水力控制棒驅(qū)動系統(tǒng)失壓工況的實驗研究

1、第37卷第1期原子能科學技術Vol.37,No.12003年1月Atomic Energy Science and TechnologyJan.2003水力控制棒驅(qū)動系統(tǒng)失壓工況的實驗研究鄭艷華,薄涵亮,董鐸,王金華(清華大學核能技術設計研究院先進反應堆工程與安全教育部重點實驗室,北京100084摘要:利用200MW 低溫核供熱堆水力控制棒驅(qū)動系統(tǒng)的11實驗臺架模擬系統(tǒng)失壓工況,進行控制棒步升、步降、開閥落棒及關泵開閥落棒實驗,并與正常工況下的提棒、落棒的實驗結(jié)果進行比較。實驗結(jié)果表明:在系統(tǒng)失壓工況下,控制棒能正常提棒、落棒;模擬系統(tǒng)失壓工況下的彈棒,系統(tǒng)壓力與壓力殼壓力具有瞬時跟隨特性,未

2、出現(xiàn)控制棒彈棒事故。對實驗的失壓速率和事故分析得到的失壓速率進行了比較,驗證了系統(tǒng)具有良好的安全性和可靠性。關鍵詞:水力控制棒驅(qū)動系統(tǒng);失壓;提棒;落棒;彈棒事故中圖分類號:TL351文獻標識碼:A 文章編號:100026931(20030120049205Experiment Study on Depressurizationof H ydraulic Control Rod Driving SystemZHEN G Yan 2hua ,BO Han 2liang ,DON G Duo ,WAN G Jin 2hua(A dvanced Reactor Engineering and S a

3、f ety ,Key L abratory of Minist ry of Education of China ,Institute of N uclear Energy Technology ,Tsinghua U niversity ,Beijing 100084,China Abstract :Through simulating depressurization condition ,the experiments are carried out by the 11experiment loop of hydraulic control rod driving system for

4、200MW nuclear heating reactor.The experimental results of step 2up ,step 2down and scram in normal condition and depressurization condition indicate that control rod can step 2up ,step 2down and scram nor 2mally in depressurization condition.The rod ejection experiment in depressurization condition

5、also is carried out.The result indicates that the system pressure will follow the pressure of the pressure vessel instantaneously and the control rod can t engender rod ejection accident.The hydraulic control rod driving system has inherent safety and reliability.K ey w ords :hydraulic control rod d

6、riving system ;depressurization ;stepping ;scram ;rod e 2jection accident收稿日期:2001206227;修回日期:2001209209基金項目:國家自然科學基金資助項目(19702009作者簡介:鄭艷華(1977,女,福建莆田人,在讀博士研究生,核能科學與工程專業(yè)在反應堆運行過程中,當因某種事故使反應堆壓力殼突然失壓時,堆芯冷卻劑將通過破口流失,傳熱惡化。事故發(fā)生后,控制棒若不能正常落棒甚至發(fā)生彈棒事故,反應堆將不能有效停堆,堆反應性和功率無法得以控制,堆功率激增將使事故后果嚴重惡化,導致堆芯熔化。利用200MW 低溫核

7、供熱堆水力控制棒驅(qū)動系統(tǒng)的11實驗臺架研究系統(tǒng)失壓工況下控制棒的步升、步降及落棒情況,分析在突然失壓工況下主缸體壓力與系統(tǒng)壓力的跟隨特性,研究是否會產(chǎn)生因壓力滯后效應導致棒內(nèi)外差壓突然增大而出現(xiàn)控制棒從堆內(nèi)彈出現(xiàn)象,以便驗證水力控制棒驅(qū)動系統(tǒng)的設計安全性和可靠性,這是進一步分析研究和推廣應用該系統(tǒng)的一重要關鍵問題。1實驗回路水力控制棒驅(qū)動系統(tǒng)主要由水力步進缸、組合閥和循環(huán)泵組成1(圖1。水力步進缸包括內(nèi)、外套及中子吸收體3個部分,內(nèi)套固定在堆芯下層格板上,外套和中子吸收體(控制棒固結(jié)在一起,可沿內(nèi)套上下運動。冷卻劑經(jīng)泵加壓后,經(jīng)組合閥調(diào)節(jié)流量,從底部注入步進缸;流體從內(nèi)外套上的槽孔中流出,產(chǎn)生

8、棒內(nèi)外差壓,作用于控制棒上;通過改變流量來改變作用在控制棒上的差壓,使控制棒保持平衡或進行步升、步降運動。水力控制棒驅(qū)動系統(tǒng)的工作機理詳情參見文獻2。圖1水力控制棒驅(qū)動系統(tǒng)流程示意簡圖Fig.1Flow chart of hydraulic control rod driving system水力控制棒驅(qū)動系統(tǒng)有開閥落棒和關泵開閥落棒兩種落棒方式。在開閥落棒方式中,打開組合閥中的下降電磁閥,大部分流體未進入步進缸,而是通過下降電磁閥直接回到循環(huán)泵,棒保持流量下降,控制棒下落;在關泵開閥落棒方式下,在打開下降電磁閥的同時關閉循環(huán)泵,與開閥落棒方式相比,棒保持流量下降更快,落棒時間更短。本實驗的實

9、驗回路為200MW 低溫核供熱堆水力控制棒驅(qū)動系統(tǒng)的11實驗臺架3,實驗回路中的水力步進缸密封于壓力筒內(nèi)。壓力筒壓力通過氣瓶和氣水箱調(diào)節(jié),氣水箱上部有一直徑為15mm 的閥門和一可瞬時開啟的電磁閥。先將直徑15mm 的閥門打開,然后瞬時打開電磁閥,氣水箱直接與大氣相連,箱內(nèi)氣體向外釋放,壓力下降,壓力筒迅速失壓。筒上設有玻璃觀察窗,可觀察控制棒的運行情況。在實驗中,測量系統(tǒng)可對主缸體溫度等22個參數(shù)進行采樣,獲取它們在實驗前、后及兩者的平均值;另外,將12s 的操作過程分成3000個采樣點,選擇3個參量分別采樣3000組數(shù)值,獲得這3個參數(shù)在12s 內(nèi)的動態(tài)變化曲線。控制棒棒位利用超聲波測量系

10、統(tǒng)進行測量。2實驗方案實驗內(nèi)容包括冷態(tài)工況下提棒和落棒實驗及冷態(tài)和熱態(tài)兩種工況下的彈棒實驗。211冷態(tài)工況下的提棒實驗在冷態(tài)工況下,隨著循環(huán)泵的運轉(zhuǎn),系統(tǒng)自然升溫。在不同溫度、流量下進行實驗。實驗過程如下:1通過氣水箱與壓力筒間的卸壓閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力至215MPa ;2記錄系統(tǒng)溫度,并調(diào)節(jié)進入步進缸的流量至某一定值,將控制05原子能科學技術第37卷棒升至固定棒位并保持棒位恒定;3將控制棒步升、步降,對主缸體壓力(P1、棒內(nèi)外差壓(D P3和棒保持流量(F33個參量進行12s 動態(tài)采樣測量;4打開直徑15mm的閥門后瞬時打開電磁閥,在系統(tǒng)失壓過程中將控制棒步升、步降,并對以上3個參數(shù)進行采樣,觀察

11、失壓過程中系統(tǒng)提棒是否正常。212冷態(tài)工況下的落棒實驗實驗過程如下:1將系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)至215MPa;2記錄系統(tǒng)溫度,調(diào)節(jié)棒保持流量至實驗值,并將控制棒升至最高位置第41步;3將控制棒開閥落棒或關泵開閥落棒;4打開閥門使系統(tǒng)失壓,在系統(tǒng)失壓過程中將控制棒開閥落棒或關泵開閥落棒。在落棒實驗過程中,對P1、F3和棒位(B1進行12s動態(tài)采樣測量,觀察失壓過程中系統(tǒng)落棒是否正常,并比較正常工況和失壓工況下的落棒時間。213彈棒實驗彈棒實驗分別在冷態(tài)、熱態(tài)工況下進行。在冷態(tài)工況下,起始溫度為30,隨著循環(huán)泵的運轉(zhuǎn),溫度不斷上升,實驗選取約30、50、75和1004個溫度點;隨著系統(tǒng)緩慢自然升溫,系統(tǒng)進入

12、熱態(tài)工況,這時,用加熱器對系統(tǒng)加熱,熱態(tài)實驗選取125、150、1753個溫度點。實驗在不同流量和溫度下進行。實驗過程如下:1調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力至215MPa;2將溫度和棒保持流量調(diào)至實驗選定值,將控制棒提升并保持在固定棒位;3打開閥門使系統(tǒng)失壓,失壓過程中記錄B1、P1、D P3等參數(shù),觀察是否出現(xiàn)彈棒現(xiàn)象。3實驗結(jié)果及其分析311提棒實驗棒保持流量為310m3/h、溫度為40時,正常工況和失壓工況下的步降實驗結(jié)果示于圖2。在正常工況下的步降操作中,P1不變,產(chǎn)生一股負脈沖流量進入步進缸,使控制棒步降;失壓工況的實驗曲線中的P1迅速下降,而D P3、F3的測量結(jié)果與正常工況下的測量結(jié)果一致。在不同

13、溫度、流量正常工況和失壓工況下,控制棒均能正常步升、步降。312落棒實驗流量為3.4m3/h、溫度為60時,正常工圖2步降實驗曲線Fig.2Parameter curves of step2down experimenta正常工況;b失壓工況況和失壓工況下的開閥落棒實驗結(jié)果示于圖3;流量為3.4m3/h、溫度為62時,正常工況和失壓工況下的關泵開閥落棒實驗結(jié)果示于圖4。落棒過程中,F3、B1下降。在兩種落棒方式中,失壓工況下P1下降、B1和F3的變化與正常工況下的相同。對應不同實驗條件、不同落棒方式,兩種工況的落棒時間及兩者間的相對偏差列于表1。由表1可看出:在失壓工況下,兩種落棒方式下均能正

14、常落棒,且失壓工況與正常工況下的落棒時間之間的相對偏差均小于2%,失壓對落棒時間無影響。313彈棒實驗在彈棒實驗中,超聲波棒位測量結(jié)果和玻璃觀察窗直接觀察結(jié)果均顯示,失壓后的棒位保持不變,未出現(xiàn)彈棒事故。流量為3.0m3/h、溫度為175時水力控制棒驅(qū)動系統(tǒng)的彈棒實驗曲線示于圖5。從圖中曲線可看出:閥門打開后,P1迅速下降,F3和D P3保持不變。15第1期鄭艷華等:水力控制棒驅(qū)動系統(tǒng)失壓工況的實驗研究 圖3開閥落棒實驗曲線Fig.3Parameter curvesof opening2valve scram experiment a正常工況;b失壓工況圖4關泵開閥落棒實驗曲線Fig.4Par

15、ameter curves of opening2valveand closing2pump scram experimenta正常工況;b失壓工況表1落棒時間比較T able1Time comparison of scram落棒方式流量/(m3h-1溫度/落棒時間/s正常工況失壓工況相對偏差/%4.032 1.31這說明,水力步進缸內(nèi)腔壓力與主缸體壓力有很好的跟隨特性,未因壓力變化滯后而導致棒內(nèi)外差壓升高。不同溫度、流量下的實驗結(jié)果相同,控制棒均未出現(xiàn)彈棒事故,系統(tǒng)在失壓工況下無彈棒陷患,具有良好的固有安全性。4失壓速率及其分析清華大學核能技術設計研究院對大慶油田200MW核供熱示范工程進行

16、了初步安全分析,并得到了壓力殼安全閥意外開啟并常開、反應堆控制棒引水管在第一道隔離閥前破裂、反應堆控制棒引水管在安全殼外破裂以及壓力殼底部裂縫等4種事故工況下的主冷卻劑系統(tǒng)壓力變化曲線4。穿過安全殼的其余管道直徑均小于引水管直徑,因此,其余管道破裂引起的失壓事故已包含在以上事故分析當中。事故分析得到壓力殼安全閥意外開啟并常開、反應堆控制棒引水管在第一道隔離閥前破裂、反應堆控制棒引水管在安全殼外破裂3種工況下的平均失壓速率約為1000 3000Pa/s,即大約每幾十秒至一百秒損失一25原子能科學技術第37卷 圖5彈棒實驗曲線Fig.5Parameter curvesof rod ejection

17、 experiment個大氣壓;壓力殼底部裂縫工況的失壓速率最低,約為300400Pa/s,即大約每200400s 損失一個大氣壓。對實驗失壓速率進行分析可得出主缸體壓力平均下降速率大于40000Pa/s,最快失壓速率可達105Pa/s以上,即實驗中的壓力殼失壓速率遠大于可能發(fā)生的壓力邊界破損事故中的失壓速率,這證明了水力控制棒驅(qū)動系統(tǒng)在可能發(fā)生的失壓事故中能保持良好的工作性能。5結(jié)語在200MW低溫核供熱堆水力控制棒驅(qū)動系統(tǒng)的11實驗臺架上模擬系統(tǒng)正常工況和失壓工況提棒、落棒及失壓工況下的彈棒實驗結(jié)果表明:1失壓工況下控制棒能正常步升、步降;2失壓工況下控制棒能正常開閥落棒和關泵開閥落棒,且兩種落棒方式在正常工況和失壓工況下的落棒時間間的相對偏差小于2%,失壓對落棒時間無影響;3壓力殼壓力降低,步進缸內(nèi)腔壓力及主缸體壓力變化瞬時跟隨,使得棒保持流量、棒內(nèi)外差壓基本保持不變,系統(tǒng)不出現(xiàn)彈棒事故;4實驗失壓速率遠大于事故分析得到的可能發(fā)生的壓力邊界破損事故中的失壓速率,水力控制