寧德核電廠PTR系統設計改進方案

寧元林，姚士佳，王中良

（福建寧德核電有限公司，福建 福鼎 355200）

寧德核電廠PTR系統設計改進方案

寧元林，姚士佳，王中良

（福建寧德核電有限公司，福建 福鼎 355200）

指出了M310型反應堆乏燃料水池冷卻和處理（PTR）系統運行方面存在的不足，以及寧德核電廠一期工程在該系統上改進的必要性，介紹了其設計改進方案。分析了改進后的系統運行情況及改進方案的優缺點，提出了進一步改進的建議。

冷卻能力；PTR系統；改進方案

寧德核電廠一期工程（簡稱寧德核電廠）采用的是中國改進型壓水堆（CPR1000）技術，擬采用18個月換料燃料管理（同時包括12個月換料燃料管理）方案，其反應堆乏燃料水池冷卻和處理（PTR）系統主要用于冷卻乏燃料水池中的乏燃料、導出乏燃料的剩余釋熱。換料或停堆檢修時，在余熱排出（RRA）系統不可用時，可作為RRA系統的應急備用系統。PTR系統還具有為乏燃料池補水，對傳輸水池和裝罐水池進行充水和排空，凈化換料水箱、乏燃料水池和反應堆水池等作用。

隨著燃料裝卸技術的革新和運行管理水平的提高，對寧德核電廠PTR系統的導熱能力提出了更高的要求。為此，在參考某核電廠（簡稱A核電廠）原有設計和現行運行方式的基礎上，本文對寧德核電廠PTR系統進行了設計改進。

1 改進的必要性

1.1 A核電廠PTR系統

A核電廠PTR系統功率運行工況是指機組裝料后，臨界到下一次大修開始將乏燃料卸入乏燃料水池前的工況；換料大修工況是指機組停堆換料開始至機組裝料后重新臨界前的工況；異常工況是指機組運行時由于故障導致停堆將整個堆芯卸入乏燃料水池時的工況。

（1）冷卻能力方面存在的不足

A核電廠最終熱阱（海水）設計基準溫度為30.8 ℃，其PTR系統原設計基準考慮為：12個月燃料循環周期，1/3堆芯卸料模式，反應堆次臨界停堆后14 d完成卸料，乏燃料水池設計存儲10/3個堆芯，此時乏燃料水池最大衰變熱負荷為3.58 MW，PTR系統采取單列（1臺泵、1臺換熱器）運行可滿足乏燃料水池溫度低于50 ℃的要求；考慮乏燃料水池內已貯存10/3個堆芯，出現異常工況時卸出一個完整堆芯，乏燃料水池共儲存13/3個堆芯（約680個燃料組件），此時最大衰變熱負荷達到7.22 MW，PTR系統單列運行可滿足乏燃料水池溫度低于65 ℃的要求，雙列（2臺泵、2臺換熱器）運行可保證乏燃料水池溫度低于60 ℃。A核電廠PTR系統流程如圖1所示。

A核電廠經過實施核燃料裝卸貯存系統改造、18個月換料、全堆卸料方式及優化大修項目后，卸料結束時間提前到反應堆次臨界停堆后8 d，換料大修工況乏燃料水池中熱負荷理論值達到9 MW以上。乏燃料水池實際熱負荷遠大于原設計基準的假設。

功率運行工況下，乏燃料水池熱負荷沒有超出原設計范圍。

（2）運行方面存在的不足

A核電廠運行經驗表明，PTR系統會在以下情況中斷對乏燃料水池的冷卻：

1）乏燃料運輸罐裝罐池補水（初次充水約3 h）。

2）從乏燃料運輸罐裝罐池向燃料輸送池傳水（全部傳水約需3 h）。

3）換料結束后，從燃料輸送池向乏燃料運輸罐裝罐池傳水（全部傳水約需3 h）。

4）通過換料水箱（PTR001BA）給乏燃料水池補水。

5）換料水箱凈化（至少歷時48 h）。

按照PTR系統的設計基準，乏燃料水池的平均溫度在正常運行工況下不允許超過50 ℃。《A核電廠運行技術規范》進一步明確了乏燃料水池溫度要求：設備冷卻水（RRI）系統換熱器出口水溫（RRI溫度）不超過35 ℃時，在各種正常運行模式下乏燃料水池溫度不超過50 ℃；如果中斷乏燃料水池冷卻，必須在沒有第1組事件發生的情況下進行，且需密切監測乏燃料水池的溫度和水位，在溫度超過50 ℃前能恢復一列PTR系統運行。第1組事件涉及的范圍包括：超出運行中應遵守的與核安全相關的重要設計假設，反應堆停堆保護與專設安全設施系統不可用。該組事件的發生將增加3道屏障（燃料包殼、一回路壓力邊界、反應堆廠房）損壞的風險并可能導致超出設計限值的放射性后果。

（3）A核電廠的應對措施

為了應對冷卻能力不足，A核電廠經過詳細計算優化了PTR系統運行方式?？紤]乏燃料水池最大衰變熱為10 MW，計算表明：海水溫度不高于19 ℃，則RRI溫度可低于21 ℃，采取1臺泵、2臺熱交換器并聯運行的方式，可保證乏燃料水池溫度不高于50 ℃；海水溫度不高于27 ℃，RRI溫度可低于29 ℃，PTR系統雙列并聯運行才能滿足乏燃料水池溫度不高于50 ℃的要求。因此，A核電廠換料大修一般選擇在海水溫度相對較低的季節進行，RRI溫度也低于設計基準溫度35 ℃，同時電網負荷相對較低。

在上述運行方式下，PTR系統雖能導出乏燃料水池的釋熱并保證乏燃料水池溫度不高于50 ℃，但是泵和熱交換器都沒有充分的備用（不滿足單一故障原則），也無法備用RRA系統。另外還必須密切監測乏燃料水池內的水溫，一旦不能滿足要求，則需暫停卸料，延長卸料時間。

乏燃料水池中斷冷卻記為第1組事件，第1組事件的出現意味著機組核安全水平下降，因此應盡可能避免。為了避免由于1.1節中“運行方面存在的不足”所述前3種情況而中斷對乏燃料水池的冷卻，A核電廠使用臨時管線和泵進行現場操作，此措施增加了溺水、異物及輻射污染風險，同時還增加了除污的經濟成本和放射性廢物產生量。

1.2 寧德核電廠對PTR系統導熱能力要求更高

寧德核電廠最終熱阱（海水）設計基準溫度為30.2 ℃，與A核電廠相近。寧德核電廠目前正準備實施18個月換料，從首爐料（按12個月換料裝載）開始即向18個月換料過渡，平衡循環后燃料富集度及卸料方式與A核電廠相同。

寧德核電廠乏燃料水池設計存放乏燃料數量較A核電廠有了大幅提升：功率運行工況考慮儲存1 049組（20/3個堆芯），異常工況考慮儲存1 206組（23/3個堆芯）。

核燃料裝卸料貯存系統的改進將使得卸料完成時間進一步縮短至次臨界停堆后6 d，與A核電廠相比，給乏燃料水池所引入的熱負荷又有所增加。計算表明：功率運行時最大熱負荷為3.93 MW；換料大修工況最大熱負荷為10.79 MW；異常工況最大熱負荷是11.98 MW。

1.3 改進的必要性

目前，A核電廠在換料期間暴露的PTR系統冷卻能力不足的問題，在寧德核電廠將依然存在，如不實施改進，問題將更為突出。同時，以下因素也促成了實施改進的最后決定：

1）福建電網總容量比較小，福建省當前兩個在建核電廠（寧德核電廠和福清核電廠）投產后，核電裝機容量將占福建電網現有容量的三分之一，電網條件不允許核電廠所有機組集中停運、檢修，不可能集中在海水溫度較低的季節進行大修換料。

2）寧德核電廠廠址規劃容量為6臺百萬千瓦級機組，從電廠工作安排考慮，將來不可能同時進行6臺機組的換料大修，更不可能都集中在海水溫度較低的季節進行換料大修。

3）在海水溫度較高時若出現異常工況導致非計劃停堆而需要全堆芯卸料時，原設計將更加難以滿足冷卻要求。

4）隨著全球氣候變暖，最終熱阱（海水）溫度逐步升高，RRI溫度也將提升，冷卻能力不足問題將更加突出。

2 改進方案

寧德核電廠PTR系統將A核電廠原來2臺額定負荷為4.2 MW的管殼式熱交換器更換為3臺額定負荷為5.4 MW的板式熱交換器，在原來2臺額定流量為421.5 m3/h的冷卻水泵的基礎上增加了1臺同流量的冷卻水泵（PTR006PO）。通過重新優化設計，保證通過3臺泵和3個換熱器的流量與A核電廠一致。改進后的寧德核電廠PTR系統流程如圖2所示。

原設計冷卻泵PTR001PO、PTR002PO供電方式不變，分別掛接應急電源供電的A列和B列，增加的冷卻水泵PTR006PO由全廠電氣公用段供電。

由于PTR系統增加了1臺泵和1個換熱器，冷卻回路也重新進行了設計，增加了相應的儀表、孔板、閥門及管道，RRI系統流量和流程也重新進行了分配，相應的廠房設備布置也做了調整。

3 改進后系統運行分析

對于功率運行工況，當最大熱負荷為3.93 MW時，1臺泵和1臺換熱器運行即可滿足冷卻要求，維持乏燃料水池溫度不高于47 ℃（RRI溫度35 ℃），每臺泵和換熱器都具有100%的冷卻能力，冷卻泵有“1用2備”的冗余，換熱器也有“1用2備”的冗余，任何一臺設備或電氣系列故障都不會降低系統的冷卻能力，滿足單一故障準則。

對于換料大修工況，當最大熱負荷為10.79 MW時，2臺泵和2臺換熱器運行即可滿足冷卻要求，保證乏燃料水池溫度不高于50 ℃（RRI溫度35 ℃）。冷卻泵有“2用1備”的冗余，換熱器也有“2用1備”的冗余，任何一臺設備或電氣系列故障都不會降低系統的冷卻能力，滿足單一故障準則。此外，還可為RRA系統提供較改進前更好的冷卻備用。

對于異常工況，運行2臺泵和2臺換熱器可以保證水池溫度低于55 ℃。

此外，通過改進消除了換料水箱凈化（5種中斷乏燃料水池冷卻情況中時間最長者）引起乏燃料水池冷卻中斷的情況，但“運行方面存在的不足”中所述前4種引起乏燃料水池冷卻中斷的情況沒有消除。

4 方案評價

4.1 優點分析

PTR系統設計改進后具有以下優點：

1）提高了系統的冷卻能力，可以避免因換料水箱凈化引起的中斷乏燃料水池冷卻的情況。

2）功率運行及換料大修工況下冷卻系列可以滿足《核動力廠燃料裝卸和貯存系統設計（HAD 102/15）》（2007版）關于冷卻系列單一故障準則的要求。

3）本改進方案已考慮18個月換料的燃料管理方案、設備冷卻水溫度最高(35 ℃)及核燃料裝卸料貯存系統改進后卸料完成時間為次臨界停堆后6 d的情況，具有較好的包絡性。

4）設備增加后，系統備用率以及運行、檢修靈活性提高。

5）3臺泵和3臺換熱器完全相同，可穩定切換，運行維修相對簡單，備品備件互換性好。

6）對PTR系統執行的其他功能無影響，對其他工藝系統和土建、電氣、儀表的影響較小。

7）可給RRA系統提供較改進前更多的備用機會。

4.2 缺點分析及再改進建議

PTR006PO由屬于正常電源的全廠電氣公用段供電，其安全性和可靠性比由應急電源供電的PTR001PO、PTR002PO低，僅能作為一般備用。正在編制的《寧德核電廠運行技術規范》中關于PTR系統的描述與A核電廠基本一致，不對其可用做要求，其不可用也不記為事件，僅在限制條件部分說明，如因傳水等因素導致中斷乏燃料水池冷卻時，可通過新增列保證乏燃料水池溫度不超過50 ℃。若能將新增泵改由應急電源供電，將大大提高本系統的安全等級和可靠性。

改進后，“運行方面存在的不足”中所述前4種情況下仍須中斷對乏燃料水池冷卻，因此需要使用臨時管線和泵進行現場操作，此措施增加了溺水、異物及輻射污染風險，同時還增加了除污的經濟成本及放射性廢物產生量。如在PTR002PO出口增加單獨給裝罐池、輸送池傳水的管線和隔離閥，可以避免前3種導致中斷冷卻乏燃料水池的情況。

5 結論

寧德核電廠進行的PTR系統設計改進很好地應對了燃料裝卸技術革新和運行管理水平的提升。通過對其設計改進增加了一個冷卻列，提高了系統的冷卻能力，也優化了部分運行方式。但改進方案在電氣供應上還存在不足，水傳輸管線還有優化的空間。

[1] 深圳中廣核工程設計有限公司. 寧德核電廠一期工程PTR系統冷卻回路冷卻能力改進方案[R]. B版，2008.（China Nuclear Power Design Co., Ltd. (Shenzhen). Cooling Capacity Improvement for the PTR System Cooling Loop of Ningde NPP Phase I [R]. Ver. B, 2008.）

[2] 深圳中廣核工程設計有限公司. 寧德核電廠一期工程PTR系統運行手冊[R]. A版，2010.（China Nuclear Power Design Co., Ltd. (Shenzhen). Operation Manual of PTR System of Ningde NPP Phase I [R]. Ver. A, 2010.）

[3] 深圳中廣核工程設計有限公司. 寧德核電廠一期工程PTR系統定期試驗基準文件[R]. A版，2010.（China Nuclear Power Design Co., Ltd. (Shenzhen). Basic Reference Document for Regular Test of PTR System of Ningde NPP Phase I [R]. Ver. A, 2010.）

Analysis on the Design Improvement of Ningde Nuclear Power Plant’s Reactor Cavity and Spent Fuel Pit Cooling and Treatment System

NING Yuan-lin，YAO Shi-jia，WANG Zhong-liang
（Fujian Ningde Nuclear Power Co.，Ltd.，Fuding of Fujian Prov. 355200，China）

This paper analyzed the shortage of M310 type reactor's reactor cavity and spent fuel pit cooling and treatment system by using the example of a domestic nuclear power plant and the necessity to improve it for Ningde nuclear power plant. This paper also introduced the design improvement project, analyzed the system operation advantages and disadvantages after improvement, and gave some advice for further improvement.

cooling capacity；PTRsyste；improvem project

TL37 Article character：A Article ID：1674-1617(2012)01-0005-05

TL37

A

1674-1617(2012)01-0005-05

2011-11-01

寧元林（1976—），男，湖北監利人，工程師，學士，主要進行核安全方面研究。