zhǎng)度發(fā)生變化。由圖中可以看出，在功率比較低時(shí)單相水區(qū)所占的比例較小，管道中大部分都是過(guò)熱蒸汽段，由于過(guò)熱段有很強(qiáng)的可壓縮性，使流動(dòng)不穩(wěn)定性發(fā)生的可能性增大；而且，由于過(guò)冷區(qū)和沸騰區(qū)的長(zhǎng)度都大幅減小，二回路側(cè)流體在過(guò)冷區(qū)和沸騰區(qū)的對(duì)流換熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其在過(guò)熱區(qū)的對(duì)流換熱系數(shù)，即過(guò)冷區(qū)和沸騰區(qū)承擔(dān)了主要的換熱任務(wù)。由于在低功率下，過(guò)冷區(qū)和沸騰區(qū)的長(zhǎng)度變得很小，造成傳熱管在此部分的溫度梯度變得很大，這會(huì)給傳熱管帶來(lái)較大的熱沖擊，并可能導(dǎo)致傳熱管熱疲勞變形甚至破裂。

對(duì)于固定的系統(tǒng)，其進(jìn)口過(guò)冷度、系統(tǒng)壓力和熱流密度都是確定的，由第4章的結(jié)論可以得出，只能通過(guò)改變進(jìn)口的節(jié)流系數(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；當(dāng)節(jié)流系數(shù)確定后，在不同的負(fù)荷工況下產(chǎn)生的節(jié)流壓降是不相同的（如圖2所示），此為不同負(fù)荷下，進(jìn)口節(jié)流壓降隨給水流量的變化情況。

圖2 入口節(jié)流壓降隨反應(yīng)堆功率的變化

可見(jiàn)，在低負(fù)荷工況下，進(jìn)口給水流量比較小，節(jié)流產(chǎn)生的壓降很小，因此系統(tǒng)在低功率下運(yùn)行時(shí)可能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。

為了避免流動(dòng)不穩(wěn)定等不安全現(xiàn)象，反應(yīng)堆啟動(dòng)時(shí)可以采用以下方案：反應(yīng)堆功率從零功率開(kāi)始增大時(shí)，OTSG二回路側(cè)提供一定的給水流量。由于給水流量大于當(dāng)前功率點(diǎn)處的穩(wěn)態(tài)流量，所以剛開(kāi)始時(shí)OTSG出口不會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，其出口流體為單相水或汽水混合物。隨著功率的提升，OTSG在一定功率點(diǎn)處達(dá)到穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)生符合要求的過(guò)熱蒸汽，這樣的蒸汽才準(zhǔn)許送入汽輪機(jī)系統(tǒng)。此后，功率的提升和給水流量的增加將是相互匹配的，即根據(jù)汽輪機(jī)的負(fù)荷要求，反應(yīng)堆功率跟隨二回路給水流量的變化以滿(mǎn)足汽輪機(jī)系統(tǒng)的要求，OTSG出口不應(yīng)該出現(xiàn)水或汽水混合物。OTSG的停止過(guò)程與啟動(dòng)過(guò)程在原理上是相同的，僅操作順序上有如下區(qū)別：首先，功率和給水流量同步降低；當(dāng)功率降到一定值時(shí)，給水流量也保持在一定值不再變化，直至余熱排出系統(tǒng)投入運(yùn)行。

為保證汽輪機(jī)系統(tǒng)的安全，在汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的不符合要求的水以及汽水混合物和飽和蒸汽、微過(guò)熱蒸汽均不允許進(jìn)入汽輪機(jī)系統(tǒng)。因此需設(shè)置專(zhuān)門(mén)系統(tǒng)來(lái)收集和處理這部分流體，將其中的水直接排入冷凝器熱阱，同時(shí)將其中的蒸汽凝結(jié)成水，并降低至符合要求的溫度和壓力值后，再 送入凝給水系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)OTSG安全啟停和二回路側(cè)流體循環(huán)利用。這個(gè)系統(tǒng)就是啟停輔助系統(tǒng)。

1 啟停輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在一體化反應(yīng)堆啟動(dòng)和停止過(guò)程中，啟停輔助系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，通?？煞譃閮?nèi)置式汽水分離器啟動(dòng)系統(tǒng)和外置式汽水分離器啟動(dòng)系統(tǒng)，可以帶循環(huán)啟動(dòng)也可以不帶循環(huán)啟動(dòng)。在啟動(dòng)過(guò)程中，需要有一定的啟動(dòng)參數(shù)，如啟動(dòng)壓力、啟動(dòng)流量和啟動(dòng)速度等。啟動(dòng)壓力的選取主要與受熱面的水力特征，工質(zhì)膨脹現(xiàn)象，節(jié)流閥的腐蝕和給水泵的電耗等有關(guān)，為了保證一體化反應(yīng)堆啟動(dòng)時(shí)水動(dòng)力穩(wěn)定，避免脈動(dòng)，減少膨脹量，同時(shí)也為了減少節(jié)流閥腐蝕、噪聲和給水泵電耗，啟動(dòng)壓力應(yīng)該適當(dāng)選取，流量的大小直接影響到啟動(dòng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。啟動(dòng)流量越大，工質(zhì)流經(jīng)受熱面的質(zhì)量流速也越大。這對(duì)受熱面的冷卻，改善水動(dòng)力特性都是有利的，但工質(zhì)的損失和熱量的損失也相應(yīng)增加，啟動(dòng)旁路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量及電動(dòng)給水泵的容量也要加大。反之，啟動(dòng)流量過(guò)小，受熱面冷卻和水動(dòng)力穩(wěn)定就得不到保證。因此，啟動(dòng)流量的選擇是在保證受熱面得到可靠冷卻和工質(zhì)流動(dòng)穩(wěn)定的條件下盡可能選擇的小些；在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間主要取決于蒸汽的升溫速度，受熱部件中厚壁部件較少，工質(zhì)元件受熱或冷卻容易達(dá)到均勻，升溫冷卻速度較快，啟停時(shí)間較短。因此，一體化反應(yīng)堆在啟停過(guò)程和直流鍋爐的啟動(dòng)控制系統(tǒng)相似，可以借鑒直流鍋爐的啟動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路［3］。

1.1 直流鍋爐啟停輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

直流鍋爐沒(méi)有汽包，在鍋爐啟停以及低負(fù)荷變壓運(yùn)行時(shí)，工質(zhì)參數(shù)未達(dá)到臨界點(diǎn)以上時(shí)，從水冷壁出來(lái)的汽水混合物如果直接進(jìn)入各級(jí)過(guò)熱器，會(huì)造成水擊、熱應(yīng)力和受熱面破管等事故［4-5］，。因此直流鍋爐均設(shè)有1套啟動(dòng)系統(tǒng)，以適應(yīng)啟停工況與低負(fù)荷變壓運(yùn)行工況。在直流鍋爐的啟動(dòng)系統(tǒng)中，汽水分離器是關(guān)鍵設(shè)備，它的作用是分離從水冷壁出來(lái)的汽水混合物。從汽水分離器分離出來(lái)的蒸汽通過(guò)汽水分離器頂部引出管進(jìn)入鍋爐尾部包墻，然后依次流經(jīng)一級(jí)過(guò)熱器、屏式過(guò)熱器、中間過(guò)熱器和末級(jí)過(guò)熱器，最后由主汽管道引出。分離出來(lái)的飽和水進(jìn)入儲(chǔ)水罐，儲(chǔ)水罐內(nèi)保持一定的水位。當(dāng)水位升至高水位時(shí)，及時(shí)排除儲(chǔ)水罐內(nèi)的飽和水，防止把水帶入受熱面。儲(chǔ)水罐排出的水如果水質(zhì)合格，就回收到汽水循環(huán)系統(tǒng)中；如果水質(zhì)不合格，就排放到排污擴(kuò)容器中。

直流鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)按分離器正常運(yùn)行時(shí)是否參與系統(tǒng)工作可以分為內(nèi)置式分離器啟動(dòng)系統(tǒng)和外置式分離器啟動(dòng)系統(tǒng)，見(jiàn)圖3。

圖3 內(nèi)置式分離器和外置式分離器對(duì)比

外置式分離器啟動(dòng)系統(tǒng)是指分離器不參與系統(tǒng)運(yùn)行，啟動(dòng)后即切除。外置式汽水分離器只在啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)使用，正常直流運(yùn)行中切除，適用于定壓運(yùn)行機(jī)組。內(nèi)置式分離器啟動(dòng)系統(tǒng)是指汽水分離器串聯(lián)在水冷壁與過(guò)熱器之間，在鍋爐啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，鍋爐帶分離器運(yùn)行時(shí)，蒸汽先經(jīng)過(guò)分離器進(jìn)行汽水分離，飽和蒸汽進(jìn)入過(guò)熱器，飽和水排至儲(chǔ)水罐。當(dāng)鍋爐直流運(yùn)行時(shí)，從水冷壁出來(lái)的微過(guò)熱蒸汽經(jīng)過(guò)分離器，進(jìn)入過(guò)熱器，此時(shí)分離器僅起連接通道作用。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，不需切除分離器，在反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中，分離器一直處于熱狀態(tài)，當(dāng)蒸汽發(fā)生器負(fù)荷降低，蒸汽發(fā)生器需要投入工作時(shí)，無(wú)需預(yù)熱汽水分離器，也沒(méi)有閥門(mén)開(kāi)啟的動(dòng)作，運(yùn)行更加簡(jiǎn)單可靠，適用于變負(fù)荷運(yùn)行，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。但其缺點(diǎn)是分離器要承受鍋爐全壓，對(duì)其強(qiáng)度和熱應(yīng)力要求高并且汽水阻力較大。因此內(nèi)置式汽水分離器啟動(dòng)系統(tǒng)適用于變壓運(yùn)行鍋爐。

根據(jù)直流鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中，汽水分離器分離出水的循環(huán)方式，可以分為帶循環(huán)系統(tǒng)和不帶循環(huán)簡(jiǎn)易系統(tǒng)兩大類(lèi)，見(jiàn)圖4。

圖4 帶循環(huán)和不帶循環(huán)啟動(dòng)系統(tǒng)

在帶循環(huán)的啟動(dòng)系統(tǒng)中，汽水分離器一部分疏水被引至循環(huán)泵入口，經(jīng)循環(huán)泵升壓后送至省煤器入口，使鍋爐給水在熱力系統(tǒng)中循環(huán)。在鍋爐點(diǎn)火初期，啟動(dòng)循環(huán)泵，可以保證經(jīng)過(guò)水冷壁的流量達(dá)到規(guī)定值。這種系統(tǒng)較為復(fù)雜，設(shè)備及材料投資較大，但它的優(yōu)點(diǎn)在于工質(zhì)熱量損失較少，可以縮短啟動(dòng)時(shí)間，在啟動(dòng)階段可以節(jié)約燃料，降低使用成本。在不帶循環(huán)的簡(jiǎn)易系統(tǒng)中，分離器分離出來(lái)的飽和水直接排至汽輪機(jī)冷凝器，這樣使工質(zhì)熱量損失較大、燃料消耗較多，而且鍋爐啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。但其投資少，設(shè)備檢修維護(hù)工作量也小。

綜上所述，直流鍋爐的啟動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)汽水分離器類(lèi)型可以分為內(nèi)置式汽水分離器啟動(dòng)系統(tǒng)和外置式汽水分離器啟動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)分離器分離出的飽和水的循環(huán)方式可以分為帶循環(huán)的啟動(dòng)系統(tǒng)和不帶循環(huán)的啟動(dòng)系統(tǒng)。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，在直流鍋爐的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮機(jī)組承擔(dān)的發(fā)電任務(wù)、燃料價(jià)格、設(shè)備造價(jià)等各方面的因素，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇最優(yōu)化的方案。

1.2 一體化反應(yīng)堆啟停輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

直流鍋爐的啟動(dòng)系統(tǒng)功控制復(fù)雜，控制閥門(mén)數(shù)量較多，往往采用外置式汽水分離器，汽水分離器材料要求較低，容易產(chǎn)生流動(dòng)波動(dòng)。一體化反應(yīng)堆啟停輔助系統(tǒng)在一定程度上與直流鍋爐的啟動(dòng)系統(tǒng)相似，其主要功能是在反應(yīng)堆啟動(dòng)或停止時(shí)，對(duì)直流蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的汽水混合物進(jìn)行處理，并避免流動(dòng)不穩(wěn)定的產(chǎn)生，其控制系統(tǒng)相對(duì)于直流鍋爐更簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)化，采用內(nèi)置式汽水分離器，閥門(mén)數(shù)量減少，系統(tǒng)的安全性及對(duì)汽水分離器的材料要求高。

在本文的一體化反應(yīng)堆二回路系統(tǒng)中，給水溫度為373 K，汽水分離器分離出的飽和水溫度在506 K左右。隨著堆芯功率的提升，分離器分離出的飽和水流量不斷減小，如果采用帶循環(huán)的系統(tǒng)，在給水進(jìn)入蒸汽發(fā)生器之前會(huì)有與分離器分理處出來(lái)的水混合的過(guò)程，而且混合后水的溫度會(huì)不斷減小，這會(huì)對(duì)混合部分管道造成一定的熱應(yīng)力，對(duì)運(yùn)行的安全性產(chǎn)生影響；同時(shí)，考慮到一體化反應(yīng)堆體積的限制，我們采用不帶循環(huán)的系統(tǒng)。因此本文設(shè)計(jì)的啟停輔助系統(tǒng)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 直流蒸汽發(fā)生器啟停輔助系統(tǒng)圖

當(dāng)啟停輔助系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，汽水分離器起著分離汽水混合物的作用，其中的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)管道進(jìn)行暖管，然后經(jīng)疏水系統(tǒng)進(jìn)入冷凝器。分離出來(lái)的水先作為熱源加熱二回路的給水，從熱交換器出來(lái)的水進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷卻，然后經(jīng)過(guò)給水泵加壓后作為二回路的給水，這樣可以有效地利用汽水分離器分離出的飽和水的熱量，提高了給水的溫度，可以在相同的加熱功率條件下得到更多的飽和蒸汽流量；當(dāng)直流式蒸汽發(fā)生器出口變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽時(shí)，啟停輔助系統(tǒng)停止使用，汽水分離器作為蒸汽流過(guò)的通道。

2 啟停輔助系統(tǒng)的仿真

陳五星［6］通過(guò)JTopmeret程序?qū)χ绷髡羝l(fā)生器啟停輔助系統(tǒng)方案及相應(yīng)的控制方式進(jìn)行仿真建模分析；劉建閣等［7］通過(guò)RELAP5程序?qū)σ惑w化輕水堆穩(wěn)壓器汽腔破口事故和主泵斷電引起的喪失流量事故進(jìn)行安全分析。

核動(dòng)力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要詳細(xì)評(píng)價(jià)各種運(yùn)行瞬態(tài)和意外事件瞬態(tài)，進(jìn)行核安全分析，以便掌握運(yùn)行規(guī)律和各種事故規(guī)律，從而制定出應(yīng)對(duì)各種運(yùn)行狀態(tài)和事故的處理規(guī)程，并作為操作員的處理原則。為了合理評(píng)價(jià)這些運(yùn)行瞬態(tài)和意外事件，就需要有一套行之有效的分析方法和工具。

目前已經(jīng)有了一系列相當(dāng)成熟的計(jì)算機(jī)程序來(lái)預(yù)測(cè)反應(yīng)堆在運(yùn)行過(guò)程中的瞬態(tài)行為，按其方法可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是保守評(píng)價(jià)模型，采用偏于安全的模型或使用保守計(jì)算條件來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)即將建造的反應(yīng)堆是否符合官方規(guī)定的安全準(zhǔn)則；另一類(lèi)是最佳估算程序，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備“最佳可用性”原則，力求盡可能準(zhǔn)確地模擬反應(yīng)堆系統(tǒng)的運(yùn)行特性，去掉了一些不必要的保守性，從而評(píng)價(jià)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)行為［8］。RELAP程序是其中一個(gè)典型的輕水堆熱工水力分析程序，可以進(jìn)行保守計(jì)算和最佳估算。

RELAP程序是由美國(guó)愛(ài)達(dá)荷國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)、美國(guó)核管會(huì)（NRC）批準(zhǔn)，用于工程審評(píng)的大型瞬態(tài)熱工水力計(jì)算程序［9］，可用于規(guī)程制定、審評(píng)計(jì)算、事故減緩措施的評(píng)價(jià)、操作員規(guī)程評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的分析等各個(gè)領(lǐng)域。RELAP5程序也已成為核電廠分析器的基礎(chǔ)，幾乎可以覆蓋核電廠所有熱工水力瞬變和事故譜。從1967年開(kāi)始研制到RELAP5/MOD3投入使用有20多年。在RELAP5/MOD3.4版本中，集中了人們?cè)趦上嗔骼碚撗芯?、?shù)值求解方法、計(jì)算機(jī)編程技巧以及各種規(guī)模實(shí)驗(yàn)等方面取得的研究成果［10］。本文應(yīng)用RELAP5程序?qū)μ坠苁揭惑w化壓水堆二回路特性進(jìn)行研究，建模的關(guān)鍵部分是套管式直流蒸汽發(fā)生器以及板狀燃料元件的窄縫隙換熱模型。劉建閣等［11］利用RELAP5/MOD3.4程序?qū)μ坠苁街绷髡羝l(fā)生器的運(yùn)行特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明RELAP5/MOD3.4程序可以近似分析套管式直流蒸汽發(fā)生器有效傳熱區(qū)的流動(dòng)和傳熱規(guī)律。

2.1 啟停輔助系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖

本文在兩相流動(dòng)不穩(wěn)定性的研究中，采用電加熱模擬一回路動(dòng)作的思路，如下頁(yè)圖6所示；在啟停輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了使仿真的結(jié)果更加真實(shí)，加入一回路的程序，包括堆芯、穩(wěn)壓器和主泵等關(guān)鍵設(shè)備，一、二回路節(jié)點(diǎn)圖分別如下頁(yè)圖7所示。圖 中110、120、210、220、310、320、410、420代表一回路的流通通道，130、230、330、430代表二回路流通通道，控制體512接給水泵111，控制體515接pipe010，014p代表堆芯，采用電加熱的方式模擬堆芯的功率變化，026p為穩(wěn)壓器，131閥門(mén)，132為時(shí)間相關(guān)控制體，限制了穩(wěn)壓器的壓力。啟停輔助系統(tǒng)部分節(jié)點(diǎn)圖如7所示，507為汽水分離器部件，508為蒸汽出口，TMDPSV510規(guī)定了出口蒸汽的壓力和溫度。512為液體回路接管，此通路的水流入冷凝器熱阱，TMDPSV526規(guī)定了進(jìn)入冷凝器流體的壓力和溫度，TMDPSV528規(guī)定了從冷凝器出來(lái)的給水溫度，二回路給水在進(jìn)入蒸汽發(fā)生器之前先與汽水分離器出來(lái)的水進(jìn)行換熱，190為換熱元件。

圖6 二回路節(jié)點(diǎn)圖

圖7 一、二回路節(jié)點(diǎn)圖

2.2 啟停輔助系統(tǒng)驗(yàn)證

為了對(duì)啟停輔助系統(tǒng)的功能進(jìn)行驗(yàn)證，在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)可以采用固定二回路給水流量不變，改變堆芯加熱功率的方法進(jìn)行研究，此時(shí)一回路平均溫度變化很大。若固定堆芯加熱功率不變，改變二回路給水流量時(shí)，一回路平均溫度變化不大。所以，為避免產(chǎn)生大的溫度變化，以后的研究決定采用固定堆芯加熱功率，改變二回路流量的方法進(jìn)行。

研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于特定的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，加入足夠的入口節(jié)流可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止管間脈動(dòng)流動(dòng)不穩(wěn)定性的發(fā)生，但是當(dāng)給定一定的入口流量，逐漸增加加熱功率時(shí)，蒸汽發(fā)生器出口含汽率會(huì)增加，當(dāng)平衡態(tài)含汽率接近1.0時(shí)，在出口處會(huì)出現(xiàn)流量的震蕩，直到出口的平衡態(tài)含汽率大于1.0時(shí)才會(huì)穩(wěn)定運(yùn)行。

確定了初步方案后，將一回路、蒸汽發(fā)生器和啟停輔助系統(tǒng)的程序連起來(lái)，驗(yàn)證啟停輔助系統(tǒng)的可行性。為保持蒸汽發(fā)生器中有足夠的水位，在啟動(dòng)過(guò)程中將二回路的流量設(shè)定為總流量的40%（35.5 kg/s），堆芯功率從總功率的0%（0.0 MW）開(kāi)始增加到滿(mǎn)功率的40%（88.0 MW）。

由圖7可知，給水進(jìn)入蒸汽發(fā)生器前先由汽水分離器分離出的飽和水進(jìn)行加熱，經(jīng)過(guò)換熱器后的給水溫度會(huì)高于初始給水溫度。為了驗(yàn)證換熱器的功能，我們?nèi)∈褂脫Q熱器和不使用換熱器時(shí)蒸汽發(fā)生器進(jìn)口溫度作對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 蒸汽發(fā)生器進(jìn)口溫度比較

由圖8可見(jiàn)，使用換熱器時(shí)，蒸汽發(fā)生器進(jìn)口水溫度先升高然后降低，這是因?yàn)閾Q熱器中加熱水是來(lái)自汽水分離器分離出的水，在運(yùn)行初期由于反應(yīng)堆功率很低，蒸汽發(fā)生器出口水仍為過(guò)冷水，分離出的水傳遞給二回路給水的熱量很少，因此經(jīng)過(guò)換熱器后的給水溫升較??；隨著功率的升高，汽水分離器分離出來(lái)的水溫度升高，換熱器出口的給水溫度也逐漸升高；而在運(yùn)行后期，隨著反應(yīng)堆功率升高，蒸汽產(chǎn)量越來(lái)越高，由分離器分離出的飽和水不斷減少，給水的溫度逐漸降低，從而形成圖8所示的溫度峰值。

同時(shí)，記錄未加入換熱器時(shí)汽水分離器分離出的蒸汽量，并與加入換熱器時(shí)汽水分離器分離出的蒸汽量作對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)圖9。由圖9可見(jiàn)：未加入換熱器時(shí)，蒸汽量的變化較陡；加入換熱器后，蒸汽量的變化趨緩，且汽水分離器分離出的蒸汽提前出現(xiàn)。這在一定程度上可以縮短啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)減小出口蒸汽量的變化率，使蒸汽發(fā)生器有足夠時(shí)間應(yīng)對(duì)蒸汽量的變化，減緩汽水分離器負(fù)載量的變化率，有利于蒸汽發(fā)生器和汽水分離器的安全。

圖9 加換熱器后汽水分離器蒸汽產(chǎn)量比較

汽水分離器是啟停輔助系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，為了驗(yàn)證汽水分離器的功能，記錄汽水分離器的出汽量和液體回落量（見(jiàn)圖10），由圖10可見(jiàn)，隨著功率的增大，汽水分離器出口含汽率不斷增大，由分離器分離出的飽和蒸汽產(chǎn)量不斷增加，而分離出的飽和水量呈減小趨勢(shì)，則證明汽水分離器可以實(shí)現(xiàn)其功能。

圖10 汽水分離器出汽量和液體回落量

由以上分析可見(jiàn)，在本文所設(shè)計(jì)的啟停輔助系統(tǒng)中，各關(guān)鍵設(shè)備均可較好實(shí)現(xiàn)其功能，從而證明本文所設(shè)計(jì)的啟停輔助系統(tǒng)可行性。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)借鑒直流鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一體化反應(yīng)堆的啟停輔助系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，直流蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的兩相混合物進(jìn)入汽水分離器，分離出的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)管道暖管，然后經(jīng)過(guò)疏水系統(tǒng)進(jìn)入冷凝器熱阱；分離出的飽和水與給水泵的給水進(jìn)行換熱，然后流入冷凝器的熱阱。加入啟停輔助系統(tǒng)后，除了處理套管式直流蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生不符合參數(shù)的流體外，同時(shí)提高了啟停過(guò)程中蒸汽發(fā)生器的給水溫度，縮短了啟動(dòng)過(guò)程，也增加了系統(tǒng)的安全性。