CAP1400非能動安全殼整體試驗蒸汽供應系統(tǒng)仿真

吳 淏，李衛(wèi)華

（清華大學 核能與新能源技術研究院，先進核能技術協(xié)同創(chuàng)新中心，先進反應堆工程與安全教育部重點實驗室，北京 100084）

CAP1400PCS（非能動安全殼冷卻系統(tǒng)）綜合性能試驗在比例分析的基礎上，研究不同蒸汽噴放條件下，事故后非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的整體響應［1］。試驗過程中，蒸汽供應系統(tǒng)按要求向試驗殼內噴放蒸汽，以模擬破口噴放事故工況。

蒸汽供應系統(tǒng)由電廠汽源提供過熱蒸汽，由于流量跨度大，流量比達100∶1，同時峰值流量需要蓄熱器與電廠蒸汽同時供應，單條管路難以實現流量調節(jié)。本文利用RELAP5／MOD3.3軟件對蒸汽供應系統(tǒng)進行仿真，開展試驗工況分析，為試驗控制系統(tǒng)的設置提供依據和參考。

1 蒸汽供應系統(tǒng)建模

在系統(tǒng)設計方案中，為滿足試驗對工質流量和焓的要求，采用3條蒸汽支路聯(lián)合充汽的方式，通過抓取系統(tǒng)設計方案中的關鍵要素，繪制了如圖1所示的蒸汽供應系統(tǒng)的流程圖。

圖1 蒸汽供應系統(tǒng)流程圖Fig.1 Process diagram of steam supply system

給定系統(tǒng)入口的蒸汽輸入壓力、溫度作為入口邊界條件，出口邊界為使用WGOTHIC計算得到的試驗殼內壓力，它隨時間的變化如圖2所示。

圖2 試驗殼內壓力響應曲線Fig.2 Pressure response curve of test shell

試驗方案設定在模擬破口事故時，進殼蒸汽流量在1s內達到峰值，并維持該流量約1s的時間，之后流量迅速下降，在1s內降至50%峰值流量以下，具體流量變化過程示于圖3。而為綜合性能試驗提供蒸汽的火電廠抽汽只能提供最大流量為50%峰值流量的蒸汽，于是系統(tǒng)中設置了蓄熱器支路，通過蓄熱器中閃蒸產生的短時間、大流量的蒸汽彌補蒸汽流量的不足［2］，即在進殼蒸汽總流量的峰值階段，蓄熱器支路至少需提供50%峰值流量的蒸汽。大流量減溫器支路在一定流量范圍內可有效地調節(jié)蒸汽的流量和溫度，但當蒸汽流量很小時，就需要小流量減溫器支路來完成流量調節(jié)任務。

圖3 設計流量Fig.3 Design flow

根據3個支路供應蒸汽的流量特點劃分3個支路在整個試驗中需要完成的基本流量任務，如圖4所示。由大流量減溫器支路提供一個穩(wěn)定的流量，這樣支路流量變化就變得較平緩，能減少控制的難度。而流量波動較大的部分由蓄熱器支路完成，在0～4s內提供一股瞬時、大流量的飽和蒸汽。小流量減溫器支路在試驗后期提供一個穩(wěn)定持續(xù)的小流量飽和蒸汽。

圖4 目標流量分解Fig.4 Design discharge decomposition

從圖1可看出，3路蒸汽分別通入試驗殼，每一路都相對獨立，對其他兩路的控制幾乎不產生干擾，各支路之間的聯(lián)系僅為試驗殼內壓力，為便于準確分析各支路的性能，可考慮單獨搭建各支路模型。通過控制每一支路的蒸汽輸出流量，使其達到對應的支路目標流量，從而令總輸出流量能滿足要求。各支路節(jié)點圖如圖5、6所示。

2 系統(tǒng)動態(tài)控制方案研究

2.1 蓄熱器支路控制方案

蓄熱器支路采用開環(huán)控制方案，直接指定支路出口流量調節(jié)閥的開度，具體參數列于表1。

蓄熱器支路仿真結果如圖7所示。圖7表明，蓄熱器支路可在0～4s內提供一股瞬時、大流量的飽和蒸汽，保證整個系統(tǒng)的流量需求，支路出口蒸汽焓也符合試驗要求。

圖5 蓄熱器支路節(jié)點圖Fig.5 Node of thermal storage branch

圖6 大流量或小流量減溫器支路節(jié)點圖Fig.6 Node of large flow or small flow desuperheater branch

表1 蓄熱器支路開環(huán)控制參數Table 1 Open-loop control parameter of thermal storage

2.2 大流量減溫器支路控制方案

在減溫器支路中需要進行的控制量為：

1）通過控制減壓閥開度穩(wěn)定減溫器出口壓力；

2）通過控制水閥開度穩(wěn)定減溫器出口溫度；

3）通過控制出口汽閥控制支路出口流量按照指定流量運行。

減溫器支路的控制是典型的多變量控制過程，支路中3個控制閥之間存在著強耦合［3］：系統(tǒng)進行流量控制時將對減溫器壓力產生影響，進而對汽閥的壓力控制產生影響，對過熱度的耦合響應也會引起水閥的動作，是一個相對復雜的系統(tǒng)。因而對減溫器支路模型進行控制存在一定的難度。

圖7 蓄熱器支路仿真結果Fig.7 Simulation results of thermal storage branch

通過分析發(fā)現，減溫器出口處壓力的控制對系統(tǒng)性能的影響并不十分重要，因此考慮在優(yōu)化方案中，取消對減溫器出口壓力的控制，改為控制流量，支路出口流量調節(jié)閥全開（圖8）。

解耦控制方案仿真結果如圖9所示。大流量減溫器支路在整個工作過程中所提供的流量相對穩(wěn)定，支路流量變化較平緩，在滿足系統(tǒng)流量需求的前提下，該支路也更易于控制。

2.3 小流量減溫器支路控制方案

小流量減溫器支路的作用主要是在試驗后期提供一股穩(wěn)定持續(xù)的小流量飽和蒸汽。小流量減溫器支路使用PI控制方案進行控制，仿真結果如圖10 所示。圖10 顯示，該支路在此控制方案下，提供的蒸汽流量、焓達到了目標要求。

圖8 大流量減溫器支路解耦方案簡圖Fig.8 Decoupling scheme diagram of large flow desuperheater branch

圖9 大流量減溫器支路仿真結果Fig.9 Simulation result of large flow desuperheater branch

圖10 小流量減溫器支路仿真結果Fig.10 Simulation result of small flow desuperheater branch

蒸汽供應系統(tǒng)實際總流量與目標總流量比較示于圖11。圖11說明，采用上述控制方案可滿足蒸汽供應系統(tǒng)對蒸汽流量的要求。

圖11 實際總流量與目標總流量對比Fig.11 Actual flow vs.target flow

3 結論

蒸汽供應系統(tǒng)在0～4s內總流量變化非常劇烈，使得系統(tǒng)控制難度較大。

本文中，根據3個支路供應蒸汽的流量特點，總目標流量被劃分為3個部分，由3個支路在整個試驗中配合完成。通過仿真發(fā)現，由大流量減溫器支路在0～4s內提供一股穩(wěn)定的流量，使用解耦后的PI控制方案進行控制；蓄熱器支路則采用開環(huán)控制方案，提供瞬時、大流量的蒸汽；小流量減溫器支路的流量曲線較平滑，無突變，較易控制，僅用PI控制即可滿足目標流量變化的要求，在試驗后期提供穩(wěn)定持續(xù)的小流量飽和蒸汽。最終實現了對蒸汽供應系統(tǒng)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］ 寧德亮，龐鳳閣，高璞珍.噴水減溫器動態(tài)仿真模型的建立及其解法［J］.核動力工程，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）.