劉鵬飛 張雁

中圖分類號(hào)：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)：A 文章編號(hào)：1674-1145（2019）2-173-02

摘 要 某非能動(dòng)堆型核電廠控制棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷卻設(shè)計(jì)不同于M310堆型機(jī)組和VVER機(jī)組，從安全要求，系統(tǒng)部件設(shè)置，事故后果分析等給出一個(gè)全新的概念，不同以往的常規(guī)配置。本文針對(duì)某堆型的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了初步探討，系統(tǒng)分析了它的特點(diǎn)和不同之處。

關(guān)鍵詞 控制棒操作機(jī)構(gòu) 堆頂風(fēng)機(jī) 冷卻

本文以某非能動(dòng)堆型核電廠機(jī)控制棒操作機(jī)構(gòu)冷卻通風(fēng)系統(tǒng)為主題，在掌握的現(xiàn)有資料基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)的組成，設(shè)備，功能等方面進(jìn)行了研究和探討。本文從通風(fēng)專業(yè)角度對(duì)系統(tǒng)作了一些研究探討工作，對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)的原理和運(yùn)行在M310堆型和VVER堆型的冷卻方式基礎(chǔ)上做的改進(jìn)有了更為深刻的理解和認(rèn)識(shí)。

一、系統(tǒng)特點(diǎn)

非能動(dòng)堆型的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)冷卻系統(tǒng)CRDM設(shè)計(jì)與M310堆型RRM系統(tǒng)及VVER的KLA30系統(tǒng)不同之處在于：

1.系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，取消了為此設(shè)置的通風(fēng)及為通風(fēng)系統(tǒng)服務(wù)的相關(guān)管道和部件，使得反應(yīng)堆本體周圍的空間利用更充分。2.取消了為此設(shè)置的空氣冷卻器裝置，減少了與輔助系統(tǒng)的接口。3.通風(fēng)機(jī)在堆本體一體化堆頂布置，并且改為軸流式風(fēng)機(jī)。

二、系統(tǒng)運(yùn)行壓力分布分析

（一）風(fēng)機(jī)吸入段壓力分布

堆頂一體化結(jié)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)為兩臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，系統(tǒng)的阻力處于一個(gè)比較穩(wěn)定的運(yùn)行工況。由于風(fēng)機(jī)進(jìn)口形成的阻力與風(fēng)機(jī)出口形成的阻力數(shù)值相差較大，因此要求風(fēng)機(jī)動(dòng)壓壓力不是很高。由于控制棒操縱機(jī)構(gòu)的組成比較復(fù)雜。因此操縱機(jī)構(gòu)內(nèi)部的空間狹小，空氣流通斷面所形成的通道局部阻力很大，使得這個(gè)空間的空氣流通斷面速度直接影響空氣的熱交換效率。為此，堆頂一體化結(jié)構(gòu)的8個(gè)進(jìn)風(fēng)門在圓筒的360o范圍均勻布置。

（二）風(fēng)機(jī)壓出段壓力分布

從堆頂風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)要求分析，風(fēng)機(jī)入口的壓力分布可以確定，但是風(fēng)機(jī)出口只有閥門段的局部阻力，然后靜壓壓力急劇下降到安全殼內(nèi)的大氣壓力，近似為0。動(dòng)壓隨著射程軸心逐步衰減到0。按照常規(guī)，安全殼大氣應(yīng)該保持微負(fù)壓狀態(tài)在-10-30Pa左右，對(duì)于堆頂風(fēng)機(jī)的排風(fēng)是有利的。所以堆頂風(fēng)機(jī)在排風(fēng)過(guò)程中是可以節(jié)省部分動(dòng)能的，對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行有利和節(jié)能。

（三）風(fēng)量平衡計(jì)算

根據(jù)工藝要求，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，由通風(fēng)機(jī)運(yùn)行原理可知并聯(lián)運(yùn)行情況下，系統(tǒng)流量增加，系統(tǒng)總壓力不增加，同時(shí)管網(wǎng)壓力損失不增加。風(fēng)機(jī)額定流量54000m3/h，兩臺(tái)共108000m3/h計(jì)算，風(fēng)量平衡結(jié)果分析，出風(fēng)口截面積按照900mm直徑考慮，計(jì)算動(dòng)壓值為290Pa左右，與風(fēng)機(jī)性能鑒定試驗(yàn)的數(shù)值312Pa的動(dòng)壓差值比較吻合。

（四）風(fēng)機(jī)電功率消耗分析

風(fēng)機(jī)在性能試驗(yàn)時(shí)配套的電機(jī)功率為45Kw，但是性能試驗(yàn)結(jié)果實(shí)際在功率曲線最高點(diǎn)在33kw-31.5kw之間。由此可以得知，在風(fēng)量和壓力滿足設(shè)備規(guī)格書的要求時(shí)，風(fēng)機(jī)最大電能消耗不會(huì)超過(guò)37kw的標(biāo)準(zhǔn)配套電機(jī)所能提供的電能。

（五）考慮安全殼內(nèi)的氣候條件和其他嚴(yán)重事故的影響

配套45kw的電動(dòng)機(jī)，對(duì)于風(fēng)機(jī)運(yùn)行和系統(tǒng)的穩(wěn)定性是必須要考慮的，功率消耗的安全冗余在30%是安全的。同時(shí)國(guó)內(nèi)電機(jī)功率的配套37kw之上只有45kw的產(chǎn)品，因此電機(jī)實(shí)際能耗并不高，不會(huì)使得電機(jī)過(guò)載出現(xiàn)事故。

三、系統(tǒng)熱力工況分析

（一）CRDM堆控制棒操縱機(jī)構(gòu)發(fā)熱量主要來(lái)自以下幾個(gè)方面

1.控制棒在正常運(yùn)行工況下發(fā)熱量。根據(jù)反應(yīng)堆功率的變化而動(dòng)作，提升或者下降到堆芯內(nèi)部反應(yīng)區(qū)。由于堆芯溫度很高（正常運(yùn)行大于300度），因此控制棒必然會(huì)在提升過(guò)程中帶出一部分熱量釋放到堆頂控制棒機(jī)構(gòu)中間，這部分熱量是在不斷變化的（控制棒留在堆芯內(nèi)的數(shù)量不確定，根據(jù)反應(yīng)堆功率和反應(yīng)性的大小而變化）。當(dāng)堆功率達(dá)到最大時(shí)，控制棒反而帶出的熱量少。2.堆腔傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的熱量。堆頂蓋和控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一體化，反應(yīng)堆本身產(chǎn)生的熱量由于設(shè)備結(jié)構(gòu)本身的導(dǎo)熱和傳熱的性能使得堆頂蓋的溫度升高。由于控制棒孔道直通堆芯，所以堆的熱量可以直接傳導(dǎo)到堆頂結(jié)構(gòu)部分。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和一些資料分析，常規(guī)的通風(fēng)冷卻只要風(fēng)量足夠大，不需要采取其他措施。按照常規(guī)分析，75-82℃的堆頂控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)排氣溫度應(yīng)該是堆頂機(jī)構(gòu)在正常通風(fēng)冷卻的情況下運(yùn)行時(shí)出口的最大值。3.控制棒和灰棒的導(dǎo)管傳遞熱。控制棒和灰棒的導(dǎo)管都是直接通到堆芯反應(yīng)區(qū)的。它對(duì)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)荷造成直接影響。所以在沒(méi)有準(zhǔn)確計(jì)算的基礎(chǔ)上，只是給出控制棒操作機(jī)構(gòu)內(nèi)部的溫度只要不高于200℃就是可以接受的限值溫度是根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)得出的，而且經(jīng)過(guò)安全風(fēng)險(xiǎn)分析后得出的可接受的限值。

（二）安全分析

在控制棒操作機(jī)構(gòu)空間內(nèi)部的溫度小于200℃時(shí)，操作機(jī)構(gòu)的勵(lì)磁線圈就不會(huì)失效而發(fā)生掉棒事故。但是一旦發(fā)生掉棒事故，反應(yīng)堆本體在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了可以適應(yīng)和接受一根或幾根控制棒掉落的事故影響。所以堆頂風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)沒(méi)有考慮安全功能要求。但是堆頂風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥按照抗震2類要求，在SSE時(shí)要求保證設(shè)備的完整性，不會(huì)影響到堆頂一體化結(jié)構(gòu)的整體安全性能。

四、運(yùn)行工況分析

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)氣口的空氣溫度就是安全殼內(nèi)環(huán)境溫度，安全殼環(huán)境溫度在21-38℃之間。最不利情況下，堆頂風(fēng)機(jī)進(jìn)口空氣溫度75-82℃，所以在安全殼大氣環(huán)境溫度和控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)口溫度之間有54-44℃左右的溫差，這個(gè)溫度差值可以使堆頂風(fēng)機(jī)一旦失去電源時(shí)可以形成自然循環(huán)來(lái)冷卻控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部線圈產(chǎn)生的熱量。

（一）控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)基本沒(méi)有濕量的產(chǎn)生

安全殼內(nèi)相對(duì)濕度的升高一般是在主管道泄漏的情況下，但是不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)使得安全殼大氣絕對(duì)含濕量上升，而且驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部大量的散熱量和大的通風(fēng)量會(huì)很快使得進(jìn)入驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部空氣的相對(duì)濕度得以迅速降低，不會(huì)對(duì)堆頂風(fēng)機(jī)這一套空氣冷卻設(shè)備產(chǎn)生影響，同時(shí)對(duì)于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)備組成構(gòu)件不會(huì)產(chǎn)生影響。

（二）控制棒操作機(jī)構(gòu)內(nèi)部工作溫度

西屋的設(shè)計(jì)文件中提到控制棒操作機(jī)構(gòu)內(nèi)部工作時(shí)的溫度要求不超過(guò)200℃，那么實(shí)際控制棒機(jī)構(gòu)內(nèi)的溫度可能高于200℃，而這一溫度的差值直接影響堆頂風(fēng)機(jī)的設(shè)備性能。

五、堆頂冷卻風(fēng)機(jī)帶走的熱量

堆頂風(fēng)機(jī)運(yùn)行有兩個(gè)工況：

A工況是調(diào)試啟動(dòng)期間的冷卻試驗(yàn)，控制風(fēng)機(jī)入口溫度為21℃-79℃。B工況是正常運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)入口溫度為38℃-82℃。此時(shí)反應(yīng)堆功率進(jìn)入穩(wěn)定階段.

（一）系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

1.系統(tǒng)流量監(jiān)測(cè)-就地控制室顯示及報(bào)警系統(tǒng)空氣氣體壓力監(jiān)測(cè)。2.系統(tǒng)輻照劑量監(jiān)測(cè)-就地控制室報(bào)警。3.系統(tǒng)運(yùn)行系列切換信號(hào)顯示-就地控制室顯示。

（二）堆頂風(fēng)機(jī)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)

堆頂風(fēng)機(jī)本身和系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)有以下幾點(diǎn)：1.風(fēng)機(jī)進(jìn)氣溫度顯示。2.風(fēng)機(jī)排氣溫度顯示。3.風(fēng)機(jī)軸承溫度顯示。4.電機(jī)機(jī)殼溫升顯示。5.運(yùn)行開(kāi)機(jī)信號(hào)顯示-主控制室。6.運(yùn)行停機(jī)信號(hào)顯示-主控制室。7.電機(jī)運(yùn)行電流顯示-就地控制室顯示。8.風(fēng)閥運(yùn)行狀態(tài)顯示-就地控制室顯示。9.風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

（三）系統(tǒng)試驗(yàn)

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)冷卻功能試驗(yàn)是驗(yàn)證冷卻效果是否達(dá)到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈溫度小于200℃。。所以對(duì)于線圈的運(yùn)行和溫度的監(jiān)測(cè)，采取通過(guò)測(cè)量驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈的電阻變化率來(lái)?yè)Q算出溫度的變化。

六、設(shè)備運(yùn)行故障的風(fēng)險(xiǎn)分析

（一）失電工況分析

堆頂風(fēng)機(jī)出口的閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在失電情況下，可以依靠機(jī)構(gòu)內(nèi)部的彈簧自動(dòng)復(fù)位打開(kāi)閥門，保持流道通風(fēng)功能。

（二）電機(jī)高溫運(yùn)行分析

由于電動(dòng)機(jī)與風(fēng)機(jī)一體化安裝，所以電機(jī)發(fā)熱量可以通過(guò)風(fēng)道內(nèi)的氣流始終在冷卻過(guò)程中，所以控制棒操縱機(jī)構(gòu)內(nèi)部的高溫氣體流經(jīng)電機(jī)時(shí)傳給電機(jī)的熱量是變化的也是不穩(wěn)定的傳熱過(guò)程。電機(jī)經(jīng)過(guò)高溫120℃耐老化試驗(yàn)，證明電機(jī)本身可以經(jīng)受高溫環(huán)境的運(yùn)行考驗(yàn)。

七、存在問(wèn)題的討論

1.風(fēng)閥泄漏率。由于風(fēng)閥在安全殼大氣環(huán)境中工作，風(fēng)機(jī)吸入和排出也都處在這個(gè)環(huán)境中，所以對(duì)于風(fēng)閥的殼體對(duì)外泄漏率為零的要求可以適當(dāng)降低。2.堆頂一體化結(jié)構(gòu)的抗震性能。堆頂風(fēng)機(jī)抗震分析計(jì)算結(jié)果證明水平方向可以達(dá)到9g，垂直方向可以達(dá)到4g。堆頂一體化結(jié)構(gòu)是抗震一類的結(jié)構(gòu)，需要保持完整性和功能要求。3.冷卻系統(tǒng)的熱工計(jì)算?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的冷卻系統(tǒng)的熱工計(jì)算是一個(gè)涉及到反應(yīng)堆熱工計(jì)算的范圍，所以在反應(yīng)堆運(yùn)行后準(zhǔn)確跟蹤記錄堆頂風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)十分必要。4.過(guò)高的風(fēng)速的不利影響。通過(guò)計(jì)算得知風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)管道內(nèi)風(fēng)速達(dá)到20m/s以上，這樣一個(gè)速度是通風(fēng)專業(yè)管道阻力計(jì)算中偏高的速度。局部阻力和沿程阻力都增加，風(fēng)機(jī)功率增大，風(fēng)機(jī)和管道的空氣噪聲增大，對(duì)于管道的震動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生影響。

八、堆頂風(fēng)機(jī)的性能提高點(diǎn)

1.風(fēng)機(jī)工作效率.由風(fēng)機(jī)工作的特性可以分析出風(fēng)機(jī)的效率不會(huì)很經(jīng)濟(jì)，這是受風(fēng)機(jī)功率，轉(zhuǎn)速，壓力，流量等因素的影響。堆頂風(fēng)機(jī)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的工作效率達(dá)到67%，但是從風(fēng)機(jī)性能曲線可以看出在流量范圍以內(nèi)風(fēng)機(jī)效率在55%-60%之間，應(yīng)該已經(jīng)是比較理想的效率了。

2.避免風(fēng)機(jī)的喘振。從理論分析，風(fēng)機(jī)入口設(shè)置了防喘振環(huán)，可以起到有效減少渦流，使得入口氣流壓力分布減少不均勻情況的發(fā)生是有利的措施，從而使風(fēng)機(jī)最小流量在正常和喘振流量工況的分界點(diǎn)向下移動(dòng)到26%。從控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的構(gòu)造分析，在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)到正常運(yùn)行這一段時(shí)間內(nèi)，風(fēng)量為14040m3/h。兩臺(tái)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，則需要的進(jìn)風(fēng)量最小為28080m3/h，因此風(fēng)機(jī)是否發(fā)生喘振，與設(shè)在堆頂圍筒上的個(gè)8進(jìn)風(fēng)門的開(kāi)啟多少直接相關(guān)。

3.改變?nèi)~片角度。堆頂風(fēng)機(jī)性能數(shù)據(jù)是在葉片安裝角度為37度情況下的性能，如果需要調(diào)整風(fēng)機(jī)壓力或者流量時(shí)，必須調(diào)整葉片的角度。而葉片安裝角度的改變，直接影響到風(fēng)機(jī)的壓力和流量，同時(shí)使得耗電功率變化。

九、結(jié)語(yǔ)

由于作者掌握的資料信息有限，此非能動(dòng)堆型的運(yùn)行還沒(méi)有開(kāi)始，因此在現(xiàn)有文件的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)這個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行了一些邊緣的理論分析和探討。加深了非能動(dòng)堆型整體設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)和理解。對(duì)后續(xù)核電設(shè)計(jì)有指導(dǎo)和借鑒作用。

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