小型核動(dòng)力裝置抽真空啟動(dòng)過(guò)程熱力特性及含氧量變化實(shí)驗(yàn)研究

嚴(yán)一鳴，郝承明，曲自信，程 杰,*，范廣銘，王建軍

（1.哈爾濱工程大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213）

壓水堆在冷啟動(dòng)過(guò)程中要對(duì)一回路進(jìn)行排氣與充水，目前主要的排氣方法有傳統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)聯(lián)合排氣和AP1000 等機(jī)組的抽真空排氣兩種。在傳統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)聯(lián)合排氣過(guò)程中，由于蒸汽發(fā)生器中的倒“U”型傳熱管結(jié)構(gòu)，需要反復(fù)點(diǎn)動(dòng)主泵，將倒“U”型傳熱管內(nèi)難以排出的空氣，趕到一回路系統(tǒng)內(nèi)局部高點(diǎn)的排氣閥處排出，耗時(shí)較長(zhǎng)步驟冗雜[1]。抽真空排氣方法則是通過(guò)對(duì)一回路進(jìn)行抽氣，減少一回路內(nèi)的空氣總量，使得殘留在一回路內(nèi)的氧氣大大減少，此方法可以減少排氣除氧的操作步驟，從而縮短啟動(dòng)所需時(shí)間。

目前的抽真空啟動(dòng)研究主要針對(duì)于大型核電站，譚海波[2]、王昌科[3]等人對(duì)一回路抽真空排氣原理、實(shí)施方法及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了介紹，抽真空啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)包括：可縮短啟動(dòng)所需時(shí)間，減少在移除蒸汽發(fā)生器傳熱管頂部滯留氣體過(guò)程中氣體對(duì)主泵的沖擊。但是也有研究者發(fā)現(xiàn)了抽真空啟動(dòng)過(guò)程中存在的一些問(wèn)題：在抽氣過(guò)程中主泵定子腔室與一回路之間的壓差問(wèn)題[4-6]，負(fù)壓下一回路存在冷卻水沸騰風(fēng)險(xiǎn)[7,8]。秦余新等[7]提到目前的核電站抽真空啟動(dòng)會(huì)導(dǎo)致一回路壓力和溫度超出運(yùn)行許可圖限值條件的運(yùn)行事件，美國(guó)Diablo Canyon 核電站、Indian Point 核電站均發(fā)生過(guò)類似事件[9,10]。張迎強(qiáng)[11]對(duì)嶺澳核電站進(jìn)行過(guò)的抽真空啟動(dòng)進(jìn)行了介紹，Pearl 等[12]對(duì)Vermont Yankee 沸水堆的啟動(dòng)與停堆過(guò)程中的含氧量變化進(jìn)行了分析，表明抽真空可有效降低啟動(dòng)過(guò)程中的冷卻水含氧量，以減緩腐蝕的發(fā)生。

小型核動(dòng)力裝置一回路水裝量遠(yuǎn)小于核電廠，且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，目前未有針對(duì)小型核動(dòng)力裝置抽真空啟動(dòng)的相關(guān)研究。由于目前對(duì)于小型核動(dòng)力裝置抽真空啟動(dòng)的研究較為缺乏，而小型核動(dòng)力裝置水裝量、附屬設(shè)備、流動(dòng)阻力特性的特殊性導(dǎo)致通過(guò)大型核電站得到的結(jié)論并不適用。因此本文搭建與小型核動(dòng)力裝置一回路布置形式一致的實(shí)驗(yàn)回路，開(kāi)展抽真空啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，研究在啟動(dòng)過(guò)程中一回路內(nèi)的壓力、溫度、含氧量等參數(shù)變化規(guī)律，分析抽氣壓力（抽真空完成后主回路所保持的壓力）和穩(wěn)壓器與回路之間冷卻水溫差對(duì)氧含量的影響。本研究結(jié)果可為小型核動(dòng)力裝置采用抽真空啟動(dòng)方案時(shí)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方案

本文參照小型核動(dòng)力裝置一回路的基本布置形式搭建實(shí)驗(yàn)裝置，并參照核電廠一回路抽真空啟動(dòng)步驟特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，控制主要設(shè)備如穩(wěn)壓器、壓力容器和蒸汽發(fā)生器的冷卻劑容量，而忽略其內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上搭建實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置由抽氣系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、主回路系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)四部分組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 The schematic of the experimental facility

主回路系統(tǒng)用于完成從抽真空注水至系統(tǒng)升溫升壓到 2.0 MPa（表壓，對(duì)應(yīng)飽和溫度214.9 ℃）和200 ℃的全部實(shí)驗(yàn)，包括壓力容器模擬體、蒸汽發(fā)生器模擬體、穩(wěn)壓器模擬體、主泵、上充泵、流量計(jì)、相應(yīng)的管路和閥門(mén)等，主要設(shè)備的幾何參數(shù)如表1 所示，模擬體設(shè)備與小型核動(dòng)力裝置一回路對(duì)應(yīng)設(shè)備的設(shè)計(jì)尺寸比例為1:1，管道總?cè)莘e0.012 4 m3。穩(wěn)壓器及壓力容器模擬體內(nèi)分別安裝有功率為42 kW 和20 kW 的電加熱器，在主泵處設(shè)置有旁通支路，在主回路為負(fù)壓狀態(tài)時(shí)關(guān)閉主泵上下游閥門(mén)將主泵隔離，此時(shí)主回路冷卻水以此旁通支路繞過(guò)主泵對(duì)蒸汽發(fā)生器進(jìn)行注水。上充支路用于將主回路管道里的部分冷卻水通過(guò)上充泵注入穩(wěn)壓器模擬體內(nèi)，使穩(wěn)壓器模擬體內(nèi)的冷卻水參與主回路循環(huán)。抽氣系統(tǒng)用于將主回路系統(tǒng)抽氣至負(fù)壓狀態(tài)，旋片式真空泵通過(guò)抽氣管線與主回路里的三個(gè)模擬體頂部的抽氣閥相連。在抽氣閥的上方設(shè)置有可視化管道，在注水過(guò)程中當(dāng)可視化窗口觀察到水位時(shí)關(guān)閉抽氣閥。注水系統(tǒng)主要用于抽真空完成后向主回路內(nèi)注入除氧水，在對(duì)主回路進(jìn)行注水之前先將水箱內(nèi)水溫加熱到40 ℃，注水系統(tǒng)內(nèi)的樹(shù)脂除氧器可將冷卻水含氧量降低到0.02×10-6（mg/kg）附近。

表1 主要設(shè)備幾何參數(shù)Table 1 Geometric parameters of main devices

測(cè)量系統(tǒng)由各溫度、壓力、流量及溶解氧測(cè)點(diǎn)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。溫度由精度為±1%的一級(jí)K 型鎧裝熱電偶測(cè)量，分別安裝于穩(wěn)壓器內(nèi)部高度0.7、1.1、1.8、2.2 m 處，以及壓力容器、蒸汽發(fā)生器內(nèi)部中心位置處?；芈妨髁坑赡透邷乜装辶髁坑?jì)進(jìn)行測(cè)量，量程和精度分別為3～12 m3/h 和±1%。壓力由壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，量程和精度分別為 -0.1～2.0 MPa（表壓）和±0.1%。冷卻水含氧量由溶解氧傳感器進(jìn)行測(cè)量，量程和精度分別為0～0.2×10-6和±1.5%。

1.2 抽真空啟動(dòng)極限含氧量原理

設(shè)反應(yīng)堆冷卻劑的含氧量ω（質(zhì)量濃度）應(yīng)低于ω0（常取0.1×10-6），注入一回路的注水初始含氧量為ω1，一回路冷卻水總?cè)莘e為V0，則常壓下排氣、注水操作完畢后含氧量為ω0的一回路冷卻水在注水過(guò)程中從空氣中吸收的氧氣體積1V為：

式中：ρ——常壓下的氧氣密度；

φ——空氣中的氧氣份額。

則V1/φ為對(duì)應(yīng)的空氣體積，由玻意耳-馬略特定律，有公式：

式中：V2——對(duì)應(yīng)抽真空壓力P2下的空氣體積。

由此可得到抽真空壓力P2與抽真空過(guò)程中一回路可殘留空氣體積之間的關(guān)系。只要一回路殘留空氣體積小于對(duì)應(yīng)抽真空壓力下的V2，即使空氣內(nèi)的氧氣全部被冷卻水吸收，注水后的氧含量仍然可以達(dá)標(biāo)，這是基于氧氣全部溶解的抽真空除氧穩(wěn)態(tài)理論。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案及流程

為分析小型核動(dòng)力裝置抽真空冷啟動(dòng)過(guò)程中抽真空壓力（絕對(duì)壓力）和穩(wěn)壓器與主回路冷卻水溫差兩個(gè)因素對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性及除氧特性等的影響，設(shè)計(jì)了如表2 所示的三套實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)方案。

表2 實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)方案Table 2 The scheme of experimental startup

基于實(shí)驗(yàn)裝置，考慮核電站一回路的抽真空冷啟動(dòng)操作特點(diǎn)，制定了如圖2 所示的操作步驟方案。將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為四個(gè)階段：抽真空階段、注水階段、建立汽腔階段及升溫升壓階段。

首先將回路系統(tǒng)與外界封閉，并對(duì)主泵等不能承受負(fù)壓的設(shè)備隔離，啟動(dòng)真空泵通過(guò)抽氣系統(tǒng)對(duì)主回路系統(tǒng)進(jìn)行抽氣。主回路抽到額定壓力后，進(jìn)行回路氣密性檢查。

通過(guò)注水泵將水箱內(nèi)的水經(jīng)過(guò)樹(shù)脂除氧器后注入回路內(nèi)，在此過(guò)程中抽氣系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，維持回路內(nèi)的絕對(duì)壓力恒定。依次注滿蒸汽發(fā)生器、壓力容器并關(guān)閉二者頂部的抽氣閥，當(dāng)穩(wěn)壓器達(dá)到預(yù)定水位后停止注水，注水完畢后關(guān)閉抽氣系統(tǒng)、注水系統(tǒng)，回路保持密閉。

回路注水完畢后啟動(dòng)穩(wěn)壓器內(nèi)的電加熱器，將穩(wěn)壓器內(nèi)的冷卻水加熱到飽和狀態(tài)，產(chǎn)生蒸汽建立汽腔。在壓力上升至大氣壓時(shí)解除主泵等設(shè)備隔離狀態(tài)，當(dāng)壓力達(dá)到0.2 MPa 時(shí)認(rèn)為汽腔建立完畢。

隨后進(jìn)入升溫升壓階段，主回路內(nèi)冷卻水壓力升高到0.2 MPa 后開(kāi)啟主泵、上充泵及壓力容器電加熱器，使主回路內(nèi)的冷卻水循環(huán)流動(dòng)。開(kāi)啟上充泵以維持主回路與穩(wěn)壓器之間冷卻水循環(huán)，控制二者溫差。維持電加熱器開(kāi)啟，最終使回路壓力及溫度達(dá)到2.0 MPa 和200 ℃。

2 抽真空冷啟動(dòng)過(guò)程運(yùn)行特性分析

以實(shí)驗(yàn)方案一為例，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置抽真空冷啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的運(yùn)行特性進(jìn)行分析。

2.1 抽氣階段

在抽氣階段使用真空泵將主回路絕對(duì)壓力降至0.017 MPa 附近，在此過(guò)程中裝置內(nèi)的壓力、溫度變化曲線如圖3 所示。

圖3 抽真空過(guò)程壓力及溫度隨時(shí)間變化曲線圖Fig.3 Variation of temperature and pressure during the vacuumizing process

在圖3 中可以看到在抽真空過(guò)程中，隨著穩(wěn)壓器內(nèi)的壓力不斷降低至0.017 MPa，壓力容器及蒸汽發(fā)生器內(nèi)的溫度也不斷降低。此時(shí)裝置中殘留在熱電偶溫度測(cè)點(diǎn)上的熱水隨著壓力的降低，其對(duì)應(yīng)飽和溫度也不斷下降。當(dāng)飽和溫度降低至低于水溫時(shí)，冷卻水發(fā)生閃蒸帶走熱量，進(jìn)而使水溫降低。此外隨著抽真空的進(jìn)行，主回路內(nèi)空氣壓力降低、體積膨脹，由理想氣體狀態(tài)方程可知，氣體的溫度也會(huì)相應(yīng)降低。

2.2 注水階段

注水過(guò)程的流量、液位、溫度變化等曲線如圖4 所示。水進(jìn)入主回路后會(huì)使得主回路壓力上升，在此過(guò)程中維持真空泵持續(xù)運(yùn)行，使主回路絕對(duì)壓力保持在0.017 MPa 附近。

圖4 注水過(guò)程主要參數(shù)隨時(shí)間變化曲線圖Fig.4 Variation of main parameters during the water refill process

由流量變化曲線可知，當(dāng)蒸汽發(fā)生器注滿水后（450 s 處），注水全部向壓力容器方向流動(dòng)，注水流量與主回路流量相等。穩(wěn)壓器位置最高，液位計(jì)最低測(cè)點(diǎn)位于罐體底部上方450 mm 處，因此800 s 以前穩(wěn)壓器無(wú)液位顯示。1 200 s 左右壓力容器注水完成，注入水全部流入穩(wěn)壓器，使得穩(wěn)壓器液位上升速度增大。在溫度變化曲線中，蒸汽發(fā)生器內(nèi)部由于測(cè)點(diǎn)處冷卻劑殘留，其初始溫度較高，當(dāng)水淹沒(méi)熱電偶測(cè)點(diǎn)時(shí)，熱電偶開(kāi)始顯示蒸汽發(fā)生器內(nèi)水溫。由于補(bǔ)水箱內(nèi)冷卻水的熱分層效應(yīng)，不同時(shí)刻注水溫度有細(xì)微區(qū)別，導(dǎo)致注水時(shí)回路中的壓力容器內(nèi)水溫先低后高。

2.3 建立汽腔及升溫升壓階段

建立汽腔階段和升溫升壓階段的主要參數(shù)變化曲線如圖5 所示。在注水完成之后系統(tǒng)處于負(fù)壓狀態(tài)，開(kāi)啟穩(wěn)壓器內(nèi)部電加熱器建立汽腔，隨著穩(wěn)壓器內(nèi)部冷卻水達(dá)到飽和溫度并開(kāi)始蒸發(fā)，穩(wěn)壓器及主回路壓力開(kāi)始升高。當(dāng)絕對(duì)壓力達(dá)到0.2 MPa 時(shí)，由于回路主泵及上充泵開(kāi)啟，主回路冷卻水開(kāi)始循環(huán)，并且穩(wěn)壓器與主回路開(kāi)始通過(guò)上充支路參與水循環(huán)。此時(shí)，可以看到壓力容器及蒸汽發(fā)生器的冷卻水溫度由于水循環(huán)的交混作用而達(dá)到一致。由于上充流量的調(diào)節(jié)作用，穩(wěn)壓器與主回路之間的冷卻水溫差開(kāi)始變化，此時(shí)穩(wěn)壓器的溫度基本保持不變，電加熱熱能全部轉(zhuǎn)變?yōu)槔鋮s水升溫所需內(nèi)能。當(dāng)溫差縮小到預(yù)定值并保持不變后，開(kāi)始進(jìn)一步升溫升壓，此時(shí)電加熱熱能轉(zhuǎn)變?yōu)槔鋮s水升溫以及蒸汽蒸發(fā)所需能量。隨著溫度的升高，回路壓力不斷升高，最終溫度達(dá)到200 ℃，壓力到達(dá)2.0 MPa 附近。

圖5 升溫升壓過(guò)程主要參數(shù)隨時(shí)間變化曲線圖Fig.5 Variation of main parameters during the temperature and pressure rise process

穩(wěn)壓器及壓力容器內(nèi)冷卻水的含氧量從回路升壓至正壓開(kāi)始測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖6 所示。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中二者的含氧量始終低于0.1×10-6，符合反應(yīng)堆冷啟動(dòng)過(guò)程的水質(zhì)含氧量指標(biāo)。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，穩(wěn)壓器內(nèi)冷卻水的含氧量總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)樵诮⑵浑A段穩(wěn)壓器內(nèi)冷卻水被不斷加熱至相應(yīng)壓力下的飽和溫度。由亨利定律及道爾頓分壓定律可知，此時(shí)冷卻水中氧氣的溶解度幾乎為零，注入穩(wěn)壓器的冷卻水內(nèi)的溶解氧，在冷卻水被加熱到飽和后便析出到汽腔內(nèi)，因此在5 000 s 之后的一段時(shí)間穩(wěn)壓器內(nèi)溶解氧含量下降。由圖5 可知在升溫升壓過(guò)程中穩(wěn)壓器內(nèi)的冷卻水與主回路冷卻水保持43 ℃左右的溫差，主回路冷卻水處于過(guò)冷狀態(tài)。開(kāi)啟上充支路后，上充支路注入穩(wěn)壓器內(nèi)的過(guò)冷水?dāng)y帶的溶解氧，會(huì)因?yàn)槔鋮s水在穩(wěn)壓器內(nèi)被加熱至飽和，而被析出到汽空間，從而起到除氧作用。

圖6 升溫升壓過(guò)程氧含量隨時(shí)間變化曲線圖Fig.6 The oxygen content of cooling water during the temperature and pressure rise process

3 不同啟動(dòng)方案數(shù)據(jù)分析

不同啟動(dòng)方案的主要參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。對(duì)比方案2 與方案3 的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)抽氣壓力降低（真空度提高）后，方案3 中穩(wěn)壓器內(nèi)冷卻水含氧量與壓力容器內(nèi)冷卻水含氧量相較于方案2 均有所降低，這是因?yàn)樵诔闅膺^(guò)程中，抽氣壓力越低，回路內(nèi)殘留氧氣越少，且低壓下注水的氧氣溶解度、擴(kuò)散系數(shù)也越小，故而最終整個(gè)過(guò)程中的溶解進(jìn)入冷卻水的氧氣也會(huì)降低。

表3 不同啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)方案的主要結(jié)果參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of main parameters of different experimental startup schemes

對(duì)比方案1 與方案3，可以發(fā)現(xiàn)提升穩(wěn)壓器與回路平均溫差后，穩(wěn)壓器內(nèi)冷卻水含氧量與壓力容器內(nèi)冷卻水含氧量均有所降低，且二者比值也顯著減小，這種比值減小情況在方案2 中也有所體現(xiàn)，這是由不同溫度下冷卻水的氧氣溶解度不同所造成的，穩(wěn)壓器內(nèi)冷卻水處于飽和狀態(tài)，含氧量低，而壓力容器等主回路設(shè)備內(nèi)冷卻水溫度低，氧氣溶解度相對(duì)較高，因此含氧量較高。

由1.2 節(jié)理論分析結(jié)果可知，不同抽氣壓力對(duì)應(yīng)的可殘留空氣量不同。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注水操作完畢后，依靠穩(wěn)壓器內(nèi)的液位進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)方案一中穩(wěn)壓器內(nèi)頂部空間的殘留空氣體積約為126 L，其壓力即為對(duì)應(yīng)的抽真空壓力，而將此時(shí)的抽真空壓力P2=0.017 MPa 代入公式（3），計(jì)算所得的可殘留空氣體積V2為3.9 L。如果按照殘留空氣內(nèi)的氧氣全部溶解進(jìn)入冷卻水這樣的保守假設(shè)，回路冷卻水含氧量將無(wú)法滿足要求。然而與大型核電廠不同的是，在小型核動(dòng)力裝置的實(shí)際注水過(guò)程中，短時(shí)間的空氣-水接觸無(wú)法使氧氣迅速溶解，加上負(fù)壓下注水的沸點(diǎn)低、過(guò)冷度小，氣體溶解度小，因此注水過(guò)程中氧氣的溶解量很少。在注水結(jié)束之后，剩余的氣體主要集中在穩(wěn)壓器的上部汽腔中，與氣體接觸的冷卻水在建立汽腔及升溫升壓過(guò)程中保持在飽和溫度，同樣不利于氧氣溶解。同時(shí)從上充支路泵入穩(wěn)壓器內(nèi)的冷卻水在穩(wěn)壓器內(nèi)被加熱至飽和，起到熱力除氧作用。上述原因?qū)е路€(wěn)壓器與回路冷卻水的氧含量始終低于0.1×10-6。

4 結(jié)論

本文針對(duì)小型核動(dòng)力裝置搭建了實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)展了抽真空冷啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程的操作方案，理論推導(dǎo)了抽氣壓力與可殘留空氣體積之間的函數(shù)關(guān)系，對(duì)回路在不同階段的熱力狀態(tài)變化進(jìn)行了分析。得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于本實(shí)驗(yàn)回路，啟動(dòng)過(guò)程中抽氣及注水過(guò)程可在半小時(shí)左右完成，主要耗時(shí)階段為建立汽腔及升溫升壓過(guò)程。

（2）采用抽真空冷啟動(dòng)的方案，在啟動(dòng)過(guò)程中可以達(dá)到將小型核動(dòng)力裝置一回路冷卻水內(nèi)的含氧量控制在0.1×10-6以下的目標(biāo)，且在抽氣過(guò)程中，一回路系統(tǒng)達(dá)到的真空度越高（抽氣壓力越低），補(bǔ)水過(guò)程結(jié)束后，一回路內(nèi)的冷卻水含氧量越低。

（3）對(duì)于一回路水裝量較小的小型核動(dòng)力裝置，注水過(guò)程中的短暫氣水接觸不會(huì)使氧氣全部溶解進(jìn)入冷卻水內(nèi)，回路中未溶解的氧占有較大比重，需進(jìn)一步對(duì)氧氣溶解的瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析