核電廠中央冷凍水系統(tǒng)仿真建模分析

王柳鑒，林 萌，王 旭

(上海交通大學核科學與工程學院，上海 200240)

1 引言

核電廠輔助和通風系統(tǒng)為核電廠的持續(xù)運行提供了重要保障，因此為其系統(tǒng)提供冷凍水的中央冷凍水系統(tǒng)是常規(guī)島的重要系統(tǒng)。在現(xiàn)有的冷凍水系統(tǒng)研究中，方向主要集中在民用冷水機組控制節(jié)能與運行特性的優(yōu)化[1]和核電廠冷凍水系統(tǒng)的設(shè)備改進[2]，即通過優(yōu)化調(diào)度或設(shè)備來提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性，而核電廠冷凍水系統(tǒng)更注重系統(tǒng)安全性和核電廠的穩(wěn)定運行，但在現(xiàn)有研究中缺少關(guān)于系統(tǒng)整體的仿真建模研究和系統(tǒng)在故障工況下的定量分析。其中，冷水機組的正常運行和供水管線不發(fā)生泄漏是中央冷凍水系統(tǒng)正常運行的保障?，F(xiàn)有的研究只有簡單的定性描述，而沒有故障工況下的定性分析。因此，本文將對中央冷凍水系統(tǒng)進行建模仿真和定量分析，研究系統(tǒng)在正常運行和故障工況下對需要冷凍水的系統(tǒng)的影響作用程度，為后續(xù)核電廠內(nèi)常規(guī)島輔助和通風系統(tǒng)的建模分析提供參考。本次系統(tǒng)建模和事故工況模擬使用國產(chǎn)自主化核電軟件包COSINE進行[3]。

2 中央冷凍水系統(tǒng)建模與穩(wěn)態(tài)工況驗證

2.1 中央冷凍水系統(tǒng)模型

中央冷凍水系統(tǒng)的功能是將各個需要冷凍水的系統(tǒng)的回水通過水冷和風冷機組進行制冷，并通過供水管線提供給需要的系統(tǒng)。中央冷凍水系統(tǒng)作具有結(jié)構(gòu)復雜、組成系統(tǒng)設(shè)備繁多等特點，主要設(shè)備包括冷水機組、旁通管、泵組、控制閥門、管路等。為了分析中央冷凍水系統(tǒng)對需要其提供冷凍水系統(tǒng)的影響，需要模擬冷水機組和供水管線在穩(wěn)態(tài)和故障兩種工況下冷凍水溫度以及流量的變化，所以，本文需要對正常運行工況和故障工況分別進行仿真建模計算。

中央冷凍水系統(tǒng)建模的關(guān)鍵是模擬系統(tǒng)的冷卻功能，由于系統(tǒng)提供給其它系統(tǒng)的冷卻水回水有嚴格的溫度要求，且存在“大流量小溫差”問題[4]。因此，需要模擬冷凍水回水與冷水機組的熱交換過程。本文將使用COSINE軟件包的熱構(gòu)件和泵模型來簡化模擬冷水機組與冷凍水回水的換熱過程。其熱構(gòu)件模型基于熱傳導方程及水力學能量守恒方程來計算熱構(gòu)件壁面換熱量以模擬冷水機組與冷凍水回水的熱交換模型[5]。泵模型基于準穩(wěn)態(tài)的假設(shè)，使用泵的全特性曲線，采用隱式的體積流量計算揚程。并將揚程作為對應(yīng)的動力源項添加到動量方程中，作為熱工水力計算的接口[6]。

建立的中央冷凍水系統(tǒng)模型的節(jié)點圖如圖1、圖2所示，包含兩個閉式環(huán)路分系統(tǒng)：大容量中央冷凍水系統(tǒng)和小容量中央冷凍水系統(tǒng)。為便于描述，下文將兩個系統(tǒng)分別簡記為H系統(tǒng)和L系統(tǒng)。

圖1 H系統(tǒng)模型節(jié)點圖

H系統(tǒng)由兩個并行序列組成，一用一備，每個序列包括1臺大流量冷凍水泵、2臺小流量冷凍水泵、1臺大冷量水冷冷水機組與2臺小冷量風冷冷水機組。2臺大流量冷凍水泵出口有根連通管，可以使任意一臺泵向指定的冷水機組供水，為電廠大部分供熱通風與空氣調(diào)節(jié)(HVAC)系統(tǒng)和其它需冷凍水冷卻的電廠設(shè)備提供冷凍水。L系統(tǒng)包含2×100%容量的冷凍水環(huán)路，圖2的流程圖為其中一個環(huán)路，每個環(huán)路包含2臺冷凍水泵、2臺風冷冷水機組、1個膨脹水箱、以及相關(guān)的閥門、管道和儀表，系統(tǒng)按兩個獨立的環(huán)路布置。在系統(tǒng)正常運行時環(huán)路采用一用一備，運行環(huán)路的冷凍水泵按照2×50%的功率運行。環(huán)路主要為核島非放射性通風系統(tǒng)的空氣處理機組以及化學和容積控制系統(tǒng)補水泵房提供冷凍水。

2.2 額定工況穩(wěn)態(tài)模擬驗證

當核電廠處于額定正常工況時，H和L系統(tǒng)都只有一個序列運行。其中H系統(tǒng)以設(shè)備冷卻水和空氣為熱阱，L系統(tǒng)以空氣為熱阱，依照系統(tǒng)設(shè)計對此工況進行熱工水力建模，并首先分析驗證其穩(wěn)態(tài)工況參數(shù)符合設(shè)計要求。在穩(wěn)態(tài)運行工況中，設(shè)置初始條件和邊界條件為滿功率運行狀態(tài)，打開或者關(guān)閉系統(tǒng)中相應(yīng)的閥門，調(diào)節(jié)流量控制閥門，并把計算模型的關(guān)鍵參數(shù)值與設(shè)計值進行對比，根據(jù)結(jié)果評價模型的正確性。而在故障工況建模中，則分別對H和L系統(tǒng)的水冷和風冷機組以及供水管線設(shè)置單一故障進行計算分析，分析冷凍水系統(tǒng)的正常運行對常規(guī)島穩(wěn)定運行的重要作用。

將額定工況穩(wěn)態(tài)仿真運行得到的計算值與中央冷凍水系統(tǒng)設(shè)計值進行比較，可得出額定工況下關(guān)鍵參數(shù)的相對誤差如表1所示。可以看出，主要參數(shù)仿真計算值與設(shè)計值之間的誤差均在2%以內(nèi)，其余參數(shù)均符合設(shè)計要求。通過對比分析，中央冷凍水系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)能夠被精確仿真。

表1 額定工況下系統(tǒng)參數(shù)計算值的相對誤差

3 中央冷凍水系統(tǒng)故障工況分析

3.1 故障工況模擬

電廠H系統(tǒng)或L系統(tǒng)出現(xiàn)故障停機時，H系統(tǒng)出現(xiàn)單一故障會導致安全殼循環(huán)冷卻系統(tǒng)將失去冷源，安全殼內(nèi)溫度可能將超過室溫，影響人員正常工作。L系統(tǒng)出現(xiàn)單一故障會導致主控室中心通風子系統(tǒng)由于無法得到核島非放射性通風系統(tǒng)提供的冷風而無法冷卻，在出現(xiàn)高溫報警時，主控室將停止運行。為了驗證中央冷凍水系統(tǒng)在故障工況下對核電廠運行的影響，通過對中央冷凍水系統(tǒng)的分析，選擇四種典型故障進行研究。四種典型故障分別是：H系統(tǒng)水冷機組故障、L系統(tǒng)風冷機組故障、H系統(tǒng)供水管線破裂、L系統(tǒng)供水管線破裂。其中，機組發(fā)生故障會導致中央冷凍水系統(tǒng)喪失制冷能力，供水管線發(fā)生故障會導致中央冷凍水系統(tǒng)不能將冷凍水輸送到相應(yīng)系統(tǒng)。由于中央冷凍水系統(tǒng)對于冷凍水的出口和回水的溫度都有相應(yīng)的要求：出口的冷凍水要能夠保證對需要冷凍水的系統(tǒng)有足夠的制冷能力，回水的冷凍水的溫度要保證冷水機組有足夠的制冷能力。因此，在分析系統(tǒng)的故障工況時，需要分析系統(tǒng)在發(fā)生故障工況時冷水機組出口流量和溫度的變化和其對核電廠相關(guān)系統(tǒng)的影響。

圖2 L系統(tǒng)模型節(jié)點圖

本次系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真與事故仿真中，所有部件的初始溫度設(shè)定為298.15(K)，管道閥門初始流量為穩(wěn)態(tài)時流量。泵的轉(zhuǎn)速統(tǒng)一設(shè)置為155.5(rad/s)，揚程通過泵的相似曲線獲得。冷凍水回水溫度由于受到其它系統(tǒng)運行的影響，為了保證回水溫度恒定，通過在回水管道處設(shè)置熱構(gòu)件保證回水溫度恒定為13.3℃。熱構(gòu)件在冷水機組故障事故中，設(shè)置模擬冷水機組冷卻功能的熱構(gòu)件換熱能力從150s開始變?yōu)榱?。在供水母管和至主控室供水管線泄漏事故中，在供水管線出口處設(shè)置一個破口閥門與大氣壓力邊界連通，閥門全開面積與供水母管流通面積相同(0.07m2)，設(shè)置150s時破口閥門開度從0變?yōu)?0(%)其中，冷凍水的出口溫度通過在水冷機組和風冷機組處設(shè)置溫度測點得到，環(huán)路溫度和流量數(shù)據(jù)通過在環(huán)路的冷凍水出水、回水處設(shè)置測點得到。測點位置在圖一和圖二的模型節(jié)點中標注，其中紅色圓形表示溫度測點，黃色圓形表示流量測點，白色圓形表示故障插入位置。

3.2 故障工況仿真結(jié)果及分析

在對中央冷凍水系統(tǒng)的H和L系統(tǒng)分別插入四種典型故障之后，系統(tǒng)測點對應(yīng)的流量與溫度曲線如下圖3至圖6所示。

圖3 水冷機組故障前后溫度對比圖

圖3表示H系統(tǒng)所在環(huán)路的水冷機組發(fā)生故障前后環(huán)路溫度的變化情況。由圖3可以得出，在冷水機組故障發(fā)生前，系統(tǒng)冷凍水出口溫度和環(huán)路溫度保持不變，在水機機組故障發(fā)生后，冷凍水出口溫度快速上升。約100s后穩(wěn)定至10.5℃左右，超過了高溫報警信號的設(shè)定值(7.2℃)，但低于室溫。這是由于系統(tǒng)除了接受其它系統(tǒng)的冷凍水回水外還會接收來自除鹽水系統(tǒng)的常溫水；并且在故障發(fā)生后，環(huán)路溫度較冷凍水出口溫度升高較小，是由于溫度測點僅測量冷凍水回水通過冷水機組前后的溫度變化，而環(huán)路溫度還受到除鹽水系統(tǒng)的給水的影響。圖4表示L系統(tǒng)所在環(huán)路的水冷機組發(fā)生故障前后環(huán)路溫度的變化情況，與圖3的情況相似。但不同的是，穩(wěn)定后的環(huán)路溫度低于冷凍水出口溫度，這是由于冷凍水回水溫度恒定，導致冷凍水出口溫度在超過冷凍水回水溫度后環(huán)路溫度就會低于冷凍水出口溫度。在穩(wěn)態(tài)和故障工況下，冷凍水出口溫度差相較于圖3更大，這是由于風冷機組流量較小的緣故。圖3圖4說明如果冷水機組發(fā)生故障，冷凍水的出口溫度會快速升高達到溫度報警值，可能影響需要冷凍水系統(tǒng)的正常運行。

圖4 風冷機組故障前后溫度對比圖

圖5、6分別表示中央冷凍系統(tǒng)的供水管線發(fā)生泄漏前后，系統(tǒng)供給安全殼冷卻系統(tǒng)和核島非放射性通風冷卻系統(tǒng)的冷凍水出口溫度和流量的情況。系統(tǒng)的故障工況與穩(wěn)態(tài)工況相比，H系統(tǒng)冷凍水出口溫度上升了約1.5℃，L系統(tǒng)冷凍水出口溫度上升了約3℃，這是由于L系統(tǒng)相對于 H系統(tǒng)流量更低而導致溫度更容易變化。此時系統(tǒng)的流量與穩(wěn)態(tài)工況相比，H系統(tǒng)供給安全殼冷卻系統(tǒng)的流量下降了約16%，接近低流量設(shè)定值(80kg/s)。L系統(tǒng)供給核島非放射性通風冷卻系統(tǒng)的流量下降了約33%，并且流量也下降到了低流量設(shè)定值(33kg/s)。圖5圖6說明供水管線一旦發(fā)生20%的閥門泄漏事故，系統(tǒng)將無法提供需要的冷凍水，可能影響其它需要冷凍水系統(tǒng)的正常運行。

圖5 中央冷凍水系統(tǒng)供水管線破裂前后系統(tǒng)溫度對比圖

圖6 中央冷凍水系統(tǒng)供水管線破裂前后系統(tǒng)流量對比圖

4 結(jié)論

本文基于COSINE軟件包的熱工水力模塊，參考某核電站常規(guī)島的中央冷凍水系統(tǒng)設(shè)計資料進行了熱工水力建模和數(shù)值分析，可以得到如下結(jié)論：

1)建立的中央冷凍水系統(tǒng)熱工水力模型在額定運行情況下仿真值與設(shè)計值經(jīng)比較分析，模型正確、精度符合要求，能夠以此進行定量分析。

2)對中央冷凍水系統(tǒng)的H系統(tǒng)和L系統(tǒng)分別設(shè)置冷水機組故障和供水管線泄露共四種單一故障，對系統(tǒng)故障工況時重要參數(shù)的變化進行了定量分析，表明中央冷凍水系統(tǒng)在故障情況下會影響冷凍水系統(tǒng)及其支持的如安全殼循環(huán)冷卻系統(tǒng)等的正常運行。