核电厂堆顶风机运行工况分析

    刘鹏飞 张雁

    中图分类号：TM623 文献标识：A 文章编号：1674-1145（2019）2-173-02

    摘 要 某非能动堆型核电厂控制棒驱动系统冷却设计不同于M310堆型机组和VVER机组，从安全要求，系统部件设置，事故后果分析等给出一个全新的概念，不同以往的常规配置。本文针对某堆型的控制棒驱动机构通风冷却系统进行了初步探讨，系统分析了它的特点和不同之处。

    关键词 控制棒操作机构 堆顶风机 冷却

    本文以某非能动堆型核电厂机控制棒操作机构冷却通风系统为主题，在掌握的现有资料基础上，从系统的组成，设备，功能等方面进行了研究和探讨。本文从通风专业角度对系统作了一些研究探讨工作，对于这个系统的原理和运行在M310堆型和VVER堆型的冷却方式基础上做的改进有了更为深刻的理解和认识。

    一、系统特点

    非能动堆型的控制棒驱动机构冷却系统CRDM设计与M310堆型RRM系统及VVER的KLA30系统不同之处在于：

    1.系统简单化，取消了为此设置的通风及为通风系统服务的相关管道和部件，使得反应堆本体周围的空间利用更充分。2.取消了为此设置的空气冷却器装置，减少了与辅助系统的接口。3.通风机在堆本体一体化堆顶布置，并且改为轴流式风机。

    二、系统运行压力分布分析

    （一）风机吸入段压力分布

    堆顶一体化结构和冷却系统为两台风机并联运行，系统的阻力处于一个比较稳定的运行工况。由于风机进口形成的阻力与风机出口形成的阻力数值相差较大，因此要求风机动压压力不是很高。由于控制棒操纵机构的组成比较复杂。因此操纵机构内部的空间狭小，空气流通断面所形成的通道局部阻力很大，使得这个空间的空气流通断面速度直接影响空气的热交换效率。为此，堆顶一体化结构的8个进风门在圆筒的360o范围均匀布置。

    （二）风机压出段压力分布

    从堆顶风机的工作状态要求分析，风机入口的压力分布可以确定，但是风机出口只有阀门段的局部阻力，然后静压压力急剧下降到安全壳内的大气压力，近似为0。动压随着射程轴心逐步衰减到0。按照常规，安全壳大气应该保持微负压状态在-10-30Pa左右，对于堆顶风机的排风是有利的。所以堆顶风机在排风过程中是可以节省部分动能的，对风机运行有利和节能。

    （三）风量平衡计算

    根据工艺要求，两台风机并联运行，由通风机运行原理可知并联运行情况下，系统流量增加，系统总压力不增加，同时管网压力损失不增加。风机额定流量54000m3/h，两台共108000m3/h计算，风量平衡结果分析，出风口截面积按照900mm直径考虑，计算动压值为290Pa左右，与风机性能鉴定试验的数值312Pa的动压差值比较吻合。

    （四）风机电功率消耗分析

    风机在性能试验时配套的电机功率为45Kw，但是性能试验结果实际在功率曲线最高点在33kw-31.5kw之间。由此可以得知，在风量和压力满足设备规格书的要求时，风机最大电能消耗不会超过37kw的标准配套电机所能提供的电能。

    （五）考虑安全壳内的气候条件和其他严重事故的影响

    配套45kw的电动机，对于风机运行和系统的稳定性是必须要考虑的，功率消耗的安全冗余在30%是安全的。同时国内电机功率的配套37kw之上只有45kw的产品，因此电机实际能耗并不高，不会使得电机过载出现事故。

    三、系统热力工况分析

    （一）CRDM堆控制棒操纵机构发热量主要来自以下几个方面

    1.控制棒在正常运行工况下发热量。根据反应堆功率的变化而动作，提升或者下降到堆芯内部反应区。由于堆芯温度很高（正常运行大于300度），因此控制棒必然会在提升过程中带出一部分热量释放到堆顶控制棒机构中间，这部分热量是在不断变化的（控制棒留在堆芯内的数量不确定，根据反应堆功率和反应性的大小而变化）。当堆功率达到最大时，控制棒反而带出的热量少。2.堆腔传导过来的热量。堆顶盖和控制棒驱动机构一体化，反应堆本身产生的热量由于设备结构本身的导热和传热的性能使得堆顶盖的温度升高。由于控制棒孔道直通堆芯，所以堆的热量可以直接传导到堆顶结构部分。根据经验和一些资料分析，常规的通风冷却只要风量足够大，不需要采取其他措施。按照常规分析，75-82℃的堆顶控制棒驱动机构排气温度应该是堆顶机构在正常通风冷却的情况下运行时出口的最大值。3.控制棒和灰棒的导管传递热。控制棒和灰棒的导管都是直接通到堆芯反应区的。它对通风冷却系统的热负荷造成直接影响。所以在没有准确计算的基础上，只是给出控制棒操作机构内部的温度只要不高于200℃就是可以接受的限值温度是根据驱动机构实验得出的，而且经过安全风险分析后得出的可接受的限值。

    （二）安全分析

    在控制棒操作机构空间内部的温度小于200℃时，操作机构的励磁线圈就不会失效而发生掉棒事故。但是一旦发生掉棒事故，反应堆本体在设计时已经考虑了可以适应和接受一根或几根控制棒掉落的事故影响。所以堆顶风机冷却系统没有考虑安全功能要求。但是堆顶风机和风阀按照抗震2类要求，在SSE时要求保证设备的完整性，不会影响到堆顶一体化结构的整体安全性能。

    四、运行工况分析

    控制棒驱动机构进气口的空气温度就是安全壳内环境温度，安全殼环境温度在21-38℃之间。最不利情况下，堆顶风机进口空气温度75-82℃，所以在安全壳大气环境温度和控制棒驱动机构冷却风机进口温度之间有54-44℃左右的温差，这个温度差值可以使堆顶风机一旦失去电源时可以形成自然循环来冷却控制棒驱动机构，带走驱动机构内部线圈产生的热量。

    （一）控制棒驱动机构基本没有湿量的产生

    安全壳内相对湿度的升高一般是在主管道泄漏的情况下，但是不会在短时间内使得安全壳大气绝对含湿量上升，而且驱动机构内部大量的散热量和大的通风量会很快使得进入驱动机构内部空气的相对湿度得以迅速降低，不会对堆顶风机这一套空气冷却设备产生影响，同时对于控制棒驱动机构的设备组成构件不会产生影响。

    （二）控制棒操作机构内部工作温度

    西屋的设计文件中提到控制棒操作机构内部工作时的温度要求不超过200℃，那么实际控制棒机构内的温度可能高于200℃，而这一温度的差值直接影响堆顶风机的设备性能。

    五、堆顶冷却风机带走的热量

    堆顶风机运行有两个工况：

    A工况是调试启动期间的冷却试验，控制风机入口温度为21℃-79℃。B工况是正常运行时风机入口温度为38℃-82℃。此时反应堆功率进入稳定阶段.

    （一）系统监测点

    1.系统流量监测-就地控制室显示及报警系统空气气体压力监测。2.系统辐照剂量监测-就地控制室报警。3.系统运行系列切换信号显示-就地控制室显示。

    （二）堆顶风机的运行监测

    堆顶风机本身和系统需要监测的参数有以下几点：1.风机进气温度显示。2.风机排气温度显示。3.风机轴承温度显示。4.电机机壳温升显示。5.运行开机信号显示-主控制室。6.运行停机信号显示-主控制室。7.电机运行电流显示-就地控制室显示。8.风阀运行状态显示-就地控制室显示。9.风机振动监测。

    （三）系统试验

    控制棒驱动机构冷却功能试验是验证冷却效果是否达到驱动机构线圈温度小于200℃。。所以对于线圈的运行和温度的监测，采取通过测量驱动机构线圈的电阻变化率来换算出温度的变化。

    六、设备运行故障的风险分析

    （一）失电工况分析

    堆顶风机出口的阀门电动执行机构在失电情况下，可以依靠机构内部的弹簧自动复位打开阀门，保持流道通风功能。

    （二）电机高温运行分析

    由于电动机与风机一体化安装，所以电机发热量可以通过风道内的气流始终在冷却过程中，所以控制棒操纵机构内部的高温气体流经电机时传给电机的热量是变化的也是不稳定的传热过程。电机经过高温120℃耐老化试验，证明电机本身可以经受高温环境的运行考验。

    七、存在问题的讨论

    1.风阀泄漏率。由于风阀在安全壳大气环境中工作，风机吸入和排出也都处在这个环境中，所以对于风阀的壳体对外泄漏率为零的要求可以适当降低。2.堆顶一体化结构的抗震性能。堆顶风机抗震分析计算结果证明水平方向可以达到9g，垂直方向可以达到4g。堆顶一体化结构是抗震一类的结构，需要保持完整性和功能要求。3.冷却系统的热工计算。控制棒驱动机构的冷却系统的热工计算是一个涉及到反应堆热工计算的范围，所以在反应堆运行后准确跟踪记录堆顶风机的运行数据十分必要。4.过高的风速的不利影响。通过计算得知风机进风管道内风速达到20m/s以上，这样一个速度是通风专业管道阻力计算中偏高的速度。局部阻力和沿程阻力都增加，风机功率增大，风机和管道的空气噪声增大，对于管道的震动也会产生影响。

    八、堆顶风机的性能提高点

    1.风机工作效率.由风机工作的特性可以分析出风机的效率不会很经济，这是受风机功率，转速，压力，流量等因素的影响。堆顶风机在实验过程中的工作效率达到67%，但是从风机性能曲线可以看出在流量范围以内风机效率在55%-60%之间，应该已经是比较理想的效率了。

    2.避免风机的喘振。从理论分析，风机入口设置了防喘振环，可以起到有效减少涡流，使得入口气流压力分布减少不均匀情况的发生是有利的措施，从而使风机最小流量在正常和喘振流量工况的分界点向下移动到26%。从控制棒驱动机构的构造分析，在风机启动到正常运行这一段时间内，风量为14040m3/h。两台风机启动运行，则需要的进风量最小为28080m3/h，因此风机是否发生喘振，与设在堆顶围筒上的个8进风门的开启多少直接相关。

    3.改变叶片角度。堆顶风机性能数据是在叶片安装角度为37度情况下的性能，如果需要调整风机压力或者流量时，必须调整叶片的角度。而叶片安装角度的改变，直接影响到风机的压力和流量，同时使得耗电功率变化。

    九、结语

    由于作者掌握的資料信息有限，此非能动堆型的运行还没有开始，因此在现有文件的基础上，通过对这个系统和设备进行了一些边缘的理论分析和探讨。加深了非能动堆型整体设计的认识和理解。对后续核电设计有指导和借鉴作用。

    参考文献：

    [1] 林诚格等.非能动安全先进压水堆核电技术.北京：原子能出版社，2010（5）.

    [2] 彭航，许厚明，李红鹰等.600MW核电站控制棒驱动机构原理样机风冷试验[J].核动力工程，2000，21（3）：193-196.