祁琳 姜強(qiáng) 李宗洋 吳明宇 劉天才

（1.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413 2.中核戰(zhàn)略規(guī)劃研究總院，北京 100048）

按照建模對(duì)象的尺度，通常將熱工水力仿真程序分為系統(tǒng)仿真程序、部件尺度分析程序和局部尺度分析程序[1]。系統(tǒng)仿真程序可以較為準(zhǔn)確地模擬系統(tǒng)宏觀參數(shù)的響應(yīng)特性，但是由于系統(tǒng)尺度的模擬采用一維流動(dòng)與傳熱模型，只能得到流動(dòng)截面的平均參數(shù)，對(duì)帶有明顯多維流動(dòng)特征的區(qū)域不適用，不能達(dá)到安全分析的需求。因此在模擬低溫供熱堆的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，為了滿足仿真所需的精度，需進(jìn)行不同尺度程序的耦合計(jì)算。

本文通過并行耦合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于vPower的低溫供熱堆系統(tǒng)仿真程序與COBRA-EN程序的耦合，并模擬了一些運(yùn)行工況。

一、DHR-200系統(tǒng)仿真程序

DHR-200系統(tǒng)仿真程序采用圖形化建模方法，基于商業(yè)仿真支撐平臺(tái)vPower[2]建立，使用表1所示的設(shè)備模塊來搭建系統(tǒng)仿真模型，其中包含堆芯、水池、換熱器、水泵、閥門、管道等設(shè)備和部件，分別構(gòu)成了堆水池系統(tǒng)、一/二/三回路系統(tǒng)、池內(nèi)/外余冷系統(tǒng)模型，如圖1所示。

圖1 DHR-200系統(tǒng)仿真模型Figure 1 System simulation model of DHR-200

表1 DHR-200主要設(shè)備及部件Table1 Main equipment and components of DHR-200

二、基于COBRA-EN的子通道分析程序

子通道分析程序不僅可以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，也可以進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，此時(shí)須將功率、入口流量、入口溫度等作為瞬態(tài)函數(shù)的形式輸入原程序進(jìn)行瞬態(tài)的計(jì)算[3]。

1.換熱模型

根據(jù)低溫供熱堆的運(yùn)行參數(shù)范圍——常壓、溫差、含汽率，大流量區(qū)（Re ＞2300）的過冷水換熱模型使用格尼林斯基gnielinski修正佩圖霍夫petukhov公式[4]，小流量區(qū)（Re ＞2300）的過冷水換熱模型使用米海耶夫meheev公式[5]。

對(duì)于過冷沸騰和飽和沸騰區(qū)域，使用chen公式[6]：

2.CHF模型

根據(jù)低溫供熱堆的運(yùn)行參數(shù)范圍選用Shim模型[7]，但Shim公式水管內(nèi)流動(dòng)公式，將其用于棒束通道的計(jì)算前需要做適當(dāng)?shù)男拚?/p>

3.子通道模型

200MW低溫供熱堆堆芯組件內(nèi)的燃料棒數(shù)目為289，子通道數(shù)目為324，軸向控制體數(shù)目為43，芯塊徑向節(jié)點(diǎn)數(shù)目為5，定位格架位置數(shù)目為8，定位格架類型數(shù)目為3。

三、耦合方法

1.并行耦合方法

由于vPower仿真平臺(tái)為商業(yè)軟件，只能通過用戶自定義函數(shù)進(jìn)行編程，因此只能采用并行耦合方法，將兩個(gè)程序獨(dú)立編譯、獨(dú)立運(yùn)行，通過編寫耦合接口在計(jì)算區(qū)域的邊界實(shí)現(xiàn)程序間數(shù)據(jù)傳遞與交換，既保持了原有程序的結(jié)構(gòu)和功能，又便于升級(jí)維護(hù)[8]。

2.耦合機(jī)制

本研究中使用的耦合機(jī)制為系統(tǒng)仿真程序到子通道分析程序的單向耦合，待保護(hù)參數(shù)和控制邏輯設(shè)計(jì)完成后，可實(shí)現(xiàn)雙向耦合。耦合機(jī)制如下圖所示。

圖2 耦合機(jī)制Figure2 Coupling mechanism

四、工況模擬

1.穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況

模擬了低溫供熱堆第一循環(huán)堆芯壽期初不同功率水平下的額定運(yùn)行工況，部分關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 DHR-200穩(wěn)態(tài)工況仿真數(shù)據(jù)Table 2 Steady state simulation data of DHR-200

根據(jù)以上參數(shù)得出熱工水力設(shè)計(jì)流量對(duì)應(yīng)的堆芯進(jìn)出口溫度隨功率的變化如下圖右所示，圖左為第一循環(huán)堆芯進(jìn)出口溫度隨反應(yīng)堆功率的變化設(shè)計(jì)曲線。

圖3 堆芯進(jìn)出口溫度隨功率的變化Figure 3 Core inlet and outlet temperature changes with power

可以看出，與設(shè)計(jì)值相比，慢化劑平均溫度隨功率水平的變化趨勢(shì)完全吻合，但是在低功率下運(yùn)行時(shí)堆芯入口溫度的仿真值偏高，這是由于功率降低后一二回路換熱器冷熱側(cè)進(jìn)出口溫差均減小，但仍需保持一定的逆流換熱溫差，即換熱器熱側(cè)進(jìn)口溫度高于冷側(cè)出口溫度，熱側(cè)出口溫度高于冷側(cè)進(jìn)口溫度，（根據(jù)設(shè)計(jì)，一二回路換熱器的算術(shù)平均溫差δ12=4.5℃，二三回路換熱器的算術(shù)平均溫差δ23=3.5℃），因此各換熱器熱側(cè)進(jìn)口溫度無法下降過多，所以熱側(cè)進(jìn)口溫度略微上升。

2.斷電ATWS事故

本研究為了評(píng)估DHR-200的安全性，考慮其應(yīng)對(duì)“三無事故”的能力。這里的“三無事故”，即斷電ATWS，同時(shí)余熱冷卻系統(tǒng)也不能投入。計(jì)算中采用的假設(shè)如下：

（1）反應(yīng)堆初始處于額定滿功率狀態(tài)；

（2）全廠斷電后，假設(shè)泵的惰轉(zhuǎn)時(shí)間常數(shù)為15s，最終轉(zhuǎn)速降為0；

（3）停堆系統(tǒng)不動(dòng)作，余熱排出系統(tǒng)不投入。

仿真系統(tǒng)部分關(guān)鍵參數(shù)的響應(yīng)如圖4所示。

圖4 斷電ATWS工況下系統(tǒng)的響應(yīng)Figure 4 System response under power off ATWS condition

事故發(fā)生后，一回路泵由于失去電源惰轉(zhuǎn)，堆芯流量迅速下降，燃料棒和慢化劑溫度升高，引入的負(fù)反應(yīng)性使反應(yīng)堆功率迅速下降。之后隨著堆芯自然循環(huán)的建立，反應(yīng)堆功率等參數(shù)的變化速度都逐漸減慢，水池各層的溫度也慢速上升。從圖4可以看出，燃料棒最高溫度發(fā)生在斷電的10s之內(nèi)，這是因?yàn)榇藭r(shí)堆芯流量降低了而功率仍保持在較高的狀態(tài)，慢化劑最高溫度發(fā)生在斷電的15s之內(nèi)，這是燃料棒和慢化劑之間傳熱滯后引起的。

五、結(jié)果分析

本文首次針對(duì)200MW低溫供熱堆開展多尺度仿真研究。通過模擬各穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況并與設(shè)計(jì)資料比對(duì)，表明該仿真系統(tǒng)具有一定的準(zhǔn)確度；通過模擬斷電ATWS工況，表明該仿真系統(tǒng)能夠?qū)κ鹿蔬M(jìn)行模擬計(jì)算，并且能較為合理地模擬出所關(guān)注參數(shù)的變化趨勢(shì)。因此本文中建立的系統(tǒng)級(jí)和部件級(jí)仿真模型以及耦合機(jī)制是合理的，且能夠提升工況分析的精度。