堆内辐照考验回路稳压器的设计

汪海，孙胜，戴钰冰，吴红伟

（中国核动力研究设计院一所，成都 610005）

0 引言

反应堆辐照考验回路用于对新型燃料元件进行最终试验验证，模拟燃料元件实际运行的中子场、温度、压力、流量、水质等环境条件，对燃料元件进行堆内辐照试验，以验证燃料元件在预期燃耗深度下的物理热工特性、结构的完整性以及制造工艺的合理性。目前由于我国的燃料元件研发多是基于压水堆模型，因此燃料元件的运行温度一般为310 ℃，运行压力一般为15.5 MPa，高温高压工况下如何对考验回路冷却剂介质进行稳压，控制压力波动范围就成了回路设计的一项关键技术难点。本稳压器专门用于反应堆辐照考验回路，能将回路的压力波动控制在基准值-0.17～0.52 MPa之间，能通过稳压器内部液位监测回路冷却剂是否出现泄漏，以便及时向系统补水，同时该稳压器还具有高压停堆保护和低压停堆保护的功能。

1 稳压器设计原理

1.1 压力控制原理

稳压器压力控制系统由电加热元件、喷淋阀、安全阀组成一个单参数多通道的调节系统。主通道控制器是一个比例积分微分控制器（PID），由压力变送器得到的稳压器压力P与整定值Pref相比较[2]，输出比较信号P-Pref对喷淋阀和调节电加热器进行连续控制，对备用组电加热器进行断续控制。

当比较信号小于-0.17 MPa时，备用组电加热器启动，比较信号回升至-0.1 MPa时，备用组电加热器启动关闭；当比较信号处于-0.1～0.1 MPa时，对应调节组电加热器100%～0功率，根据比较信号的大小，按比例控制调节组电加热器的功率；当比较信号处于0.17～0.52 MPa时，对应喷淋阀的0～100%开度，根据比较信号的大小，按比例控制喷淋阀的开度；当比较信号大于1.1 MPa时，开启安全阀，排出多余的蒸汽，防止系统超压。稳压器压力调节原理图如图1所示。

图1 稳压器压力调节原理图

稳压器在压力升高时的压力控制程序：压力升高至15.67 MPa时，喷淋阀开启，压力升至16.02 MPa时，喷淋阀达到满开度；压力升至16.55 MPa，实行高压停堆保护；压力升至16.6 MPa时，第一个安全阀开启，若开启后压力降至16.0 MPa，关闭安全阀升至17.2 Pa时，第二个安全阀开启，若开启后压力降至16.6 Pa，关闭安全阀。稳压器在压力升高时的压力控制程序如图2所示。

稳压器在压力降低时的压力控制程序：压力降低至15.33 MPa时，备用组电加热器启动，若启动后压力回升至15.4 MPa，备用组电加热器关闭；若压力降至15.2 MPa时，发出低压报警；当压力降至13.1 MPa时，实行低压停堆保护；当压力降至11.9 MPa时，高压安注系统投入。稳压器在压力降低时的压力控制程序如图3所示。

1.2 水位控制原理

水位控制系统由液位监测仪表和补水系统组成，当液位低于设定值时开启补水泵，向回路补水，当液位达到定值时关闭补水泵[4]。系统压力降低和系统出现泄漏均可能造成稳压器液位降低，而正常压力波动范围内的压力降低是不需要对回路进行补水的，只有在系统出现泄漏时才需要对系统进行补水[6]。本文对上述两种情况均建立了压力与液位的关系函数，从而分析出正确的补水信号。

1.2.1 正常压力波动时，压力与液位的关系函数

在电加热器的作用下，由ΔV体积的饱和水变成饱和蒸汽，由于在15.5 MPa的运行压力下，水的密度大约是蒸汽密度的5.8倍[5]，若假定压力不变，15.5 MPa下ΔV体积的饱和水则变成15.5 MPa下5.8倍ΔV体积的饱和蒸汽，而在稳压器内部容器一定的情况下，气腔体积只能变化为V1+ΔV，而运行压力会由初始压力P1变化为额定压力P2。那么针对上部气腔空间，如下等式成立：

当P1在15.5～13.1 MPa之间变化时，k值在1～1.183之间变化。那么，x在0～0.183之间变化。

1.2.3 水位控制点的设置

从上述分析可知，在正常压力波动下，若压力降低，则液位将随之在0～0.00229h1的范围内变化；若压力升高，则液位将随之在0～-0.0068h1之间变化。当回路出现泄漏的情况下，低压停堆之前液位在0～0.183h1的范围内变化。那么可将水位控制点作如下设置：1）当液位比整定值h1低5%时，发出水位低报警信号；2）当液位比整定值h1低10%时，发出补水信号；3）当液位回升至整定值h1，解除补水信号。

为保护稳压器内部的电加热元件不烧毁，要求在电加热元件的高度不得超过低压停堆时的液位高度0.183h1，同时将电加热元件与低压停堆信号联锁，当系统低压停堆时同时关闭电加热元件。

图4 稳压器内部体积变化示意图

2 稳压器设计

2.1 总体描述

稳压器是一个直立的塔形容器，在其顶部有喷淋头组件，在其中部设有波动管组件，在其底部设有电加热元件，此外，在稳压器内部还设置有电加热元件导向格架板与保护稳压器内壁的内筒。正常工作时，容器内上部的蒸汽约占总容积的40%，下部的饱和水腔约占总容积的60%。喷淋头通过喷淋管和喷淋阀与主泵出口相接，波动管连接到考验装置出口，用以实时跟踪回路温度的变化。稳压器的结构如图5所示。

图5 稳压器结构图

2.2 设计参数

设计压力为17.2 MPa；设计温度为360℃；内部净容积为0.35 m3；蒸汽体积为0.14 m3；饱和水体积为0.21 m3；工作介质为去离子饱和水、饱和蒸汽。

2.3 稳压器本体

稳压器本体由筒体、上封头、下封头和顶盖组成。上封头为球形封头，与筒体采用直径等壁厚连接，上封头开有1个喷淋头拆换孔，3个安全阀连接孔，4个仪表管连接孔。下封头也为球形封头，与筒体采用直径等壁厚连接，下封头开有9个电加热元件套管孔，1个排空管连接孔，4个仪表管连接孔。顶盖开有1个喷淋管连接孔、8个主螺栓连接孔。筒体与上、下封头采用对接焊缝焊接，筒体与顶盖通过主螺栓压紧石墨缠绕不锈钢垫片连接在一起。筒体、上封头、下封头和顶盖均由不锈钢锻件制成。

2.4 波动管

波动管从筒体的侧下部引入容器内，而不是从下封头底部引入。这样避免了在开孔较多的下封头开大孔，同时避免了波动管与电加热元件和底座的相互干涉，还有利于波动水在容器内的均匀传播。

波动管由不锈钢管弯制90°而成，波动管焊接在接管头上，接管头与来自考验装置出口的管道焊接在一起。

2.5 喷淋头

喷淋头由喷淋接管、铁芯、管嘴、垫片与环组成。喷淋头安装在顶盖上，便于检修和拆换。喷淋水是通过喷淋接管而来的主泵出口水。其温度低于稳压器内水、气饱和温度。通过喷淋来凝结稳压器内蒸汽，限制回路系统的超压，维持回路的正常工作压力。

2.6 电加热元件

稳压器下封头设置有单端插入式电加热元件，共9根。电加热元件套管与下封头冷装后焊接在一起，元件插入套管后通过螺母压紧密封材料实现与稳压器的密封[7]。

在运行时，电加热元件分为3组，启动组、调节组、备用组各3根。其中启动组与备用组具备通断开闭的功能，调解组具备按比例投入的功能。

2.7 稳压器内部构件

稳压器内部构件有电加热元件导向格架板、保护内壁的内筒等。在稳压器内部共设有两组格架板，格架板通过螺钉与焊接在稳压器内部的支撑板相连接。内筒为不锈钢圆筒，内筒通过支撑块、螺纹块与稳压器连接在一起。

2.8 支撑部件

稳压器支撑部件包含支撑筒、支腿、基座3个部分。

支撑筒为不锈钢圆筒，支撑筒一端与稳压器下封头焊接，另一端与支腿焊接；支腿由不锈钢槽钢加工预制而成，支腿一端与支撑筒焊接，一端与基座焊接；基座与支腿焊接在一起后通过地脚螺栓安装在设备基础上。

2.9 安装部件

稳压器安装部件由安装预埋板与地脚螺栓组成，安装预埋板为碳钢圆环，地脚螺栓与安装预埋板焊接在一起后浇筑在设备基础之中。

3 稳压器抗震计算与应力分析

稳压器属于RCC-M规范的SC-2级设备，需通过进一步的抗震计算与应力分析来验证结构的力学性能，以满足RCC-M规范的要求。

3.1 载荷与工况

稳压器的工况分类分为设计工况、正常工况、异常工况、试验工况等4种，涉及到的载荷有自重、设计压力、操作压力、试验压力、设计温度、操作温度、OBE载荷、SSE载荷、静液压力、液体扰动热膨胀等11种[1]，各种工况下所涵盖的载荷种类如表1所示。

表1 各种工况下的载荷组合表

3.2 应力评定准则

依据《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》的规定，各种工况下遵守的准则级别及应力限值应该满足表1规定。

3.3 计算模型

稳压器主体由上封头、筒体和下封头组成，采用Solid185单元对其进行网格划分，计算模型共由36 080个单元组成，上封头、下封头以及筒体通过节点耦合法进行装配。内部构件有电加热元件导向格架板、保护内壁的内筒等，采用Solid185单元对其进行网格划分，内筒由22 614 个单元组成，电加热元件导向格板由12 366个单元组成。支撑部件包含支撑筒、支腿、基座3个部分，支撑筒、基座采用Solid185单元对其进行网格划分，支腿采用Beam189单元进行网格划分，支撑筒、基座与支腿采用Surface-Based Constraints方法进行装配，支撑部件计算模型共由13 794个单元组成。顶盖采用Solid185单元对其进行网格划分，其计算模型由8620个单元组成。主螺栓、螺母采用Solid185单元对其进行网格划分，其计算模型由1032个单元组成。

表2 稳压器的应力分析工况分类与评价准则表[3]

图6 稳压器在设计工况下的应力分布图

3.4 分析结果及评定

在设计工况下，稳压器的最大应力强度为94.1 MPa。稳压器主体的最大应力强度为93.7 MPa，主螺栓的最大应力强度为17.4 MPa，顶盖在的最大应力强度为19.2 MPa。

在正常工况下，稳压器的最大应力强度为84.9 MPa。稳压器主体的最大应力强度为74.0 MPa，主螺栓的最大应力强度为16.3 MPa，顶盖的最大应力强度为20.1 MPa。

在异常工况下，稳压器的最大应力强度为93.7 MPa。稳压器主体的最大应力强度为93.7 MPa，主螺栓的最大应力强度为17.4 MPa，顶盖的最大应力强度为19.2 MPa。

在试验工况下，稳压器的最大应力强度为127 MPa。稳压器主体的最大应力强度为127 MPa，主螺栓的最大应力强度为24.3 MPa，顶盖的最大应力强度为30.1 MPa。

稳压器在设计工况、正常工况、异常工况及试验工况下的各部件的薄膜应力σm、薄膜应力加弯曲应力σm+σb如表3所示。

表3 稳压器在各工况下的应力分类及其对应准则的应力限值对照表

4 结论

稳压器是反应堆辐照考验回路的关键设备之一，用于控制冷却剂的压力波动，防止系统超压。本文设计了由电加热元件、喷淋阀、安全阀组成的压力控制系统，并规定了压差信号在-0.17～0.52 MPa范围内变化时各个调节单元的工作流程，达到了压力控制的目的。本文还设计了由液位监测仪表和补水系统组成的液位控制系统，并通过建立稳压器气腔的平衡方程得到在正常波动和泄漏工况下液位高度与压力的关系式，并根据该关系式规定了稳压器的液位控制流程。在压力控制系统与液位控制系统建立的基础上，进一步开展了稳压器本体、波动管、喷淋头、电加热元件、内部构件、支撑部件、安装部件的结构设计。为验证稳压器的结构满足RCC-M规范的要求，对稳压器在设计工况、正常工况、异常工况、试验工况下的受力特性展开了分析，分析结果证明稳压器各个部位的应力均小于设计限值，满足规定要求。

综上，稳压器的结构设计合理、力学性能满足规范要求，能在反应堆辐照考验回路中实现控制系统压力波动、监测回路冷却剂是否出现泄漏、高压停堆保护和低压停堆保护的功能。