小型模塊化反應(yīng)堆臨界溫度控制研究

摘 要：目前針對國內(nèi)某核電廠小型模塊化反應(yīng)堆臨界缺少一套成熟可靠的溫度控制手段，本文首先介紹了該核電廠小堆散熱熱阱設(shè)計，通過理論計算和仿真開展熱平衡分析。其次，討論了反應(yīng)堆臨界溫度控制難點，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析和運行經(jīng)驗提出臨界溫度控制思路。最后，結(jié)合相關(guān)設(shè)備性能，制定了具體可行的首次臨界溫度手動控制方案，并分析后續(xù)自動控制方案的可行性。本文的研究可為小型模塊化反應(yīng)堆的安全運行提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：小型模塊化反應(yīng)堆；反應(yīng)堆臨界；溫度控制；熱源；熱阱

中圖分類號：TL 38" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

小型模塊化反應(yīng)堆因其建造體積小、工期短、模塊化、安全性能高、多應(yīng)用場景等優(yōu)點，日益成為國際核領(lǐng)域研究熱點[1-3]。國內(nèi)某核電廠小型模塊化反應(yīng)堆（以下簡稱小堆）達(dá)臨界時，二回路為水-水循環(huán)，無蒸汽產(chǎn)生，不能通過控制小流量蒸汽來穩(wěn)定一回路平均溫度。由于首次達(dá)臨界堆芯無衰變熱，整體熱量過低，給水需求量低，單獨通過控制給水流量維持一回路溫度，需要閥門在較小開度下頻繁動作，調(diào)節(jié)性能差，容易造成溫度頻繁波動和閥門磨損。因此，有必要對該核電廠小堆臨界溫度控制進(jìn)行研究，確保反應(yīng)堆安全、穩(wěn)定運行。

1 散熱熱阱和熱平衡分析

小堆采用一體化堆型，由于未設(shè)計蒸汽排大氣系統(tǒng)且在小流量情況下產(chǎn)生了管間脈動效應(yīng)，因此導(dǎo)致無法通過常規(guī)方式（即調(diào)節(jié)二回路蒸汽流量的方式）來控制溫度。而其主泵的軸功率較低，啟堆時熱源較小，余排系統(tǒng)退出運行后，升溫過程不需要額外熱阱，就可以控制溫度變化率在28℃/h以內(nèi)。如果需要在某一溫度穩(wěn)定，就必須提供適量可調(diào)節(jié)的熱阱，才能將一回路溫度穩(wěn)定在某一整定值[4]。而且，該小堆蒸汽發(fā)生器等一回路主要設(shè)備均集成在反應(yīng)堆壓力容器中，結(jié)構(gòu)布置較緊湊，管道散熱量小。正常工況下一般通過輔助系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生器2種方式實現(xiàn)有效散熱。因此，根據(jù)小堆系統(tǒng)設(shè)備的特性，在機(jī)組一、二回路優(yōu)化以下2個散熱熱阱，提高控制靈活性。

1.1 化容系統(tǒng)再生熱交換器旁路管線

化學(xué)與容積控制系統(tǒng)（RVC）的一個主要功能是容積控制，即利用上充和下泄保持反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS）水裝量和穩(wěn)壓器的水位在容許范圍內(nèi)。利用該系統(tǒng)作為可調(diào)節(jié)的熱阱，在RVC再生熱交換器處增加一路旁路管線及旁路調(diào)節(jié)閥RVC047VP，調(diào)節(jié)其開度，從而調(diào)節(jié)上充下泄流的溫差[5]，如圖1所示。

正常功率運行及電站啟停期間，反應(yīng)堆冷卻劑從反應(yīng)堆壓力容器下泄管線流入RVC系統(tǒng)。首先，通過再生式熱交換器的殼側(cè)，在此它被上充流冷卻，接著通過其中一個下泄孔板進(jìn)行減壓。其次，通過非再生式熱交換器的管側(cè)，在此被設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（WCC）降溫，再通過背壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)行第二次降壓。經(jīng)過2次降溫降壓后，反應(yīng)堆冷卻劑被過濾、除鹽后進(jìn)入容積控制箱。當(dāng)穩(wěn)壓器液位低時，容積控制箱的低溫含硼水被1臺上充泵加壓抽出，經(jīng)過RVC再生式熱交換器的管側(cè)被下泄流加熱。最后，通過上充管道以高于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的壓力進(jìn)入反應(yīng)堆壓力容器。

正常上充下泄溫度差值為30℃左右，通過調(diào)節(jié)RVC047VP，旁通部分流過再生熱交換器的流體，從而降低上充流的溫度，使上充下泄可調(diào)節(jié)溫度差值可以達(dá)到30℃～50℃，從而進(jìn)一步影響一回路平均溫度。

1.2 主給水小流量管線

給水流量控制系統(tǒng)（TFM）用于調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的給水流量，從而導(dǎo)出堆芯散熱。該系統(tǒng)由給水調(diào)節(jié)閥組和給水流量測量裝置等設(shè)備組成。

在TFM旁路管線增加1路小流量管線及調(diào)節(jié)閥TFM030VL，該閥采用與主給水調(diào)節(jié)閥和旁路調(diào)節(jié)閥相同的設(shè)計壓力和溫度，其最大可調(diào)節(jié)流量為4%額定給水流量，進(jìn)一步提高二回路水-水循環(huán)下的可調(diào)節(jié)性[6]，如圖2所示?？梢姡摻o水調(diào)節(jié)站的主要閥門是給水主調(diào)節(jié)閥、給水旁路調(diào)節(jié)閥和小流量給水調(diào)節(jié)閥，可以適應(yīng)不同給水流量需求。小堆的主給水泵將除氧器中的水加壓抽出，通過給水調(diào)節(jié)站調(diào)節(jié)閥門開度，控制前往蒸汽發(fā)生器的給水量，從而帶走反應(yīng)堆一回路核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。

反應(yīng)堆達(dá)臨界期間，由于蒸汽發(fā)生器出口工質(zhì)溫度低于其飽和溫度，二回路為水實體工況。此時投入給水，主給水調(diào)節(jié)閥和旁路調(diào)節(jié)閥保持關(guān)閉，通過TFM030VL控制二回路水-水循環(huán)流量，從而控制蒸汽發(fā)生器帶熱，以控制一回路平均溫度。

1.3 熱平衡分析

該小堆首次臨界過程中主要熱源包括穩(wěn)壓器電加熱器功率、主泵軸功率、噴霧泵軸功率、反應(yīng)堆熱功率（多普勒發(fā)熱點）。而主要熱阱包括設(shè)備散熱、化容系統(tǒng)上充下泄帶熱、蒸汽發(fā)生器二次側(cè)換熱帶熱。相關(guān)功率參數(shù)見表1。

在小堆首次臨界過程中，一回路最大熱負(fù)荷即反應(yīng)堆達(dá)到多普勒發(fā)熱點的工況下，此時整個一回路的加熱量包括反應(yīng)堆熱功率、主泵熱輸入、噴霧泵熱輸入和穩(wěn)壓器電加熱器熱功率輸入；散熱量包括壓力容器散熱、管道散熱和RVC上充下泄帶熱。根據(jù)能量平衡原理，當(dāng)加熱量等于散熱量時，一回路可以維持熱平衡狀態(tài)，如公式（1）所示。

Q_R+Q_p+Q_sp+Q_e+Q_m-Q_RPV-Q_PZR-Q_l-Q_RVC-Q_SG=0 （1）

式中：Q_R為反應(yīng)堆熱功率；Q_p為主泵凈加熱功率；Q_sp為噴霧泵凈加熱功率；Q_e為穩(wěn)壓器電加熱器的加熱功率；Q_m為考慮計算不確定性的設(shè)計余量，Q_m=388kW；Q_RPV為壓力容器散熱量；Q_PZR為穩(wěn)壓器散熱量；Q_l為管道散熱量；Q_RVC為RVC上充下泄帶走熱量；Q_SG為蒸汽發(fā)生器帶走熱量。

代入數(shù)據(jù)計算可知，Q_RVC+Q_SG=1616kW。

Q_RVC如公式（2）所示。

Q_RVC=W_RVC?（Hd-Hc） （2）

式中：Hd為RVC下泄冷卻劑焓，溫度取下泄入口溫度240℃；Hc為RVC上充冷卻劑焓，溫度取再生熱交換器管側(cè)出口溫度；WRVC為上充、下泄質(zhì)量流量。

利用仿真軟件計算出1組或2組下泄孔板運行時上充、下泄的溫度參數(shù)，查詢焓熵圖代入公式（2），計算不同下泄孔板運行時RVC的換熱量，見表2。當(dāng)RVC2組下泄孔板運行時，上充下泄的最大帶熱量Q_RVC為1578kW，小于1616kW，即Q_SG＞0。

2 控制難點及思路分析

2.1 控制難點

RVC旁路調(diào)節(jié)閥可用于一回路啟動和升溫階段的溫度控制，但為了避免冷卻劑出現(xiàn)汽化，設(shè)置了RVC系統(tǒng)上充和下泄流量的高、低限值，導(dǎo)致一回路凈熱功率將大于RVC最大帶熱能力，帶熱量不足。因此，在240℃首次臨界和多普勒發(fā)熱點測量期間，僅靠手動控制RVC再生熱交換器旁路調(diào)節(jié)閥開度，從而改變RVC熱阱大小的方式，不能滿足溫度控制要求。

此外，考慮完全采用控制二回路給水流量的方式，由于給水流量過低，調(diào)節(jié)閥在小開度下頻繁調(diào)節(jié)會引起閥門過度磨損，造成閥門損壞。并且在閥門小開度下由于調(diào)節(jié)性能差、給水流量測量不精確、信噪比差等原因，溫度會頻繁波動，影響反應(yīng)堆達(dá)臨界。

2.2 控制思路

為維持一回路溫度穩(wěn)定，減少控制難度，避免頻繁的調(diào)節(jié)，應(yīng)盡可能維持總的帶熱量恒定并與一回路熱功率匹配，因此RVC和蒸汽發(fā)生器須選擇合適的帶熱量，保證機(jī)組有足夠的控制裕量。

根據(jù)表2計算結(jié)果可知，反應(yīng)堆臨界期間，RVC1組或2組下泄孔板運行（下泄孔板流量為3.5t/h或6t/h）。根據(jù)投運的下泄孔板不同，下泄流量分別為6t/h（單組）、7t/h（3.5×2組）、9.5t/h（6+3.5）、12t/h（6×2組），對應(yīng)的最大帶熱量分別為1098.09kW、1102.78kW、1176.27kW、1578.08kW，而需要帶走的一回路熱功率為1616kW。為保證二回路旁路給水調(diào)節(jié)閥有一定開度，蒸汽發(fā)生器載熱量不能過小。因此，除下泄流量為12t/h時RVC載熱量過大不適合外，其余幾種情況下RVC實際帶熱量約為1100kW，可以滿足散熱控制要求。此時二次側(cè)帶熱量約為516kW（1616kW-1100kW=516kW）。根據(jù)熱量計算公式（3），代入給水（140℃）和出水溫度（240℃），計算得到二回路給水流量約為4.5t/h。

Q=c?m?Δt （3）

式中：Q為散熱功率；c為水的比熱容；m為質(zhì)量流量；Δt為給水和出水溫差。

因此，確定反應(yīng)堆臨界及物理試驗期間，在一回路最大熱功率工況下，RVC和蒸汽發(fā)生器的帶熱量分配分別為1100kW和516kW。進(jìn)一步確定控制思路為從初始達(dá)臨界開始直至物理試驗期間，一方面維持二次側(cè)給水流量恒定，另一方面通過RVC調(diào)節(jié)一回路溫度，從而有效排出一回路熱量。該方式既可以避免旁路給水調(diào)節(jié)閥在小開度下頻繁調(diào)節(jié)，造成閥門磨損，又可以減少一回路溫度出現(xiàn)較大波動。

3 溫度控制策略研究

3.1 手動控制方案

在預(yù)先設(shè)定的溫度壓力整定值平臺進(jìn)行達(dá)臨界操作，主泵正常運行，通過RVC上充下泄稀釋反應(yīng)堆冷卻劑到臨界硼濃度，利用上充流量調(diào)節(jié)閥自動控制穩(wěn)壓器水位在規(guī)定范圍，投入1組穩(wěn)壓器通斷式電加熱器，保證穩(wěn)壓器與一回路的冷卻劑攪混，使硼濃度均勻，穩(wěn)壓器比例式加熱器與噴淋閥配合，用于控制一回路壓力。

此時，初始反應(yīng)堆功率為0，一回路總的熱功率為846kW（1616kW-770kW=846kW）。給水泵定轉(zhuǎn)速，初始開啟給水系統(tǒng)小流量調(diào)節(jié)閥TFM030VL，調(diào)節(jié)其開度，使二次側(cè)初始給水流量在4.5t/h保持恒定，維持二次側(cè)水-水循環(huán)，此時二次側(cè)帶熱量約為516kW。接著投入1組RVC下泄孔板，維持下泄流量為6t/h，手動控制RVC再生熱交換器旁路調(diào)節(jié)閥RVC047VP帶出剩余330kW（846kW-516kW=330kW）的熱量，維持一回路溫度恒定在240℃。

觀察一回路溫度穩(wěn)定后，采用外推提棒方式使反應(yīng)堆臨界，反應(yīng)堆達(dá)臨界過程接近多普勒發(fā)熱點時，核功率逐漸產(chǎn)生，逐漸開大RVC047VP直至閥門全開，維持溫度穩(wěn)定。該手動控制策略通過二次側(cè)恒定給水流量配合RVC進(jìn)行帶熱，可以實現(xiàn)熱源和帶熱的熱力平衡，維持一回路溫度在240℃，滿足反應(yīng)堆首次臨界的溫度控制要求。

3.2 自動控制方案

手動控制一回路溫度占用運行人員精力，且頻繁操作容易造成人因失誤，影響核安全，因此有必要進(jìn)一步分析臨界溫度自動控制策略。RVC047VP是通過改變上充下泄溫差來控制RVC帶熱量，間接控制一回路溫度，且其需要用于啟停階段控制一回路升降溫速率，自動控制難度較大。旁路給水調(diào)節(jié)閥TFM009VL和TFM030VL正常功率運行期間保持全開，啟動和升溫階段均保持關(guān)閉，具備實現(xiàn)自動控制一回路溫度的條件[7]。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析并結(jié)合運行經(jīng)驗反饋，自動控制策略如圖3所示，一回路平均溫度實測值與整定值的偏差經(jīng)PID轉(zhuǎn)換為給水流量整定值，給水流量實測值與整定值的偏差再經(jīng)調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換為流量百分比信號，流量百分比信號經(jīng)過函數(shù)發(fā)生器轉(zhuǎn)換為閥門開度信號，從而控制給水流量。當(dāng)流量百分比信號小于4%時，TFM009VL保持關(guān)閉，僅TFM030VL開啟，當(dāng)流量百分比信號超過4%時，TFM030VL全開，TFM009VL逐漸開大，從而維持溫度。

當(dāng)溫度偏離整定值時，該控制策略自動調(diào)節(jié)給水流量，匹配一回路熱負(fù)荷，可以實現(xiàn)臨界溫度自動控制，減少操縱員手動控制負(fù)擔(dān)。但是，首次臨界時仍存在小開度下閥門頻繁動作的缺點，且給水流量測量不精確、信噪比差，因此在首次反應(yīng)堆臨界過程中采用手動控制方案。后續(xù)由于反應(yīng)堆衰變熱的存在，給水流量需求較大，能夠保證TFM030VL開度在合適的調(diào)節(jié)區(qū)間，對PID響應(yīng)速度要求也有所降低，此時優(yōu)先采用自動控制，RVC不需要參與溫度調(diào)節(jié)，僅依靠TFM030VL自動控制就可以滿足要求。

4 結(jié)語

本文首先介紹了國內(nèi)某核電廠小堆散熱熱阱設(shè)計，通過理論計算和仿真開展熱平衡分析。其次，討論了該小堆臨界溫度控制難點，并提出臨界溫度控制思路。最后，結(jié)合相關(guān)設(shè)備性能，制定了具體可行的首次臨界溫度手動控制方案，并分析后續(xù)自動控制方案的可行性。本文的研究可為小型模塊化反應(yīng)堆的安全運行提供參考。

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