基于浮动核电站主给水系统，利用Flowmaster仿真软件建立了从除氧器出口至蒸汽发生器出口的给水系统模型。对给水系统四种瞬态过程中蒸汽发生器的水量变化进行分析：额定工况下一台给水泵跳闸，备用泵连锁启动；额定工况下一台给水泵跳闸，备用泵连锁启动失败；带零负荷时主给水调节阀故障全开；带满负荷时主给水调节阀故障全开。仿真结果表明，在给水泵切换瞬态工况下，蒸汽发生器的失水量在要求的范围内，不会触发反应堆跳停。并且根据瞬态工况的蒸汽发生器上水量的变化曲线，得到了保守的给水流量值作为核岛安全分析的输入，确保这些瞬态工况下堆芯不发生DNB。 Based on the floating nuclear power plant main water feeding system, the water feeding process model from the outlet of deaerator to the outlet of the steam generator is established by using a one-dimensional fluid simulation software Flowmaster. The change of water quantity of steam generator in four transient processes of water supply system is analyzed, includes: a water pump trip in rated state, and standby pump interlock start; a water pump trip in rated state, and standby pump interlock start; main feed-regulating valve is in full open due to failure under no load; main feed-regulating valve is in full open due to failure under full load. The simulation results show that: steam generator water level changes within the scope of the requirements under the feed pump switching transient conditions, which cannot trip the reactor. And according to steam generator water supply curves under the transient conditions, the conservative water flow value is obtained, which is an input to the nuclear island safety analysis, and to make sure the reactor core do not departure from nucleate boiling under these transient conditions.
彭明民，管晓纳*，李浩杰*，刘现星，李刘杰
武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉
收稿日期：2017年7月14日；录用日期：2017年7月24日；发布日期：2017年7月27日
基于浮动核电站主给水系统，利用Flowmaster仿真软件建立了从除氧器出口至蒸汽发生器出口的给水系统模型。对给水系统四种瞬态过程中蒸汽发生器的水量变化进行分析：额定工况下一台给水泵跳闸，备用泵连锁启动；额定工况下一台给水泵跳闸，备用泵连锁启动失败；带零负荷时主给水调节阀故障全开；带满负荷时主给水调节阀故障全开。仿真结果表明，在给水泵切换瞬态工况下，蒸汽发生器的失水量在要求的范围内，不会触发反应堆跳停。并且根据瞬态工况的蒸汽发生器上水量的变化曲线，得到了保守的给水流量值作为核岛安全分析的输入，确保这些瞬态工况下堆芯不发生DNB。
关键词 :浮动核电站，给水系统，瞬态工况，失水量，给水流量
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给水系统是浮动核电站二回路系统重要组成部分，其安全可靠的供水直接关系到平台可靠持续运行，同时也关系到反应堆的安全性。在给水系统设计时，需要对导致给水流量减少或增加的某些瞬态工况进行分析，一是确保给水系统的配置容量满足瞬态要求，不会导致蒸汽发生器水位低低或高高。二是将给水系统瞬态计算结果作为核岛瞬态安全分析的输入 [
Flowmaster软件能对流体系统的流量、压力和温度分布进行精确计算并能对稳态、瞬态进行模拟 [
给水系统配置有一台除氧器、一台高压给水加热器、两台蒸汽发生器、四台电动给水泵以及两台主给水调节阀等。给水泵的容量为33.3% * 4 (三用一备)，采用变频调节。给水量通过调节给水泵的转速和给水阀的开度来控制。
给水系统流程：凝给水从除氧器中进行除氧后经过给水泵、高压给水加热器后分成两路，分别通过一台给水调节阀进入蒸汽发生器。
参照现有电厂运行控制方式 [
依据给水系统的流程，利用Flowmaster软件建立从除氧器出口到蒸汽发生器出口的给水系统稳态模型，如图1所示。对于不同瞬态工况，在此稳态模型的基础上进行修正。
依据核电站设计经验，主给水系统瞬态分析一般包括8种工况 [
模拟工况1：机组在100%负荷运行时，其中一台给水泵突然跳闸，备用泵连锁启动。当t = 10 s时，一台泵跳闸，泵的跳闸转速曲线如图2所示。延迟6 s后，备用泵启动，备用泵的启动转速曲线如图2所示。延迟2 s正常运行泵开始加速，在如图1所示的稳态模型基础上加装PID控制器来控制正常泵的转速，
图1. 浮动核电站主给水系统模型图
采用PI2控制器，输入信号是蒸汽发生器水位，用信号发生器获取蒸汽发生器水位信号，输出是给水泵的转速。
模拟工况2：机组在100%负荷运行时，其中一台给水泵突然跳闸，备用泵连锁启动失败。当t = 10 s时，一台泵跳闸，泵的转速曲线如图2中的跳闸曲线所示。延迟6 s，汽轮机开始甩负荷，假设甩负荷速率是100%/min，最终降至70%负荷。延迟2 s，正常运行泵开始加速。在稳态模型的基础上加装信号控制器，模拟蒸汽发生器的介质参数。不同时刻的蒸汽发生器的压力、出口流量分别按照该时刻对应负荷下的蒸汽发生器静态特性曲线上所对应的压力、蒸汽流量来选取，如图3、图4所示。给水泵的转速采用PID控制器控制，采用PI2控制器，输入信号是蒸汽发生器水位，输出是给水泵的转速。
模拟工况3：蒸汽发生器带零负荷工况，给水调节阀以及所有给水旁路阀均处于关闭状态。在t = 0 s时，主给水调节阀故障全开，给水泵在额定转速运行。在稳态模型基础上，用信号控制器模拟蒸汽发生
图2. 给水泵转速曲线
图3. 蒸汽发生器压力变化曲线
器的压力，假设蒸汽发生器的泄压速率为0.10 MPa/s。
模拟工况4：蒸汽发生器带满负荷工况，三台给水泵在额定转速运行，两台主给水调节阀处于60%开度。在t = 0 s时，一台主给水调节阀故障全开。假设蒸汽发生器的泄压速率为0.01 MPa/s。
工况1结果分析：一台主给水泵跳闸后，如图5所示给水量瞬间减少，蒸汽发生器水位逐渐降低。在水位差信号作用下正常运行泵延迟2 s后开始加速，正常运行泵的转速如图6所示，在跳泵后6 s内达到最高转速。由于备用泵的启动以及正常运行给水泵的加速，给水量逐渐增加，直到约160 s时蒸汽发生器水位恢复额定水位，所有泵转速均恢复到额定转速，给水量恢复到要求上水量。同时，从图5可以看出，给水系统很快重回稳定工况，在此过程中最大的失水量约为0.05 m3，满足失水量 < 0.340 m3要求。
图4. 蒸汽发生器出口蒸汽流量变化曲线
图5. 蒸汽发生器的上水量变化曲线
工况2结果分析：如图7所示，一台给水泵在10 s时跳闸，给水流量大幅降低(如图8)，导致蒸汽发生器的上水量低于蒸汽发生器的出口蒸汽量，使得蒸汽发生器内的水量逐渐减低。但随着负荷降低，蒸汽发生器出口蒸汽量也在逐渐减少(如图5)，约30 s后，蒸汽发生器的上水量高于出口蒸汽量，故蒸汽发生器水位逐渐恢复到初始水量。在蒸汽发生器的水量逐渐恢复到初始水量过程中，给水泵转速在PID控制器的作用下逐渐达到稳定转速。如图9所示，在约30 s时，蒸发器的水量损失达到最大约0.06 m3，满足失水量 < 0.34 m3要求。
工况3结果分析：蒸汽发生器水位达到高高限值1.07 (L/L0)，反应堆立即跳停，主给水隔离阀关闭。由图10可知，在t = 5.7 s时，水位达到高高限值，此时最大的给水流量为额定流量的1.06%。因此，在此瞬态下，考虑一定裕量，核岛安全分析时可输入信号：给水量从0%阶跃增加到110%额定流量。
图6. 正常运行泵的转速变化曲线
图7. 正常运行泵的转速变化曲线
工况4结果分析：蒸汽发生器水位达到高高限值1.07 (L/L0)，反应堆立即跳停，主给水隔离阀关闭。由图11可知，在t = 18.86 s时，水位达到高高限值，此时最大的给水流量为额定流量的115%。由图11可以看出在满负荷时调节阀故障全开达到“跳堆”信号时间较长，给水量在1~1.15之间。将最大给水流量作为核岛安全分析输入时已经取了较大的裕量，因此，此瞬态下，核岛安全分析时可输入信号：给水流量阶跃增加到115%额定流量。
通过Flowmaster对给水系统的四种典型故障瞬态进行了分析，可以得出以下结论：
1) 给水泵跳闸后，备用泵正常启动或不能启动，失水量都远小于最大允许失水量0.34 m3，可以反映
图8. 蒸汽发生器上水量变化曲线
图9. 蒸汽发生器的水量变化曲线
图10. 零负荷时给水调节阀故障工况全开模拟结果
图11. 满负荷时给水调节阀故障全开工况模拟结果
出目前给水系统给水泵的配置数量和容量满足系统设计要求；
2) 蒸汽发生器带零负荷工况时，一台主给水调节阀故障全开瞬态工况，核岛安全分析输入信号可设置为：给水流量从0%阶跃增加到110%额定流量。可用于核岛设计的输入，保证此瞬态下堆芯不会发生DNB；
3) 蒸汽发生器带满负荷工况时，一台主给水调节阀故障全开瞬态工况，核岛安全分析输入信号可设置为：给水流量阶跃增加到115%额定流量。可用于核岛设计的输入，保证此瞬态下堆芯不会发生DNB。
国家科技支撑计划项目(2012BAA14B00)。
彭明民,管晓纳,李浩杰,刘现星,李刘杰. 浮动核电站给水系统瞬态分析Analysis on Transient Working Conditions for Main Water Feeding System of Floating Nuclear Power[J]. 核科学与技术, 2017, 05(03): 185-193. http://dx.doi.org/10.12677/NST.2017.53024
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.347-353.1557