非能动安全壳冷却系统启动策略试验研究

黄晨，赵斌，孟兆明，孙中宁

1. 中国核电工程有限公司，北京 100840

2. 哈尔滨工程大学 核科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150001

3. 哈尔滨工程大学 黑龙江省核动力装置性能与设备重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001

安全壳是防裂变产物泄漏的第3 道屏障。在发生引起安全壳压力和温度上升的事故后（失水事故或二回路管线破裂事故），安全壳喷淋系统（containment spray system, CSP）投入运行，CSP 系统可将安全壳的压力和温度限制在设计限值以内，从而维持安全壳的完整性。在全场断电以及安喷系统不可用的其他工况下，需要非能动安全壳热量导出系统（passive containment heat removal system，PCS）来降低安全壳压力[1-9]。

PCS 系统与CSP 系统如何协同，需要结合系统配置进行PCS 系统启动策略研究。通过实验研究PCS 系统备用状态对系统启动特性的影响来支持工程策略的选择。

1 PCS 系统启动策略实验研究内容和实验装置

PCS 系统配置如图1 所示。当系统处于备用状态时，隔离阀阀位存在4 种组合方案，如表1 所示。

表1 PCS 系统备用状态阀位组合

图1 PCS 系统单个系列的流程简图

启动策略实验的主要任务是研究热管段和冷管段上的隔离阀在系统长期备用状态的隔离策略选择及其对系统启动性能的影响。

为开展PCS 系统启动策略实验研究，在哈尔滨工程大学搭建了PCS 系统综合性能验证试验装置，如图2 所示，综合性能试验验证装置流程如图3 所示。该装置主要由冷凝罐组件、冷却水箱组件、自然循环回路、汽–气供应系统及测量和数据采集系统等5 部分组成。

图2 PCS 系统综合验证试验装置

图3 PCS 系统综合性能验证试验装置流程

2 非能动安全壳冷却系统启动策略试验研究及分析

2.1 系统隔离及启动策略分析

表1 所述4 种阀位组合方案对应4 种PCS 系统启动策略。

方案1双隔离阀开启，系统一直处于“准运行状态”。严重事故状态下，PCS 系统自动启动，热管段水温逐渐增加，能够较好地克服PCS 管段内可能出现的“汽锤”现象[10-14]，启动过程较为平稳；反应堆正常运行时，只要安全壳内与PCS 水箱内存在温差，PCS 系统即可实现对安全壳内持续带热，同时还有利于缓解水箱内的水在寒冷冬季面临的结冰问题。

方案2冷管段隔离阀关闭，系统回路中无工质流动。严重事故状态下，按照操作员指令投入运行，冷管段隔离阀打开，回路中工质受热膨胀流向热管段，冷、热管段流体密度差增加，有利于系统的顺利启动。但是隔离阀需在内部换热器管内出口温度达到当地压力下的饱和温度前打开，因为一旦超过饱和温度，热管段内会产生瞬态两相流及“汽锤”现象，对系统安全性构成威胁；反应堆正常运行时，PCS 系统被有效关闭。

方案3热管段隔离阀关闭，反应堆正常运行时，PCS 系统被关闭。严重事故时，按照操作员指令投入运行，回路中的工质受热膨胀流向冷管段，冷管段内密度减小，在隔离阀打开时系统内可能发生工质倒流和“汽锤”现象，甚至出现长时间倒流，系统投运无法得到可靠保证。

方案4 双隔离阀关闭，反应堆正常运行时，PCS 系统被彻底隔离。严重事故时，按操作员指令打开双阀门，由于回路中充满水，随着周围环境温度升高，系统内压力增大，可能造成系统超压。因此，除非核安全法规要求PCS 处于备用状态时需要彻底隔离，否则不建议采用该方案。若确实有必要采用，则应在回路上设置微启式卸压安全阀保证系统安全。

综合以上分析，方案1 和方案2 为可供选择的较优方案，方案3 与方案4 则不建议采纳。因此，本文将针对方案1 与方案2 开展试验研究，进一步分析方案的优缺点，为最终隔离方案的选取提供可靠依据

2.2 系统启动特性试验研究

2.2.1 方案1 系统启动试验及特性

当冷凝罐内压力达到方案1 所要求的压力，维持冷凝管内压力基本不变，直至启动过程结束，系统运行进入稳态工况。所测得PCS 系统回路及冷凝罐中压力、温度、流量随时间变化如图4~6 所示，其中自然循环流量及功率为无量纲参数（下文相关参数均为无量纲参数）。

图4 开阀启动过程中自然循环流量和功率随时间变化

图5 开阀启动过程中自然循环温度随时间变化

图6 开阀启动过程中冷凝罐内混合气体压力和温度及换热器外壁面平均温度随时间变化

系统的启动可分为3 个阶段。

1) 第I 阶段

在这一阶段，随着蒸汽流入冷凝罐，PCS 系统快速做出响应，产生自然循环流动，并随着蒸汽流量的增加，冷凝罐内的温度和压力及换热器出口温度均呈现较快增长趋势，而换热器入口温度则增加比较缓慢，从而导致系统的自然循环流量和排热功率均大幅度提高[15]。系统总体运行平稳，热工参数波动很小，呈现单相自然循环状态。

2) 第II 阶段

在这一阶段，回路中处于单相流动状态，其间，尽管冷凝罐内的温度和压力都在继续上升（如图4 所示），但由于换热器内流体温度增长较快，使换热器在冷凝罐内的传热温差明显减小，其间，虽然回路中的流量稳中有增，但增幅很小(约增加7.3%)，而且换热器内流体的进出口温差相应也有所下降（约7 ℃），因此，综合效果是系统的排热能力下降，降幅约为20%（如图4 所示）。

3) 第III 阶段

当换热器入口温度升至83.4 ℃时，换热器出口温度达到104.5 ℃，远高于当地大气压力下的饱和温度，于是在PCS 系统出口附近开始产生闪蒸现象，急剧增加的驱动压头使系统的自然循环流量和排热量都发生阶跃性大幅度增加。之后，随着大量冷流体的流入，换热器的出口温度急速下降，换热器导出的热量不足以维持闪蒸所需的流体过热度，闪蒸过程很快消失，流动恢复至单相自然循环状态，流量和排热量相应下降至单相自然循环水平。约242 s 发生第2 次闪蒸，之后这一过程不断重复发生，但间歇周期则随着换热器进口温度的上升而变得越来越短，回路中的平均流量持续提高。直至换热器入口水温达到当地大气压力下的饱和温度（约99.2 ℃），此后换热器进口温度保值稳定不再变化，回路中的流量则保持规律的周期性波动状态，平均流量基本保持不变，系统的启动过程结束。在第III 阶段，系统的平均排热量一直呈下降趋势。

2.2.2 方案2 系统启动试验及特性

当冷凝罐内温度达到122 ℃时，均匀开启V301 隔离阀，开阀时间约持续120 s。继续提高冷凝罐内压力至第2 设计工况压力，之后维持冷凝罐内的压力基本不变，直至启动过程结束。所测得PCS 系统回路中流量及功率随时间变化如图7 所示。从图7 可看出，系统启动过程可分为4 个阶段。与方案1 的系统启动特性对比(图4与图7)可以发现，采用方案2 时，除开阀瞬态阶段，系统在其他各阶段的运行特性与方案1 基本相同，不再赘述，故本文对开阀瞬态阶段的系统响应特性进行详细分析。

图7 闭阀启动过程中自然循环流量和功率随时间变化

图8 为开阀瞬态阶段自然循环冷却剂温度随时间变化。从图8 可看出，在隔离阀开启之前，热管段测点T305、T308、T309 处的水温分别达到了117.8、62.5 和28 ℃，说明不仅换热器中的水温（约118 ℃）大大超过了外部环境大气压力下的饱和温度（哈尔滨当地大气压力下的饱和温度约为99.2 ℃），而且回路中的水也在热膨胀、自然对流和导热的联合作用下，将热量沿热管段传输了很远的距离，但尚未影响到水箱入口温度，使系统储备了一定的初始驱动压头。因此，当隔离阀打开时，回路中几乎立即产生流量，尤其是随着换热器中的高温水进入热管段上升通道并发生闪蒸，导致循环驱动压头急剧增加，使自然循环流量连续发生2 次阶跃式大幅度飞升（如图9 所示）。此后，随着高温水全部流出换热器和大量低温水的流入，热管段的水温快速下降，闪蒸现象消失，自然循环流量相应发生陡降回落，直至稳定的单相自然循环流动状态，开阀瞬态阶段结束，整个瞬态过程持续了约250 s。在此期间，冷凝罐内的温度和压力，以及换热器壁温均出现了较大幅度的快速下降，如图10 所示。

图8 开阀瞬态阶段自然循环冷却剂温度随时间变化

图9 开阀瞬态阶段自然循环流量及功率随时间变化

图10 开阀瞬态阶段混合气体压力和温度及换热器外壁面平均温度随时间变化

为了进一步考察开阀持续时间对系统启动瞬态运行特性的影响，本研究在3 次启动实验中分别采用了不同的开阀速率，得到如表2 所示的实验结果。可以看出，开阀持续时间对自然循环流量峰值的影响较小。

表2 开阀持续时间的影响

3 结论

本文针对非能动安全壳冷却系统启动策略开展了详细分析，并选择了2 种启动策略开展试验研究，主要得到以下结论：

1) PCS 系统冷热管段隔离阀采用双阀开启方案或冷管段隔离阀关闭方案时，PCS 系统能够获得较优的启动性能。

2) PCS 启动过程试验结果显示，采用双阀开启的方案，系统启动过程较为平稳；采用冷管段隔离阀关闭方案，在隔离阀开启的瞬态阶段，急速的温度、压力、流量变化和闪蒸–凝结过程的发生，一方面对管路和换热器造成一定的热冲击，另一方面还在回路出口导致轻微的“汽锤”振动。

3) 为避免冷管段隔离阀关闭方案发生强烈的“汽锤”振动，系统应当在换热器管侧流体出口温度达到当地系统压力下的饱和温度之前开启隔离阀（约126 ℃）。鉴于在系统隔离阀开启前，换热器管外侧气体温度、传热管外壁温度及换热器管侧出口温度几乎是同步增长，并考虑工程中的保守性和可操作性，建议系统启动时换热器传热管内的液体温度不要超过120 ℃。