船用一体反应堆启停系统的设计

李常伟 蔡报炜 郭 锐

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

0 引 言

船用一体反应堆结构紧凑、固有安全性高，在中小型反应堆的发展中具有很大优势［1］。船用一体反应堆直流蒸汽发生器在启动过程中，其负荷随着反应堆功率的提升而增加［2］，在实际运行中，规定当反应堆功率达到一定值时蒸汽发生器出口蒸汽过热度达到要求，继续提升堆芯功率，二回路侧主要依靠给水流量的增加实现跟随。直流蒸汽发生器的停止过程是启动过程的逆过程，主要参数的变化趋势与启动过程相反。

在套管式直流蒸汽发生器中，一回路冷却剂在内管内侧和外管外侧自上向下流动，加热窄缝间隙中流动的二回路水，使沿着窄缝间隙长度方向流体空泡份额发生变化：从进口的过冷水到出口的过热蒸汽，经过过冷水、汽液两相和过热蒸汽3个流动过程。研究中发现，随着堆芯功率的变化，沿间隙长度方向各段的长度会发生变化。随着反应堆功率的降低，OTSG传热管的过冷区和沸腾区的长度都会减小，过热区的长度增加；当堆芯功率降低至一定水平时，过热区的长度占据整个OTSG换热管的绝大部分，如图1所示。

图1 过热区长度随反应堆功率的变化

在不同的功率条件下，直流蒸汽发生器中3个区间的长度发生变化。由图中可以看出，在功率比较低时单相水区所占的比例较小，管道中大部分都是过热蒸汽段，由于过热段有很强的可压缩性，使流动不稳定性发生的可能性增大；而且，由于过冷区和沸腾区的长度都大幅减小，二回路侧流体在过冷区和沸腾区的对流换热系数远远大于其在过热区的对流换热系数，即过冷区和沸腾区承担了主要的换热任务。由于在低功率下，过冷区和沸腾区的长度变得很小，造成传热管在此部分的温度梯度变得很大，这会给传热管带来较大的热冲击，并可能导致传热管热疲劳变形甚至破裂。

对于固定的系统，其进口过冷度、系统压力和热流密度都是确定的，由第4章的结论可以得出，只能通过改变进口的节流系数来提高系统的稳定性；当节流系数确定后，在不同的负荷工况下产生的节流压降是不相同的（如图2所示），此为不同负荷下，进口节流压降随给水流量的变化情况。

图2 入口节流压降随反应堆功率的变化

可见，在低负荷工况下，进口给水流量比较小，节流产生的压降很小，因此系统在低功率下运行时可能使系统的稳定性降低。

为了避免流动不稳定等不安全现象，反应堆启动时可以采用以下方案：反应堆功率从零功率开始增大时，OTSG二回路侧提供一定的给水流量。由于给水流量大于当前功率点处的稳态流量，所以刚开始时OTSG出口不会产生过热蒸汽，其出口流体为单相水或汽水混合物。随着功率的提升，OTSG在一定功率点处达到稳态，产生符合要求的过热蒸汽，这样的蒸汽才准许送入汽轮机系统。此后，功率的提升和给水流量的增加将是相互匹配的，即根据汽轮机的负荷要求，反应堆功率跟随二回路给水流量的变化以满足汽轮机系统的要求，OTSG出口不应该出现水或汽水混合物。OTSG的停止过程与启动过程在原理上是相同的，仅操作顺序上有如下区别：首先，功率和给水流量同步降低；当功率降到一定值时，给水流量也保持在一定值不再变化，直至余热排出系统投入运行。

为保证汽轮机系统的安全，在汽轮机运行过程中产生的不符合要求的水以及汽水混合物和饱和蒸汽、微过热蒸汽均不允许进入汽轮机系统。因此需设置专门系统来收集和处理这部分流体，将其中的水直接排入冷凝器热阱，同时将其中的蒸汽凝结成水，并降低至符合要求的温度和压力值后，再 送入凝给水系统，从而实现OTSG安全启停和二回路侧流体循环利用。这个系统就是启停辅助系统。

1 启停辅助系统的设计

在一体化反应堆启动和停止过程中，启停辅助系统起着至关重要的作用，通常可分为内置式汽水分离器启动系统和外置式汽水分离器启动系统，可以带循环启动也可以不带循环启动。在启动过程中，需要有一定的启动参数，如启动压力、启动流量和启动速度等。启动压力的选取主要与受热面的水力特征，工质膨胀现象，节流阀的腐蚀和给水泵的电耗等有关，为了保证一体化反应堆启动时水动力稳定，避免脉动，减少膨胀量，同时也为了减少节流阀腐蚀、噪声和给水泵电耗，启动压力应该适当选取，流量的大小直接影响到启动的安全性和经济性。启动流量越大，工质流经受热面的质量流速也越大。这对受热面的冷却，改善水动力特性都是有利的，但工质的损失和热量的损失也相应增加，启动旁路系统的设计容量及电动给水泵的容量也要加大。反之，启动流量过小，受热面冷却和水动力稳定就得不到保证。因此，启动流量的选择是在保证受热面得到可靠冷却和工质流动稳定的条件下尽可能选择的小些；在机组启动过程中，机组的启动时间主要取决于蒸汽的升温速度，受热部件中厚壁部件较少，工质元件受热或冷却容易达到均匀，升温冷却速度较快，启停时间较短。因此，一体化反应堆在启停过程和直流锅炉的启动控制系统相似，可以借鉴直流锅炉的启动控制系统设计思路［3］。

1.1 直流锅炉启停辅助系统的设计

直流锅炉没有汽包，在锅炉启停以及低负荷变压运行时，工质参数未达到临界点以上时，从水冷壁出来的汽水混合物如果直接进入各级过热器，会造成水击、热应力和受热面破管等事故［4-5］，。因此直流锅炉均设有1套启动系统，以适应启停工况与低负荷变压运行工况。在直流锅炉的启动系统中，汽水分离器是关键设备，它的作用是分离从水冷壁出来的汽水混合物。从汽水分离器分离出来的蒸汽通过汽水分离器顶部引出管进入锅炉尾部包墙，然后依次流经一级过热器、屏式过热器、中间过热器和末级过热器，最后由主汽管道引出。分离出来的饱和水进入储水罐，储水罐内保持一定的水位。当水位升至高水位时，及时排除储水罐内的饱和水，防止把水带入受热面。储水罐排出的水如果水质合格，就回收到汽水循环系统中；如果水质不合格，就排放到排污扩容器中。

直流锅炉启动系统按分离器正常运行时是否参与系统工作可以分为内置式分离器启动系统和外置式分离器启动系统，见图3。

图3 内置式分离器和外置式分离器对比

外置式分离器启动系统是指分离器不参与系统运行，启动后即切除。外置式汽水分离器只在启动和低负荷时使用，正常直流运行中切除，适用于定压运行机组。内置式分离器启动系统是指汽水分离器串联在水冷壁与过热器之间，在锅炉启动和低负荷运行时，锅炉带分离器运行时，蒸汽先经过分离器进行汽水分离，饱和蒸汽进入过热器，饱和水排至储水罐。当锅炉直流运行时，从水冷壁出来的微过热蒸汽经过分离器，进入过热器，此时分离器仅起连接通道作用。其优点是操作简单，不需切除分离器，在反应堆运行过程中，分离器一直处于热状态，当蒸汽发生器负荷降低，蒸汽发生器需要投入工作时，无需预热汽水分离器，也没有阀门开启的动作，运行更加简单可靠，适用于变负荷运行，简化了系统。但其缺点是分离器要承受锅炉全压，对其强度和热应力要求高并且汽水阻力较大。因此内置式汽水分离器启动系统适用于变压运行锅炉。

根据直流锅炉启动过程中，汽水分离器分离出水的循环方式，可以分为带循环系统和不带循环简易系统两大类，见图4。

图4 带循环和不带循环启动系统

在带循环的启动系统中，汽水分离器一部分疏水被引至循环泵入口，经循环泵升压后送至省煤器入口，使锅炉给水在热力系统中循环。在锅炉点火初期，启动循环泵，可以保证经过水冷壁的流量达到规定值。这种系统较为复杂，设备及材料投资较大，但它的优点在于工质热量损失较少，可以缩短启动时间，在启动阶段可以节约燃料，降低使用成本。在不带循环的简易系统中，分离器分离出来的饱和水直接排至汽轮机冷凝器，这样使工质热量损失较大、燃料消耗较多，而且锅炉启动时间相对较长。但其投资少，设备检修维护工作量也小。

综上所述，直流锅炉的启动系统根据汽水分离器类型可以分为内置式汽水分离器启动系统和外置式汽水分离器启动系统，根据分离器分离出的饱和水的循环方式可以分为带循环的启动系统和不带循环的启动系统。它们各有优缺点，在直流锅炉的设计过程中，应综合考虑机组承担的发电任务、燃料价格、设备造价等各方面的因素，通过技术经济比较，选择最优化的方案。

1.2 一体化反应堆启停辅助系统的设计

直流锅炉的启动系统功控制复杂，控制阀门数量较多，往往采用外置式汽水分离器，汽水分离器材料要求较低，容易产生流动波动。一体化反应堆启停辅助系统在一定程度上与直流锅炉的启动系统相似，其主要功能是在反应堆启动或停止时，对直流蒸汽发生器产生的汽水混合物进行处理，并避免流动不稳定的产生，其控制系统相对于直流锅炉更简单，结构更简化，采用内置式汽水分离器，阀门数量减少，系统的安全性及对汽水分离器的材料要求高。

在本文的一体化反应堆二回路系统中，给水温度为373 K，汽水分离器分离出的饱和水温度在506 K左右。随着堆芯功率的提升，分离器分离出的饱和水流量不断减小，如果采用带循环的系统，在给水进入蒸汽发生器之前会有与分离器分理处出来的水混合的过程，而且混合后水的温度会不断减小，这会对混合部分管道造成一定的热应力，对运行的安全性产生影响；同时，考虑到一体化反应堆体积的限制，我们采用不带循环的系统。因此本文设计的启停辅助系统系统如图5所示。

图5 直流蒸汽发生器启停辅助系统图

当启停辅助系统投入运行时，汽水分离器起着分离汽水混合物的作用，其中的蒸汽进入汽轮机管道进行暖管，然后经疏水系统进入冷凝器。分离出来的水先作为热源加热二回路的给水，从热交换器出来的水进入冷凝器进行冷却，然后经过给水泵加压后作为二回路的给水，这样可以有效地利用汽水分离器分离出的饱和水的热量，提高了给水的温度，可以在相同的加热功率条件下得到更多的饱和蒸汽流量；当直流式蒸汽发生器出口变为过热蒸汽时，启停辅助系统停止使用，汽水分离器作为蒸汽流过的通道。

2 启停辅助系统的仿真

陈五星［6］通过JTopmeret程序对直流蒸汽发生器启停辅助系统方案及相应的控制方式进行仿真建模分析；刘建阁等［7］通过RELAP5程序对一体化轻水堆稳压器汽腔破口事故和主泵断电引起的丧失流量事故进行安全分析。

核动力系统在设计时需要详细评价各种运行瞬态和意外事件瞬态，进行核安全分析，以便掌握运行规律和各种事故规律，从而制定出应对各种运行状态和事故的处理规程，并作为操作员的处理原则。为了合理评价这些运行瞬态和意外事件，就需要有一套行之有效的分析方法和工具。

目前已经有了一系列相当成熟的计算机程序来预测反应堆在运行过程中的瞬态行为，按其方法可分为两类：一类是保守评价模型，采用偏于安全的模型或使用保守计算条件来评价一个即将建造的反应堆是否符合官方规定的安全准则；另一类是最佳估算程序，根据系统设备“最佳可用性”原则，力求尽可能准确地模拟反应堆系统的运行特性，去掉了一些不必要的保守性，从而评价系统瞬态响应行为［8］。RELAP程序是其中一个典型的轻水堆热工水力分析程序，可以进行保守计算和最佳估算。

RELAP程序是由美国爱达荷国家工程实验室开发、美国核管会（NRC）批准，用于工程审评的大型瞬态热工水力计算程序［9］，可用于规程制定、审评计算、事故减缓措施的评价、操作员规程评价和实验计划的分析等各个领域。RELAP5程序也已成为核电厂分析器的基础，几乎可以覆盖核电厂所有热工水力瞬变和事故谱。从1967年开始研制到RELAP5/MOD3投入使用有20多年。在RELAP5/MOD3.4版本中，集中了人们在两相流理论研究、数值求解方法、计算机编程技巧以及各种规模实验等方面取得的研究成果［10］。本文应用RELAP5程序对套管式一体化压水堆二回路特性进行研究，建模的关键部分是套管式直流蒸汽发生器以及板状燃料元件的窄缝隙换热模型。刘建阁等［11］利用RELAP5/MOD3.4程序对套管式直流蒸汽发生器的运行特性进行了研究，结果表明RELAP5/MOD3.4程序可以近似分析套管式直流蒸汽发生器有效传热区的流动和传热规律。

2.1 启停辅助系统节点图

本文在两相流动不稳定性的研究中，采用电加热模拟一回路动作的思路，如下页图6所示；在启停辅助系统的设计中，为了使仿真的结果更加真实，加入一回路的程序，包括堆芯、稳压器和主泵等关键设备，一、二回路节点图分别如下页图7所示。图 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，控制体512接给水泵111，控制体515接pipe010，014p代表堆芯，采用电加热的方式模拟堆芯的功率变化，026p为稳压器，131阀门，132为时间相关控制体，限制了稳压器的压力。启停辅助系统部分节点图如7所示，507为汽水分离器部件，508为蒸汽出口，TMDPSV510规定了出口蒸汽的压力和温度。512为液体回路接管，此通路的水流入冷凝器热阱，TMDPSV526规定了进入冷凝器流体的压力和温度，TMDPSV528规定了从冷凝器出来的给水温度，二回路给水在进入蒸汽发生器之前先与汽水分离器出来的水进行换热，190为换热元件。

图6 二回路节点图

图7 一、二回路节点图

2.2 启停辅助系统验证

为了对启停辅助系统的功能进行验证，在反应堆运行时可以采用固定二回路给水流量不变，改变堆芯加热功率的方法进行研究，此时一回路平均温度变化很大。若固定堆芯加热功率不变，改变二回路给水流量时，一回路平均温度变化不大。所以，为避免产生大的温度变化，以后的研究决定采用固定堆芯加热功率，改变二回路流量的方法进行。

研究中发现，对于特定的结构来说，加入足够的入口节流可以提高系统的稳定性，防止管间脉动流动不稳定性的发生，但是当给定一定的入口流量，逐渐增加加热功率时，蒸汽发生器出口含汽率会增加，当平衡态含汽率接近1.0时，在出口处会出现流量的震荡，直到出口的平衡态含汽率大于1.0时才会稳定运行。

确定了初步方案后，将一回路、蒸汽发生器和启停辅助系统的程序连起来，验证启停辅助系统的可行性。为保持蒸汽发生器中有足够的水位，在启动过程中将二回路的流量设定为总流量的40%（35.5 kg/s），堆芯功率从总功率的0%（0.0 MW）开始增加到满功率的40%（88.0 MW）。

由图7可知，给水进入蒸汽发生器前先由汽水分离器分离出的饱和水进行加热，经过换热器后的给水温度会高于初始给水温度。为了验证换热器的功能，我们取使用换热器和不使用换热器时蒸汽发生器进口温度作对比，结果见图8。

图8 蒸汽发生器进口温度比较

由图8可见，使用换热器时，蒸汽发生器进口水温度先升高然后降低，这是因为换热器中加热水是来自汽水分离器分离出的水，在运行初期由于反应堆功率很低，蒸汽发生器出口水仍为过冷水，分离出的水传递给二回路给水的热量很少，因此经过换热器后的给水温升较小；随着功率的升高，汽水分离器分离出来的水温度升高，换热器出口的给水温度也逐渐升高；而在运行后期，随着反应堆功率升高，蒸汽产量越来越高，由分离器分离出的饱和水不断减少，给水的温度逐渐降低，从而形成图8所示的温度峰值。

同时，记录未加入换热器时汽水分离器分离出的蒸汽量，并与加入换热器时汽水分离器分离出的蒸汽量作对比，结果见下页图9。由图9可见：未加入换热器时，蒸汽量的变化较陡；加入换热器后，蒸汽量的变化趋缓，且汽水分离器分离出的蒸汽提前出现。这在一定程度上可以缩短启动时间，同时减小出口蒸汽量的变化率，使蒸汽发生器有足够时间应对蒸汽量的变化，减缓汽水分离器负载量的变化率，有利于蒸汽发生器和汽水分离器的安全。

图9 加换热器后汽水分离器蒸汽产量比较

汽水分离器是启停辅助系统中的关键设备，为了验证汽水分离器的功能，记录汽水分离器的出汽量和液体回落量（见图10），由图10可见，随着功率的增大，汽水分离器出口含汽率不断增大，由分离器分离出的饱和蒸汽产量不断增加，而分离出的饱和水量呈减小趋势，则证明汽水分离器可以实现其功能。

图10 汽水分离器出汽量和液体回落量

由以上分析可见，在本文所设计的启停辅助系统中，各关键设备均可较好实现其功能，从而证明本文所设计的启停辅助系统可行性。

3 结 语

本文通过借鉴直流锅炉启动系统的特点，设计一体化反应堆的启停辅助系统，在设计的系统中，直流蒸汽发生器产生的两相混合物进入汽水分离器，分离出的蒸汽进入汽轮机管道暖管，然后经过疏水系统进入冷凝器热阱；分离出的饱和水与给水泵的给水进行换热，然后流入冷凝器的热阱。加入启停辅助系统后，除了处理套管式直流蒸汽发生器产生不符合参数的流体外，同时提高了启停过程中蒸汽发生器的给水温度，缩短了启动过程，也增加了系统的安全性。