核电站应急给水系统对蒸汽喷射泵的性能要求分析

武心壮

(上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233)

作为主给水系统的备用系统，传统压水堆的应急给水系统是在主给水失效时使用的。在电站事故停堆工况下，应急给水系统用来维持电站热停堆工况以足够的时间，并且将反应堆冷却到余热排出系统能够投入运行的状态。在现有的压水堆应急给水系统中，驱动装置包括电动泵、柴油机泵和汽动泵，以电源或柴油机作为驱动源，并以旋转机械实现给水输送。

在蒸汽喷射泵的研究方面，国内外学者针对超音速汽液两相流升压装置的升压能力及其应用于核反应堆系统中的性能特点展开了大量研究。在意大利，致力于轻水反应堆研究的发电委员会ENEL与Cattadori等合作，从1991年开始展开了对超音速汽液两相流升压装置在核反应堆中的应用可行性研究。他们以1∶6的比例做出了可以应用于沸水堆紧急补水供应系统的超音速汽液两相流升压装置，实验结果表明，在进口冷水压力为0.2 MPa，进口冷水温度为15～37 ℃，进口蒸汽压力为2.5～8.7 MPa的条件下，超音速汽液两相流升压装置可以稳定地得到高出进口蒸汽压力10%左右的高压水[1]。Malibashev[2-4]对蒸汽喷射泵进行了实验研究，蒸汽喷射泵的最大升压能力可以达到进汽压力的2.8倍左右，并对蒸汽喷射泵用于核反应堆堆芯紧急冷却系统时的性能进行阐述。彭云康等[5]初步探讨了提高AC600二次侧非能动余热排出系统除热能力的方法，介绍了超音速汽液两相流升压加热装置的工作原理，及其在AC600二次侧非能动余热排出系统中的布置方式。马昕霞等[6]对多喷嘴汽-液两相喷射性能进行了实验研究，得到喷射泵的结构参数和蒸汽参数对喷射泵性能的影响规律。严俊杰等[7-11]对超音速汽液两相流升压装置的升压特性、升压过程、阻力特性、汽液两相之间的换热规律以及最大升压能力等进行实验研究与理论分析，掌握了该装置主要性能特点和主要影响因素对其性能的影响规律，并将其发展应用于民用供热系统中，取得了良好的效果。

笔者提出采用蒸汽驱动的喷射泵作为驱动源的应急给水系统，并根据百万千瓦级压水堆核电站的参数，提出了针对蒸汽喷射泵的性能要求，为采用蒸汽喷射泵提供应急给水的可行性提供借鉴和参考。

1 系统配置

图1给出了采用蒸汽喷射泵的应急给水系统配置示意图，主要包括反应堆压力容器、一回路主管道、反应堆冷却剂泵、蒸汽发生器、蒸汽喷射泵组、应急给水箱以及相关阀门，其中蒸汽喷射泵组可以是单级或多级蒸汽喷射泵的并联或串联组合。正常功率运行时，由主给水泵组向蒸汽发生器供水，带走堆芯热量，转变成蒸汽后进入汽轮机做功。在电站事故停堆工况下，当丧失主给水时，应急给水系统将投入运行，用来维持电站热停堆工况以足够的时间，并将反应堆冷却到余热排出系统能够投入运行的状态。

图1 采用蒸汽喷射泵的应急给水系统配置示意图

当核电站二回路丧失主给水时，核电站随后停堆，堆芯衰变热将继续加热一回路流体和二回路流体，使一回路和二回路升温升压。所提出的应急给水系统利用蒸汽发生器中的部分蒸汽通过蒸汽喷射泵引射低温低压给水，升温升压后注入蒸汽发生器，转变成蒸汽后排入大气，实现带走衰变热的目的。

2 分析方法及结果

2.1 分析方法

应急给水投入后的带热过程是一个瞬态过程，一回路和二回路的压力和温度随时间的变化规律与应急给水的投入时间和流量有关，本文的目的是研究满足应急给水功能的蒸汽喷射泵性能要求，即对喷射系数和升压比的要求。根据流程配置，为了便于分析，进行如下假设：

(1)丧失主给水后立即停堆，主蒸汽安全阀起跳，且应急给水立即投入，不考虑蒸汽发生器液位的变化。

(2)一回路温度变化不考虑稳压器蒸汽的影响，由液体的温度变化体现。

(3)一回路的平均温度与二回路的饱和蒸汽温度相同。

(4)不考虑二回路金属热容。

笔者参考AP1000的功率和热备用温度，以及启动给水系统的热备用时间和冷却时间，设定了计算要求[12]，具体见表1。

表1 分析参数及要求

根据停堆冷却的要求，将冷却过程分为降温到热备用温度、维持热备用温度和降温到余热排出系统投入温度3个阶段。停堆后，为了将一回路温度尽快降低到热备用温度，需维持应急给水流量不变。达到热备用温度后，随着衰变热的减小，需要的应急给水流量逐渐减小。在降温到余热排出系统投入温度阶段，为了适应衰变热的变化，同时保持降温速率，需要调节应急给水流量。结合假设条件，采用能量守恒将一、二回路的热量变化和衰变热结合起来。得到3个阶段的应急给水流量与一回路温度变化的关系如下：

(1)

(2)

(3)

式中：qm为给水质量流量，kg/s；qm(t)为t时刻的给水质量流量，kg/s；C为一回路热容，J/K；P(t)为t时刻的衰变热功率，W；t为时间，s；τ为停堆开始到热备用的时间，s；ΔT(τ)为停堆开始到热备用时的一回路温差，K；hs为二回路蒸汽的焓值，J/kg；hf为给水焓值，J/kg；T为降温速率，K/h。

对于公称直径为DN150的给水管道，为了降低给水管道的流速，此处对蒸汽喷射泵出口总流量qm0进行限制，因此蒸汽喷射泵的喷射系数为：

(4)

为了保证蒸汽喷射泵出口的混合流体能够注入蒸汽发生器，要求蒸汽喷射泵的的升压比φ(φ=po/ps)至少为1.2，其中po为蒸汽喷射泵出口蒸汽压力，MPa，ps为蒸汽喷射泵进口蒸汽压力，MPa。但是在降温降压阶段，如果仍然维持较高的蒸汽喷射泵的出口总流量，会造成管线阻力太大，导致蒸汽喷射泵升压比增大，从而增加了蒸汽喷射泵的设计难度。因此在降温降压阶段，为了维持升压比不变，应适当提高对喷射系数的要求。

2.2 分析结果

基于本文的分析方法，得到了一回路平均温度随时间的变化情况(见图2)。从图2可以看出，在应急给水投入的初始阶段，一回路平均温度先升高，然后逐渐降低到热备用温度，这是由于停堆初期衰变热较大，应急给水的带热能力小于衰变热，随着时间的增加，衰变热逐渐小于应急给水带热能力，所以温度达到最高值后逐渐降低。当一回路平均温度达到热备用温度后，维持8 h温度不变，然后在6 h内以相同的速率降温到余热排出系统投入温度。

图2 一回路平均温度随时间的变化

图3给出了蒸汽喷射泵进口蒸汽压力随时间的变化曲线。由图3可知，在停堆第一阶段初期，由于主蒸汽安全阀起跳，蒸汽压力维持不变后逐渐降低到热备用温度对应的饱和压力，然后在热备用阶段保持不变，在降温阶段均匀降低。蒸汽压力是影响蒸汽喷射泵性能的关键参数之一，蒸汽压力曲线要求蒸汽喷射泵在较大压力区间保持变工况运行能力。

图3 蒸汽喷射泵进口蒸汽压力随时间的变化

图4给出了与停堆冷却要求匹配的蒸汽喷射泵喷射系数随时间的变化曲线。从图4可以看出，在停堆的第一阶段，喷射系数保持不变；在热备用阶段喷射系数在较大幅度的减小后，减小趋势减缓；在降温阶段，喷射系数逐渐增大。在第一阶段喷射系数不变是由于应急给水流量和蒸汽喷射泵出口总流量都不变；喷射系数在热备用阶段初期减小幅度较大是由于仅维持热备用温度的应急给水流量需求小；在降温阶段初期喷射系数增大是由于系统突然需要增加给水流量以维持要求的降温速率，然后相对缓慢增大是因为维持升压比不变导致蒸汽量减小，从而使喷射系数增大。

图4 蒸汽喷射泵的喷射系数随时间的变化

与图3比较可知，停堆冷却第一阶段是在蒸汽压力基本不变的条件下，要求维持喷射系数不变；热备用阶段也是在蒸汽压力不变的条件下，要求喷射系数逐渐减小；停堆冷却阶段在蒸汽压力逐渐下降的条件下，要求喷射系数逐渐增大。因此可以看出，在停堆过程中的不同阶段，提供给蒸汽喷射泵的蒸汽压力和对喷射系数的要求是不同的。为了满足应急给水系统对蒸汽喷射泵的性能要求，蒸汽喷射泵可采用单级或多级蒸汽喷射泵的组合，同时通过调节蒸汽喷射泵出口蒸汽压力或其他汽水参数以满足蒸汽喷射泵的性能要求。

3 结 论

(1)蒸汽压力在停堆第一阶段维持不变后逐渐降低，要求维持喷射系数不变；蒸汽压力在热备用阶段保持不变，要求喷射系数逐渐减小；蒸汽压力在降温阶段均匀降低，要求喷射系数逐渐增大。

(2)蒸汽压力曲线要求蒸汽喷射泵在较大的压力区间保持变工况运行能力。根据应急给水系统对蒸汽喷射泵的要求，蒸汽喷射泵可采用不同的配置形式，并调节汽水参数以满足蒸汽喷射泵的性能要求。

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