基于热工水力程序cosFlow的消防系统仿真

邓朝霞，林 萌，陈玉昇，杨燕华

(上海交通大学核科学与工程学院，上海 200240)

1 引言

消防系统( Fire Protection System，FPS)为核电站中的一个子系统，其主要作用是防止核电厂火灾蔓延，为核电厂提供消防水，避免核电厂受火灾危害。该系统能否正常运行关乎到核电厂的安全，是核电厂正常运行的重要保障，亦是火灾发生时核电厂运行人员的生命线。

李京将AP1000核电站的消防系统与传统压水堆的消防系统进行比对，总结了非能动消防系统的特点[1]。李晓辉等人分析了AP1000的消防系统主要功能，并将其与压水堆M310的消防系统进行比较，从而得出AP1000的消防系统具有复杂程度低、设备多样性高等特点[2]。马国建等人将ACP1000和AP1000中的消防水系统进行了对比，得出AP1000消防系统具有可靠性高、安全性好、设备简化等特点[3]。诸多学者均对核电厂消防系统进行了研究分析，但仅停留在功能介绍，并未对系统进行建模仿真。

本文采用COSINE中的热工水力软件cosFlow对AP1000中的消防系统进行建模仿真，依据系统设计报告中的设计参数搭建系统模型，通过测试得到系统运行参数。后续将测试结果与设计报告中的设计参数进行比对，分析产生误差的原因。cosFlow不但能计算系统稳态运行时的参数，亦可捕捉瞬态工况下系统内的参数变化情况。用户可通过其获取各类工况下系统运行的参数，这对于核电厂的设计和建造具有十分重要的意义。同时，该仿真模型也可用于操纵员培训，为电厂提供FPS的仿真模型。

2 消防系统简介

2.1 系统功能介绍

消防系统的功能分为安全相关功能与非安全相关功能。FPS的安全壳贯穿件和安全壳隔离阀在设计基准事故中执行安全壳的隔离功能[4]。系统的非安全功能有以下几种情况：

1) 在机组正常运行时，FPS提供火灾探测和灭火功能，以保证发生火灾时重要结构、系统和部件的安全性。

2) 在火灾使CCS(设冷水系统)失去冷却功能时，FPS给RNS泵和热交换器提供额外冷却。

3) 在设计基准事件要求安全壳冷却时，若FPS可用，则其会给PCS提供备用补水水源。

4) 为SFP提供备用补水水源和喷淋水源。

5) 在严重事故中，FPS可以提供非安全相关的安全壳喷淋。

综上可知，FPS系统最主要的功能便是为各个系统或部件提供水源，以保证其消防灭火功能和冷却降温作用。

2.2 系统主要设备介绍

FPS系统设有两个水箱，如图1所示，水箱1为主供水箱，水箱2为备用水箱。水箱内置浸没式加热器，使水箱内水的温度维持在冰点温度之上。主供水箱的容积设计值为1320m3，水箱内的水由主厂房生活水系统或原水系统(后备水源)提供。水箱内的水量可以维持消防泵设计流量至少两个小时。备用水箱的容积设计值为1320m3，其与柴油消防泵临近。

泵主要有三种类型，电动消防泵、稳压泵和柴油机驱动消防泵。在系统接收到火灾报警的信号时，系统会自动启动电动消防泵，消防泵便可为主管道供水。稳压泵可为系统保持压力，提供驱动压头。若电动消防泵不能正常启动，则柴油机驱动消防泵会在更低的压力信号下启动。电动消防泵为手动停运，柴油消防泵仅在超速的情况下自动停运，其它情况下也需手动停运。采用两种不同类型的泵可以提高系统的安全性，在电厂失去电源情况下，柴油机驱动消防泵依旧能够在没有电源时启动。每台泵后都安装了止回阀，其作用是阻止倒流。

3 基于cosFlow的FPS系统

3.1 cosFlow软件介绍

COSINE软件包是国家电投集团科学技术研究院有限公司核电软件技术中心自主研发的堆芯设计和安全分析一体化软件包，cosFlow是COSINE软件包中的热工水力与安全分析软件[5]。其主要用来计算系统在各类工况下流体的流量、压力、温度等参数，通过搭建系统流程图，给定边界条件(如：压力边界、流量边界和热边界等)，设定管道、泵、阀门等组件的参数来对系统进行仿真和模拟[4]。

图1 FPS系统流程图

3.2 FPS系统模型

为了便于获取稳态运行时的参数，在建模时做了些许优化处理。水箱在实际运行情况下存在液位，即水箱顶部存在不凝性气体。为了便于模拟，在搭建水箱模型时，假定水箱为满水状态。在实际运行过程中消防系统给指定位置供水，水箱内的水逐渐减少，系统所能提供的流量亦会逐渐减小。通过优化处理，所模拟的稳态运行的流量为系统初始最大的流量，与设计值相符。

本次模拟主要分为三个工况，分别为备用模式(稳态运行模式)、事故触发工况(消防水喷淋)和事故触发工况(失去交流电的消防水喷淋)。

3.3 备用模式工况

稳态运行模式主要包括两个工况，分别如图2和图3所示。图2为水箱1的稳态运行模式，在建模时，设置阀门V034、V305、V507和循环泵MP04为开，阀门V802为关。运行工况为水箱模型内部循环模式，生活水不为水箱供水，主要观测参数为循环泵MP04的流量。图3为水箱2的稳态运行模式，在建模时设定阀门V035、V506、V508和循环泵MP05为开，阀门V803为关。运行工况也为水箱内部循环模式，生活水不为水箱供水，主要观测参数为循环泵MP05的流量。两个水箱内的水设计压力均为标准大气压，温度设定为25℃，水箱为竖直放置，设定其角度垂直于水平面。泵选取动力转速泵，其为正常运行，不发生卡轴。

图2 水箱1稳态运行模式

图3 水箱2稳态运行模式

经调试，给定水箱的尺寸参数、阀门的特性参数以及泵的性能参数可得到稳态运行时系统的全部参数。将稳态运行时的参数与系统设计值进行比对，如表1所示。

表1 稳态运行模式下流量计算值与设计值对比

从表1可得，由cosFlow建立的水箱稳态运行模式能够得到较好的计算结果，与设计值相比误差较小。

3.4 事故触发工况

当发生火灾事故时，消防系统可为事故现场提供消防水。在发生失水事故时，消防系统可以作为提供湿润安全壳穹顶或重新注满非能动安全壳冷却水箱的水源。在发生严重事故时，消防系统可提供一个非安全有关的安全壳喷淋功能。基于这两种功能，本次模拟着重调试消防水至PCS水箱的流量和至安全壳流量，以确保消防系统能在发生事故时为相应系统提供水源。

本次模拟的事故触发工况假定电动泵能正常运行，即水箱1能正常供水，备用水箱2未启用。在建模过程中，连接到水箱1的生活水作为压力边界，给水箱提供水源。隔离阀V009为关闭状态，电动消防泵从水箱抽水为消防管提供水，稳压泵正常运行为消防管稳压。水箱2所连接的柴油机驱动消防泵不启动，阀门V053B和V013均为关闭状态。阀门V053A为开启状态，图1中V053A后连接的消防管上的阀门均可设为开启状态。但在本次建模中为了避免其余边界对PCS水箱流量和安全壳喷淋流量产生影响，将接有边界的阀门设定为关闭状态，即图1中的阀V590、VC、V160、V440、V450、V140、V180、V190、V702和V109。

此工况中共设定三个边界条件：生活水设定压力为1.013×105Pa的压力边界，PCS水箱设定压力为1.2MPa的压力边界，安全壳喷淋设定压力边界为1.25MPa。阀门阻力系数依据设计规范中的阀门设计值来选取，管道参数按设计值给定相应的通流面积等参数。由于此系统中不涉及换热，故工质的温度均为25℃。通过一系列调试，可得系统稳态运行时的参数，将其与设计值进行比对如表2所示。

表2 事故触发工况下流量计算值与设计值对比

从表2中可知，在事故触发工况下，FPS系统能稳定运行，且运行时的至PCS水箱和安全壳喷淋的流量和压力参数与设计值相比误差较小，误差范围可控制在5%以内。

3.5 事故触发工况(失去交流电)

在失去交流电的情况下，电动消防泵不能启动，则柴油机驱动的消防泵会根据收到的低压力信号自动启动。火灾被扑灭后，每台水泵依然运行，直到其通过控制器被手动关闭。本次模拟的工况下，水箱1以及其连接的电动消防泵不启动，水箱2及其后面连接的柴油机驱动泵为消防管提供消防水。

在建模过程中，设定电动消防泵为关闭状态，水箱1不提供消防水。备用水箱2正常运行，其后面连接的柴油机驱动消防泵正常运行，阀门V053B为开启状态，阀门V013和V009B为关闭状态。阀门V053B其后面所连接的消防管阀门开度与未失去交流电时的事故触发工况保持一致。

此工况相较于上一事故触发工况而言，压力边界中的生活水边界由连接水箱1的生活水切换为连接水箱2的生活水，其余边界与上一工况保持一致。阀门、管道的设计参数沿用上一工况的给定值，柴油泵采用动力转速泵模式，给定设计扬程、性能曲线等参数。经过一系列调试，可得到系统稳态运行时的参数，将其与设计值进行比对如表3所示。

表3 失去交流电的事故触发工况下流量计算值与设计值对比

从表3中可知，在失去交流电的事故触发工况下系统能稳态运行，并为PCS水箱和安全壳喷淋提供相应的消防水。在搭建系统时，边界条件采用压力边界，与设计值相符。所观测的流量参数为系统计算结果，与设计值存在一定误差，但误差可控制在5%以内。

4 结论

本文阐述了核电站消防系统的主要功能并用cosFlow对其进行建模仿真，主要模拟了三种工况，分别为稳态运行模式、事故触发工况以及失去交流电下的事故触发工况。系统的设计参数依据设计文件中的参数确定，计算模型为两流体模型，系统内工质为单相液，不涉及相变及换热。最终将三种工况下的仿真结果与设计值进行对比，结果表明cosFlow建立的消防系统模型能够较好地模拟三种工况，且误差较小，cosFlow在热工水力建模时具备良好的计算能力。