CAP1400非能动安全壳整体试验蒸汽供应系统仿真

吴 淏，李卫华

（清华大学 核能与新能源技术研究院，先进核能技术协同创新中心，先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084）

CAP1400PCS（非能动安全壳冷却系统）综合性能试验在比例分析的基础上，研究不同蒸汽喷放条件下，事故后非能动安全壳冷却系统的整体响应［1］。试验过程中，蒸汽供应系统按要求向试验壳内喷放蒸汽，以模拟破口喷放事故工况。

蒸汽供应系统由电厂汽源提供过热蒸汽，由于流量跨度大，流量比达100∶1，同时峰值流量需要蓄热器与电厂蒸汽同时供应，单条管路难以实现流量调节。本文利用RELAP5／MOD3.3软件对蒸汽供应系统进行仿真，开展试验工况分析，为试验控制系统的设置提供依据和参考。

1 蒸汽供应系统建模

在系统设计方案中，为满足试验对工质流量和焓的要求，采用3条蒸汽支路联合充汽的方式，通过抓取系统设计方案中的关键要素，绘制了如图1所示的蒸汽供应系统的流程图。

图1 蒸汽供应系统流程图Fig.1 Process diagram of steam supply system

给定系统入口的蒸汽输入压力、温度作为入口边界条件，出口边界为使用WGOTHIC计算得到的试验壳内压力，它随时间的变化如图2所示。

图2 试验壳内压力响应曲线Fig.2 Pressure response curve of test shell

试验方案设定在模拟破口事故时，进壳蒸汽流量在1s内达到峰值，并维持该流量约1s的时间，之后流量迅速下降，在1s内降至50%峰值流量以下，具体流量变化过程示于图3。而为综合性能试验提供蒸汽的火电厂抽汽只能提供最大流量为50%峰值流量的蒸汽，于是系统中设置了蓄热器支路，通过蓄热器中闪蒸产生的短时间、大流量的蒸汽弥补蒸汽流量的不足［2］，即在进壳蒸汽总流量的峰值阶段，蓄热器支路至少需提供50%峰值流量的蒸汽。大流量减温器支路在一定流量范围内可有效地调节蒸汽的流量和温度，但当蒸汽流量很小时，就需要小流量减温器支路来完成流量调节任务。

图3 设计流量Fig.3 Design flow

根据3个支路供应蒸汽的流量特点划分3个支路在整个试验中需要完成的基本流量任务，如图4所示。由大流量减温器支路提供一个稳定的流量，这样支路流量变化就变得较平缓，能减少控制的难度。而流量波动较大的部分由蓄热器支路完成，在0～4s内提供一股瞬时、大流量的饱和蒸汽。小流量减温器支路在试验后期提供一个稳定持续的小流量饱和蒸汽。

图4 目标流量分解Fig.4 Design discharge decomposition

从图1可看出，3路蒸汽分别通入试验壳，每一路都相对独立，对其他两路的控制几乎不产生干扰，各支路之间的联系仅为试验壳内压力，为便于准确分析各支路的性能，可考虑单独搭建各支路模型。通过控制每一支路的蒸汽输出流量，使其达到对应的支路目标流量，从而令总输出流量能满足要求。各支路节点图如图5、6所示。

2 系统动态控制方案研究

2.1 蓄热器支路控制方案

蓄热器支路采用开环控制方案，直接指定支路出口流量调节阀的开度，具体参数列于表1。

蓄热器支路仿真结果如图7所示。图7表明，蓄热器支路可在0～4s内提供一股瞬时、大流量的饱和蒸汽，保证整个系统的流量需求，支路出口蒸汽焓也符合试验要求。

图5 蓄热器支路节点图Fig.5 Node of thermal storage branch

图6 大流量或小流量减温器支路节点图Fig.6 Node of large flow or small flow desuperheater branch

表1 蓄热器支路开环控制参数Table 1 Open-loop control parameter of thermal storage

2.2 大流量减温器支路控制方案

在减温器支路中需要进行的控制量为：

1）通过控制减压阀开度稳定减温器出口压力；

2）通过控制水阀开度稳定减温器出口温度；

3）通过控制出口汽阀控制支路出口流量按照指定流量运行。

减温器支路的控制是典型的多变量控制过程，支路中3个控制阀之间存在着强耦合［3］：系统进行流量控制时将对减温器压力产生影响，进而对汽阀的压力控制产生影响，对过热度的耦合响应也会引起水阀的动作，是一个相对复杂的系统。因而对减温器支路模型进行控制存在一定的难度。

图7 蓄热器支路仿真结果Fig.7 Simulation results of thermal storage branch

通过分析发现，减温器出口处压力的控制对系统性能的影响并不十分重要，因此考虑在优化方案中，取消对减温器出口压力的控制，改为控制流量，支路出口流量调节阀全开（图8）。

解耦控制方案仿真结果如图9所示。大流量减温器支路在整个工作过程中所提供的流量相对稳定，支路流量变化较平缓，在满足系统流量需求的前提下，该支路也更易于控制。

2.3 小流量减温器支路控制方案

小流量减温器支路的作用主要是在试验后期提供一股稳定持续的小流量饱和蒸汽。小流量减温器支路使用PI控制方案进行控制，仿真结果如图10 所示。图10 显示，该支路在此控制方案下，提供的蒸汽流量、焓达到了目标要求。

图8 大流量减温器支路解耦方案简图Fig.8 Decoupling scheme diagram of large flow desuperheater branch

图9 大流量减温器支路仿真结果Fig.9 Simulation result of large flow desuperheater branch

图10 小流量减温器支路仿真结果Fig.10 Simulation result of small flow desuperheater branch

蒸汽供应系统实际总流量与目标总流量比较示于图11。图11说明，采用上述控制方案可满足蒸汽供应系统对蒸汽流量的要求。

图11 实际总流量与目标总流量对比Fig.11 Actual flow vs.target flow

3 结论

蒸汽供应系统在0～4s内总流量变化非常剧烈，使得系统控制难度较大。

本文中，根据3个支路供应蒸汽的流量特点，总目标流量被划分为3个部分，由3个支路在整个试验中配合完成。通过仿真发现，由大流量减温器支路在0～4s内提供一股稳定的流量，使用解耦后的PI控制方案进行控制；蓄热器支路则采用开环控制方案，提供瞬时、大流量的蒸汽；小流量减温器支路的流量曲线较平滑，无突变，较易控制，仅用PI控制即可满足目标流量变化的要求，在试验后期提供稳定持续的小流量饱和蒸汽。最终实现了对蒸汽供应系统的有效控制。

［1］ United States Nuclear Regulatory Commission.RELAP5／MOD3.3code manual：Nuclear safety analysis division，NUREG／CR-5535／Rev［R］.USA：Information Services Laboratory Inc.，2001.

［2］ SAURY D，HARMAND S，SIROUX M.Flash evaporation from a water pool：Influence of the liquid height and of the depressurization rate［J］.International Journal of Thermal Sciences，2005，44（10）：953-965.

［3］ 宁德亮，庞凤阁，高璞珍.喷水减温器动态仿真模型的建立及其解法［J］.核动力工程，2005，26（3）：280-283.NING Deliang，PANG Fengge，GAO Puzhen.Establishment and solution of dynamic simulation model for spray desuperheater［J］.Nuclear Power Engineering，2005，26（3）：280-283（in Chinese）.