ESPRIT台架启动试验RELAP5程序预先模拟研究

李峰　黄慧剑　陈伟

【摘 要】华龙一号核电厂设置有二次侧非能动余热排出系统（Passive Residual Removal System，PRS系统）。为验证该非能动系统的可用性，开展了二次侧非能动余热排出系统实验研究，试验台架为ESPRIT。本文利用热工水力系统分析程序RELAP5对ESPRIT台架进行建模。针对启动试验工况进行预先计算分析，研究PRS系统运行状态和主要现象，为启动试验提供参考。

【关键词】ESPRIT；二次侧非能动余热排出系统；RELAP5

华龙一号二次侧非能动余热排出系统（PRS系统）利用放置在换热水箱内的热交换器，将蒸汽发生器二次侧产生的蒸汽冷却，进而将热量释放到换热水箱。蒸汽冷却产生的凝水通过管道流回到蒸汽发生器。蒸汽发生器吸收一回路冷却剂的热量产生蒸汽，再流入到热交换器中，这样就形成了两相自然循环流动。该系统设计目标是实现停堆后能够长期排出堆芯余热和储热，保证反应堆处于安全状态。

为验证系统运行能力，建立了二次侧非能动余热排出系统试验台架ESPRIT。试验内容包括了稳态运行试验和启动试验。在启动试验前，首先利用RELAP5程序对启动试验进行了预先计算研究，获得试验过程中的主要现象，为启动试验提供支持和参考。

1 ESPRIT台架

ESPRIT实验装置流程图见图1，该系统主要由蒸汽发生器模拟体（SG）、蒸汽管道、蒸汽管道手动调节阀、蒸汽管道文丘里流量计、冷却器（EX）、凝水管道、凝水管道手动调节阀、凝水管道快开（关）阀、凝水管道文丘里流量计、凝水管道阻力件、总给水管道手动调节阀、总给水流量计、1#应急补水箱模拟体、2#应急补水箱模拟体、补水箱模拟体下游快开（关）阀、补水箱模拟体支路流量计、补水箱模拟体支路手动调节阀、事故冷却水箱模拟体、蒸汽排放支路管道、蒸汽排放支路气动调节阀、蒸汽支路排放手动截止阀、大气旁路排放阀和安全阀等组成。

SG蒸汽发生器；ST事故冷却水箱模拟体；HT加热器；FEV文丘里流量计；EST应急补水箱；SV安全阀；EX应急余热排出冷却器模拟体；LV手动调节阀；CHV止回阀；V手动截止阀；PV气动调节阀；HVS快开阀。

2 RELAP5程序模型

将实验装置主要分成蒸汽发生器模拟体、蒸汽管道、冷却器、凝水管道和补水箱支路等部分进行程序建模。RELAP5程序模型图见图2。3 启动试验工况

实验过程中功率按照给定变化曲线进行调节，曲线形状为原型PRS系统投入后通过蒸汽发生器向二次侧导出的功率曲线。实验工况见表1。工况1考虑瞬态过程中补水箱可用，称为注水启动。工况2不考虑补水箱投入，称为液柱启动。

图2 实验装置RELAP5程序模型图

表1 启动实验工况

启动试验1试验方法如下：

1）在换热器支路启动阀和补水箱支路启动阀关闭的状态下，通过调整上充流量和蒸汽发生器模拟体气动阀开度，建立功率为0.5MW，压力为7.85MPa的（水和蒸汽温度均为饱和温度）蒸汽发生器模拟体初始工况。

2）逐渐增大蒸汽发生器模拟体气动阀开度，同时逐渐提升U形电加热元件功率，待功率3.13%额定功率稳定时间长于20s且蒸汽发生器模拟体压力和水位达到目标值时，投入功率曲线，同时开启换热器支路启动阀、关闭蒸汽发生器模拟体气动阀。大气旁路排放阀阀门根据压力信号开启和关闭，开启定值为7.85MPa，关闭定值为7.5MPa。

3）蒸汽发生器模拟体内水位低至设定值，手动开启补水箱支路启动阀，补水箱开始向蒸汽发生器模拟体注水。

4）待补水箱注水量达到设定时（补水箱水位低于0.1m），关闭补水箱支路启动阀停止向补水箱注水。

启动试验2试验方法与启动试验1的差别是：瞬态中不开启补水箱支路启动阀。

4 RELAP5程序模拟

4.1 初始点模拟

启动试验1和2初始点状态相同，程序使用的调节方法为：

Step1：不引入功率。初始水温为20℃，蒸汽管道排气阀打开，给定压力边界为1MPa，给定模拟体初始水装量，水位为14.267m，其余部分为饱和蒸汽。

Step2：投入模拟体热源，假定功率为300kW，模拟体内水蒸发，系统压力逐渐上升，水蒸气通过蒸汽管道排气阀排出。当压力升高一定程度后，关闭排气阀，手动打开大气旁路排放阀阀门排出冷却剂，使蒸汽发生器下降段水位下降到9.2m。

Step3：模拟体热源功率加到600kW，关闭大气旁路排放阀阀门，系统压力继续上升。当压力升高到7.85MPa时，投入PRS系统。

4.2 瞬态模拟

在初始点调节Step3中，当压力达到7.85MPa时，打开换热器支路启动阀。启动试验1中打开补水箱支路启动阀。启动试验2中不打开补水箱支路启动阀。

4.2.1 环路流量

与注水启动1相比，液柱启动2流向蒸汽发生器模拟体的流量偏低，但是流经换热器的流量偏高，可见由于投入补水箱支路抑制了换热器支路流量（图3、图4）。

注水启动1中，在补水箱被隔离后，换热器支路流量上升更快。

图3 总凝水流量

图4 换热器支路流量

4.2.2 环路压力

由于液柱启动2流经换热器流量较大，因此，其换热能力较高，系统压力下降较快。注水启动1中大气旁路排放阀开启5次，而液柱启动2中仅开启3次（图5）。

图5 蒸汽压力

4.2.3 蒸汽发生器模拟体下降段液位

注水启动1中在补水箱投入后，液位逐渐上升，约3600s时水位最高达到14m，随后逐渐下降。液柱启动2中液位快速上升，随后缓慢下降，约3500s后液位出现震荡（图6）。

图6 蒸汽发生器模拟体下降段水位

5 结论

针对PRS系统启动试验进行了RELAP5程序模拟预算，结果显示启动过程呈现以下特征：

（1）两种启动过程均能顺利建立自然循环流量，并形成稳定的自然循环，排出系统热量；

（2）液柱启动早期排热功率高于注水启动，系统压力下降更快，大气旁路排放阀开启次数更少；

（3）注水启动早期流向蒸汽发生器模拟体的流量较高，模拟体下降段液位上升更高。

【参考文献】

[1]RELAP5v3.2 code maual， NUREG/CR-5535[Z].

[责任编辑：王楠]