許世杰++劉遜++聶常華++卓文彬
【摘 要】根據(jù)海水淡化堆的原型,本文建立了海水淡化堆非能動專設(shè)安全設(shè)施綜合模擬試驗裝置,并開展了應(yīng)急余熱排出試驗研究,分析了蓄壓水池的初始水位對應(yīng)急余熱排出模擬試驗自然循環(huán)的建立和余熱的導(dǎo)出的影響。本文建立了海水淡化堆非能動專設(shè)安全設(shè)施綜合模擬試驗裝置,并開展了應(yīng)急余熱排出試驗研究,分析了蓄壓水池的初始水位對應(yīng)急余熱排出模擬試驗自然循環(huán)的建立和余熱的導(dǎo)出的影響。
【關(guān)鍵詞】海水淡化 自然循環(huán) 應(yīng)急余熱排出
1 引言
海水淡化是解決未來人類淡水危機的一個可靠途徑。目前世界上在運行的海水淡化裝置以燃燒化石燃料為主,為了保護環(huán)境,繼續(xù)建造燃燒化石燃料的大型海水淡化裝置是不可行的,未來的海水淡化必須使用核能或者其他可再生能源。核反應(yīng)堆能夠提供海水淡化需要的熱能和電能,同時,核能海水淡化已經(jīng)積累了超過150堆年的運行經(jīng)驗,其中,日本有八座配有海水淡化工程的核反應(yīng)堆,印度、墨西哥和巴基斯坦等國都建造了核能海水淡化裝置。
隨著世界范圍內(nèi)核能海水淡化技術(shù)的發(fā)展和需求的增長,中國也開始發(fā)展自己的核能海水淡化反應(yīng)堆。某核能海水淡化廠的反應(yīng)堆系統(tǒng)由中國核動力研究設(shè)計院設(shè)計,該反應(yīng)堆采用池殼式布置,在低溫、常壓下運行,具有設(shè)備簡化、系統(tǒng)簡單、運行方便的特點,其專設(shè)安全設(shè)施包括應(yīng)急堆芯冷卻分系統(tǒng)、應(yīng)急余熱排出分系統(tǒng)以及應(yīng)急注硼分系統(tǒng),具有良好的固有安全性。
海水淡化堆非能動專設(shè)安全設(shè)施綜合模擬試驗裝置(以下簡稱綜合模擬試驗裝置)能夠模擬該核能海水淡化廠的非能動專設(shè)安全設(shè)施,試驗內(nèi)容主要包括模擬斷電事故工況下,反應(yīng)堆功率的堆芯衰變熱下自然循環(huán)投入的過渡過程和自然循環(huán)能力,驗證非能動專設(shè)安全設(shè)施的余熱導(dǎo)出能力。本文在綜合模擬試驗裝置上,對應(yīng)急余熱排出瞬態(tài)工況進行了模擬,對比了蓄壓水池初始水位分別在23米和18米的2個不同工況計算結(jié)果,分析了蓄壓水池的初始水位對應(yīng)急余熱排出模擬試驗自然循環(huán)的建立和余熱的導(dǎo)出的影響,為海水淡化堆非能動專設(shè)安全設(shè)施初步設(shè)計提供試驗參考。
2 試驗裝置
綜合模擬試驗裝置采用修正的功率容積比例法進行設(shè)計,并采用實時模擬方法,即試驗裝置功率容積比滿足同一個比例因子(本試驗裝置為1/45),試驗裝置采用與原型相同的工質(zhì)、運行工況,試驗裝置在高度和相對高度上保持與原型一致。
試驗裝置主回路由兩條并聯(lián)運行的閉合回路組成,用于模擬海水淡化堆的一回路系統(tǒng)。每條回路包括主管道、主泵、反應(yīng)堆容器模擬體(堆芯模擬容器和環(huán)腔模擬容器)、主換熱器模擬體、堆外環(huán)腔及回路外部空間模擬水箱、閥門、文丘里流量計以及管道。
非能動專設(shè)安全設(shè)施主要包括蓄壓水池(也充當(dāng)系統(tǒng)的穩(wěn)壓器,用于維持回路運行壓力)、安注管、波動管、余熱排出上升管及相應(yīng)的管路、附件等,堆芯外部空腔模擬水箱在破口事故時模擬堆外環(huán)境。綜合模擬試驗裝置流程圖如圖1所示。
3 試驗方法
事故信號發(fā)出后,通過變頻器控制主泵轉(zhuǎn)速,使其按預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速變化曲線變化(模擬主泵惰轉(zhuǎn)流量),同時控制堆芯模擬容器內(nèi)電加熱元件功率,從15%反應(yīng)堆功率(600kW)開始,使其按預(yù)先設(shè)定的功率變化曲線變化(模擬堆芯余熱)。開啟余熱排出上升管及安注管上氣動隔離閥,堆芯模擬容器出口一部分流體進入應(yīng)急余熱排出上升管,形成“堆芯出口→應(yīng)急余熱排出上升管→蓄壓水池模擬體→波動管→一回路冷段管道→環(huán)腔模擬容器→堆芯模擬容器”的與一回路并列的循環(huán)系統(tǒng)。
隨著主泵惰轉(zhuǎn)和慣性流量動壓頭的減小直至消失,反應(yīng)堆下降環(huán)腔對安注管口的反向動壓頭也消失,最終形成“蓄壓水池模擬體→安注管→環(huán)腔模擬容器→堆芯模擬容器→應(yīng)急余熱排出上升管→蓄壓水池模擬體”、“蓄壓水池模擬體→波動管→一回路冷段→環(huán)腔模擬容器→堆芯模擬容器→應(yīng)急余熱排出上升管→蓄壓水池模擬體”和“堆芯模擬容器→一回路系統(tǒng)→堆芯模擬容器”三個并列的自然循環(huán)系統(tǒng),將堆芯的剩余釋熱導(dǎo)入蓄壓水池。
4 結(jié)果及分析
本文在綜合模擬試驗裝置上,對應(yīng)急余熱排出瞬態(tài)工況進行了模擬,對比了蓄壓水池初始水位分別在23米和18米的2個不同工況計算結(jié)果,分析了蓄壓水池的初始水位對應(yīng)急余熱排出模擬試驗自然循環(huán)的建立和余熱的導(dǎo)出的影響。瞬態(tài)試驗初始條件見表1,功率衰變曲線見圖3。
自然循環(huán)的建立是依靠驅(qū)動壓頭克服回路上升段和下降段的壓力而產(chǎn)生的。而自然循環(huán)的流量可以由水循環(huán)基本方程式來決定[1],即:
△pe=△pdc=△pd-△pup
如圖2,其中:△pe為有效驅(qū)動壓頭,△pdc為下降段的壓力損失,△pd為總的驅(qū)動壓頭,△pup為上升段的驅(qū)動壓頭。因此,在應(yīng)急余熱排出試驗中,堆芯出口溫度和自然循環(huán)流量是相互影響的,因為堆芯出口溫度決定了上升段中流體的溫度和密度,進而影響上升段的壓力損失。當(dāng)堆芯出口溫度升高,自然循環(huán)流量增加,自然循環(huán)流量增加又會促使堆芯出口溫度降低。
從圖3~圖5可以看出,CASE 1和CASE 2工況在自然循環(huán)建立之初,堆芯出口溫度略有升高,隨著自然循環(huán)的建立以及自然循環(huán)流量的增加,堆芯出口溫度逐漸降低,堆芯衰變熱能夠被順利導(dǎo)出。隨著堆芯出口溫度的降低,自然循環(huán)的流量也開始下降,最終趨于穩(wěn)定。
同時還可以看出,CASE 1和CASE 2工況在自然循環(huán)建立之初系統(tǒng)的瞬態(tài)特性有較大區(qū)別,自然循環(huán)流量和堆芯出口溫度的變化趨勢都有明顯的差異,自然循環(huán)穩(wěn)定后,自然循環(huán)流量及堆芯出口溫度的變化基本同步。在自然循環(huán)建立之初,由于CASE 2中蓄壓水池水位較低,為18米,余熱排出上升管中壓力也較低,從堆芯經(jīng)自然循環(huán)排出的熱水溫度很快超過了余熱排出上升管處的飽和溫度,余熱排出上升管中出現(xiàn)了汽化現(xiàn)象,在試驗中觀察到了余熱排出上升管中液體沸騰的“咕咕”聲,余熱排出上升管也因為熱沖擊而咔咔作響。雖然此時CASE 2余熱排出上升管進出口壓差有所降低(如圖6所示),但主要是由于有蒸汽的產(chǎn)生余熱排出上升管中重力壓頭降低引起的,自然循環(huán)流的驅(qū)動壓頭卻是增加的,因此,自然循環(huán)流量在汽化階段是明顯增加的(如圖4所示)。在CASE 1中,由于蓄壓水池水位較高,沒有產(chǎn)生汽化現(xiàn)象。
5 結(jié)語
根據(jù)海水淡化堆的原型,本文建立了海水淡化堆非能動專設(shè)安全設(shè)施綜合模擬試驗裝置,并開展了應(yīng)急余熱排出試驗研究,分析了蓄壓水池的初始水位對應(yīng)急余熱排出模擬試驗自然循環(huán)的建立和余熱的導(dǎo)出的影響。結(jié)果表明:非能動專設(shè)安全設(shè)施在應(yīng)急余熱排出模擬試驗啟動之初,可以迅速建立自然循環(huán);自然循環(huán)建立之后,堆芯能動得到有效的冷卻,堆芯溫度逐漸降低;蓄壓水池的初始水位對自然循環(huán)的建立和余熱的導(dǎo)出均有一定影響,蓄壓水池作為回路的穩(wěn)壓器,過低的水位會使回路中產(chǎn)生汽化現(xiàn)象,導(dǎo)致回路中壓力及自然循環(huán)流量發(fā)生較大波動,對設(shè)備造成一定沖擊,應(yīng)予以避免。
參考文獻:
[1]于平安,等.核反應(yīng)堆熱工分析[J].上海交通大學(xué)出版社,2001.12.