百万千瓦级压水堆核电厂二次侧非能动余热排出系统启动响应研究

卢向晖，张吉胜，罗汉炎，张小英

（1.中科华核电技术研究院有限公司，广东 深圳 518026；2.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640）

福岛事故后，运用各种非能动技术提高核电厂的安全性成为核电技术的发展方向。对于国内二代加百万千瓦级压水堆核电厂，二次侧非能动余热排出（SPRHR）系统是一种可有效缓解类似全厂断电等较为严重的事故工况的非能动技术。为应对全厂断电等较为严重的事故工况，针对国内二代加百万千瓦级压水堆核电厂设计了SPRHR 系统。SPRHR 系统是事故下利用蒸汽产生及冷凝换热的自然循环导出一回路余热的安全系统。核电厂正常运行状态下，该系统一直处于备用状态。当事故发生后SPRHR 系统投入运行时，需开启相关的阀门来启动系统。在热工水力系统中，阀门的快速关闭或开启容易引起阀门前后管道中介质的压力或动能发生剧烈变化，尤其对于高压高温的蒸汽，瞬间的压力波动会产生很大的冲击波（即汽锤和水锤），使系统中的管道和阀门产生剧烈震动，严重时会损坏管道和阀门。SPRHR 系统启动过程也涉及阀门的快速开启，因此可能会产生汽（水）锤等现象，对系统和设备造成冲击，并同时影响自身自然循环的建立。因此在SPRHR 系统设计时，如何启动系统以实现系统稳定运行是必须考虑的问题。

由于汽（水）锤对管道系统设计存在较大的潜在危害，早在19世纪中期时，研究者提出了非常多的理论和实验来研究汽（水）锤问题。文献［1］使 用RELAP5、MONA 和FLOWMASTER程序对水锤现象进行计算分析，并将计算结果与UMSICHT 实验装置的实验结果进行了对比分析，分析结果非常吻合。文献［2］采用RELAP5程序计算预测了压力波在单相介质和两相介质中的传播现象。文献［3］使用RELAP5程序针对RBMK-1500反应堆主要的循环回路的水锤影响进行了机理性分析。文献［4］使用RELAP5程序进行阀门快速开启和关闭时水锤现象的分析计算，并且将结果与UMSICHT和CWHTF的实验测试装置的实验结果进行了对比。

本工作采用RELAP5 程序针对SPRHR系统启动过程的系统稳定性以及汽锤现象进行研究。本文主要研究假设全厂断电事故发生后，SPRHR 系统采用不同的启动方式和启动速度下的系统响应和启动特性，并给出SPRHR 系统的启动模式的建议。

1 SPRHR系统设计方案

SPRHR 系统的功能是在事故工况下作为最终热阱通过自然循环带出堆芯衰变热，其设计方案示于图1。本文在一、二回路系统模型的3台蒸汽发生器（SG）上均增设1列SPRHR系统，如图2中虚框所示。每列SPRHR 系统均有1台冷凝器，冷凝器完全浸没在冷凝水池中。冷凝水池初温为大气环境温度，与大气相连，最低点高度高于SG 顶部。SPRHR 系统启动阀门在停堆后特定时间开启，同时主蒸汽隔离阀关闭。系统启动后，SG 产生的蒸汽进入该系统，经过冷凝器冷凝成水，之后回流到SG给水管线上，形成1个封闭循环回路。该自然循环由蒸汽管段和回流管段的密度差驱动，确保能持续有效地载出一回路的衰变热。

图1 SPRHR 系统设计方案Fig.1 Design scheme of SPRHR system

2 系统模型

2.1 系统建模

采用RELAP5 程序对SPRHR 系统进行建模。该系统为三环路设计，图2仅示出了带稳压器环路的模型节点图。

2.2 工况设定

分析中假定系统初始处于正常功率运行状态，500s时刻发生全厂断电，随后汽轮机跳闸，主蒸汽隔离阀关闭，主给水以及辅助给水关闭，冷却剂主泵开始惰转，主泵低速信号触发反应堆停堆。停堆约100s后由SG 宽量程水位低信号触发启动SPRHR 系统。此后，蒸汽发生器的蒸汽进入SPRHR 系统，经冷凝器冷凝后通过回流管流回，形成稳定的自然循环封闭环路，持续不断地载出一回路衰变热。

图2 一、二回路系统与SPRHR 系统模型结构Fig.2 Structure of primary and secondary circuits and SPRHR system model

3 计算与分析

3.1 稳态计算

表1列出了系统稳态运行的设计参数和程序稳态计算结果，可看出计算值和设计值的吻合程度非常高，证明了所建立的系统模型是准确的。本文稳态计算进行了500s，这一过程中稳压器和蒸汽发生器压力以及冷热管段的温度如图3所示。从图3可看出，除了稳压器压力在计算初期有些微波动外，其他参数均趋于不变，稳压器压力波动是由于有补偿加热的调节作用。图4示出程序中使用的SBO工况下堆芯功率曲线。

参数 数值设计值 计算值堆芯功率，MW 2 895 2 895热管段流量，kg／s 4 812 4 813热管段温度，K 327.3 327.2冷管段温度，K 292.7 292.8冷却剂平均温度，K 310 310堆芯流量，kg／s 13 500 13 500上封头旁通流量，kg／s 361.0 361.2堆芯旁通流量，kg／s 577.55 577.56稳压器水位，% 62.7 62.7稳压器压力，MPa 15.5 15.5 SG 压力，MPa 6.7 6.7 SG 水位，m 13.1 13.1 SG 蒸汽流量，kg／s 537.0 540.21）

3.2 RELAP5对汽锤现象的模拟

图3 稳态计算结果Fig.3 Calculation result at steady state

使用RELAP5进行汽锤现象模拟时，要非常注意控制体空间步长和时间步长的选取。为了高精度地追踪压力波的传递和防止数值计算不收敛，需考虑两个重要的因素［5-6］：1）压力波的Courant限值是指波动以声速通过给定控制体长度所需要的时间。因为声速在不同的介质中传播的速度不同，通常时间步长可取得非常小，在RELAP5中选取合适的时间步长时，须小于Courant限值。2）控制体的空间步长划分要足够小，以保证捕捉到该空间内压力的剧烈变化。因此，在应用RELAP5程序进行汽锤分析时需满足Δtmax=Δx／v。一般来说，实际采用的时间步长要较最大时间步长Δtmax小。在设计压力下蒸汽中压力波传播速度v 为490m／s，如果空间步长Δx 取0.1m，此时最大时间步长根据Courant限值要求应小于Δtmax=2.0×10-4s。

图4 SBO 工况下堆芯功率曲线Fig.4 Core power curve for SBO accident

图5示出主蒸汽隔离阀门关闭时管道的压力变化。可看到：事故发生后，汽轮机跳闸，同时主蒸汽管隔离阀瞬间关闭，导致主蒸汽管内压力瞬间变化，管道内产生较大的压力冲击波，表明主蒸汽管隔离阀瞬间关闭导致汽锤发生。该压力冲击波刚产生时频率很高，此后随着冲击波向SG 传递，波动的振幅衰减、频率降低，汽锤逐渐消失。图6示出了SPRHR 系统汽侧隔离阀瞬间开启，SPRHR 系统的压力变化。可看出：阀门瞬间开启后，高压、高温的蒸汽快速进入系统管道中，由于阀门前后压差非常大，引起巨大的压力冲击波，最大峰值达8.1MPa，表明汽锤发生。其后随冲击波在系统中的传递，振幅和频率逐渐衰减，汽锤消失。图5、6证实了在阀门快速打开或关闭时，系统内均会出现巨大的压力波，即发生汽锤。

图5 主蒸汽隔离阀门关闭时管道的压力变化Fig.5 Pressure transient for MSIV closure

图6 SPRHR 系统汽侧隔离阀开启时压力波动Fig.6 SPRHR system pressure transient for inlet valve startup

以上分析表明，在合适的时间步长和空间步长下，RELAP5程序可很好地模拟该系统中发生的汽锤现象。

3.3 SPRHR 系统启动响应研究

1）启动方式

根据SPRHR系统设计，存在3种启动方式。

方式1：初始汽侧隔离阀为常闭，启动时，先开汽侧隔离阀，间隔一段时间后开启回流隔离阀。

方式2：初始汽侧隔离阀为常闭，启动时，汽侧隔离阀和回流隔离阀同时开启。

方式3：初始汽侧隔离阀为常开，启动时，通过开启回流隔离阀启动系统。

针对上述3种启动方式分别进行了研究，在分析中采用了相同的阀门开启时间。

图7、8分别示出了启动方式1和启动方式2在系统压力响应和流量响应上的差异。两种启动方式均会引起系统压力波动，产生一定程度的汽锤现象，启动方式2所引起的回流隔离阀处的压力波动更高。启动方式1所引起的汽侧隔离阀和回流隔离阀处的流量峰相对平缓；而启动方式2会导致冷凝器入口处产生流量非常大的逆流峰以及非常尖锐的流量峰，回流隔离阀处产生非常尖锐的流量峰和频繁的流量波动。

图7 启动方式1、2下SPRHR 系统压力响应Fig.7 SPRHR system pressure transient under startup strategies 1and 2

图8 启动方式1、2下SPRHR 系统流量响应Fig.8 SPRHR system flowrate transient under startup strategies 1and 2

图9和图10示出了启动方式1和启动方式3的在系统压力响应和流量响应上的差异。由于启动方式3的汽侧隔离阀始终处于开启状态，SPRHR 系统中的初始压力和二回路的压力是一致的，启动过程不存在压力突变的过程，不会引起汽锤现象，因此启动方式3所引起的系统压力和流量波动要远小于启动方式1。

从上研究可看出，启动方式1和启动方式2均在启动过程中存在一定程度的汽锤现象，但启动方式1汽锤冲击相对较小。相对启动方式1和2，启动方式3是最有利于系统启动稳定性，并可有效地消除汽锤现象。

图9 启动方式1、3下SPRHR 系统压力响应Fig.9 SPRHR system pressure transient under startup strategies 1and 3

图10 启动方式1、3下SPRHR 系统流量响应Fig.10 SPRHR system flowrate transient under startup strategies 1and 3

2）启动速度

针对启动方式1，对其启动速度（即阀门开启时间）进行敏感性分析。假设系统在1 100s时刻开始启动，可得到图11、12中的压力和流量响应。图中表明系统启动速度越快，所引起的压力峰值越高、震荡越大，所引起的流量震荡也越剧烈。这是因为SPRHR 系统在备用状态下压力约为0.1 MPa，而二回路压力（约7.8 MPa）远高于大气压，所以在启动过程中会经历压力瞬变的过程。阀门开启速度越慢，SPRHR系统与二回路之间的质量和能量交换速率就上升得越慢，压力变化的过程就越平缓。降低系统启动速度，有利于减弱汽锤的冲击强度，也有利于减弱系统启动时带来的压力和流量震荡，有助于建立稳定的自然循环。

图11 不同启动速度下SPRHR 系统压力响应Fig.11 SPRHR system pressure transient in different startup speeds

图12 不同启动速度下SPRHR 系统流量响应Fig.12 SPRHR system flowrate transient in different startup speeds

研究表明，对于初始汽侧隔离阀为常闭的SPRHR 系统设计方案，采用合适的启动速度可有效地改善系统响应特性，弱化汽锤启动冲击，提高系统启动稳定性。

4 结论

本文针对增设了SPRHR 系统的国内二代加百万千瓦级压水堆核电厂，基于RELAP5程序建立系统模型，对在全厂断电事故发生后SPRHR 系统启动过程的系统响应及汽锤现象进行了研究。研究结果表明：在合适的时间步长和空间步长下，RELAP5程序可很好地模拟该系统中发生的汽锤现象，从而可分析系统的响应特性，以确定较佳的系统启动模式；SPRHR 系统启动时出现的汽锤会对系统造成一定冲击，冲击的强度和持续时间受启动方式和启动速度的影响；保持SPRHR 系统汽侧隔离阀常开的方案可有效地消除汽锤现象，有利于系统的启动稳定性；对于SPRHR 系统汽侧隔离阀常闭的方案选择合适启动速度（阀门开启时间）可有效地弱化系统汽锤启动冲击，提高系统启动稳定性。

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［4］ KALIATKA A，VAISNORAS M.Simulation of water hammer experiments using RELAP5code［C］∥International Conference of Nuclear Energy for New Europe 2005.Slovenia：［s.n.］，2005.

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