AP1000正常余熱排出系統低壓注射性能分析

王建偉，王亮亮，李 澍

(深圳中廣核工程設計有限公司 上海分公司，上海 200241)

在AP1000核電廠中，由于采用了貫徹非能動設計理念的專設安全設施，正常余熱排出系統(RNS)是被作為非安全相關的核輔助系統進行配置和設計的。但出于對核安全縱深防御和電廠經濟性保護等因素的考慮，該系統還是被賦予了大量避免專設安全設施不必要啟動的縱深防御功能和出于電廠投資保護的重要非安全相關功能。本文針對RNS在小LOCA或非LOCA工況下，為防止“第4級自動卸壓系統(ADS)閥門(爆破閥)因堆芯補水箱(CMT)低液位”而動作，進而避免安全殼水淹而需執行的低壓注射性能進行定量分析，以計算該功能的容量。

1 RNS低壓注射工況

在AP1000核電廠中，RNS被設計成能從乏燃料池冷卻系統(SFS)中的裝料池(CLP)或非能動堆芯冷卻系統(PXS)中的安全殼內置換料水箱(IRWST)吸水，為反應堆冷卻劑系統(RCS)提供低壓注射[1-3]。在收到ADS信號后，操作員可手動啟動RNS。如果RNS可用，當RCS壓力低于RNS泵的關閉揚程，RNS即可為RCS提供低壓注射。

在收到非LOCA或小LOCA后的ADS信號后，RNS能提供足夠的補水，CMT的液位就不會下降到第4級ADS閥門啟動的整定點。因此，RNS泵成功運行可防止第4級ADS閥門開啟，進而避免安全殼水淹及后續的清理。

如果是LOCA觸發的ADS信號，RNS泵從CLP或IRWST吸水對RCS進行補水，可推遲由于CMT液位降低到第4級ADS閥門開啟整定值的時間。如果壓力容器直接注入管線(DVI)出現破口或斷裂時，相鄰的CMT會迅速排水，RNS將無法防止第4級ADS閥門動作。

圖1為RNS流程簡圖，圖2為RNS與RCS/PXS的接口示意圖。圖2中，RCP為冷卻劑泵，RV為壓力容器，SG為蒸汽發生器。

2 接受準則

本文分析的RNS低壓注射性能涉及RCS、PXS兩個系統，其對應的驗收準則如下：

1) RNS每個系列的注射流量不小于單臺CMT注射流量(222.58 m3/h)，RNS總流量為445.16 m3/h[1]；

2) DVI注入管嘴處的壓力不小于RCS的背壓(689.5 kPa)[1]。

3 低壓注射性能計算

3.1 計算輸入和保守假定

IRWST最佳估算截面積：243.11 m2；CLP截面積：30.94 m2；IRWST/CLP正常液位與RNS泵吸入口的高度差：15.33 m。

保守起見，RNS低壓注射過程中，假定RCS壓力保持689.5 kPa不變；低壓注射流量需保持445.12 m3/h不變；本文計算的管路阻力采用最大估算阻力；RNS泵的揚程曲線采用最小揚程曲線，RNS泵的最小揚程曲線如圖3所示。

圖1 RNS流程簡圖

圖2 RNS與RCS/PXS接口示意圖

圖3 RNS泵的最小揚程曲線

3.2 RNS低壓注射管路阻力計算

為計算RNS低壓注射管路的阻力，將RNS系統管路進行節點劃分，具體節點劃分示于圖4。

為方便不同尺寸管線的阻力R可直接相加減，本文以“m/(m3/h)2”為量綱表示阻力。根據達西公式可知，阻力和壓頭損失(ΔH)的計算公式[4-6]分別如下：

R=6 382.035f(L/D)/d4

(1)

(2)

式中：f為對應管道尺寸下的湍流摩擦系數；L/D為阻力系數，對于管段，L/D即為管段長度與管道公稱直徑的比值，對于閥門、三通、孔板等管道部件，L/D可根據水力學計算手冊[5-6]直接查知；d為管道內徑，mm；Q為管路流量，m3/h。

圖4 RNS管道阻力計算節點劃分

根據RNS低壓注射管路的布置信息，分別計算RNS從IRWST吸水和從CLP吸水的管路阻力。計算結果列于表1、2。

表1 IRWST注射管路的阻力

表2 CLP注射管路的阻力

3.3 RNS低壓注射流量的確定

根據3.2節計算的RNS低壓注射管路阻力，結合RNS泵的揚程-流量曲線，可迭代計算出在RCS壓力為689.5 kPa的工況下，RNS分別從滿水位的IRWST、CLP吸水向RCS提供的低壓注射流量[7]。計算結果列于表3。

表3 RNS低壓注射流量(IRWST/CLP滿水位)

3.4 計算RNS防止第4級ADS閥門動作的時間

RNS低壓注射工況啟動后，保守起見，在假定RCS壓力保持不變的情況下，不論注射水源是選自IRWST還是CLP，RNS的低壓注射流量均會隨水源水位的降低而降低。水源體積變化率與注射流量的關系式如下：

(3)

dH水源=dV水源/S水源

(4)

式中：dV/dτ為水源體積變化率，m3/h；Q(τ)為注射流量，m3/h；S水源為水源的有效截面積，m2。

在RCS的背壓、每根DVI管線的最小注射流量需求不變的情況下，根據注射管路的阻力特性和RNS泵的性能曲線可計算出IRWST、CLP的最低液位需求。計算結果列于表4。

表4 IRWST/CLP最低液位

在IRWST/CLP滿水位和最低液位之間，給定1組IRWST、CLP液位，計算出對應的RNS低壓注射流量。不同液位下IRWST/CLP的注射流量列于表5。IRWST/CLP注射流量與不同液位和RNS泵吸入口高度差間的關系示于圖5。

根據IRWST、CLP的液位和RNS泵入口的高度差與低壓注射流量的關系可擬合出它們之間的關系式，借助公式擬合軟件1stOpt分別得到IRWST、CLP注射流量與水池液位和RNS泵吸入口高度差的關系式如下：

(5)

QCLP=1 445.37+6.36ΔH2+

16 231.14ln ΔH2-55 627.99/ΔH2

(6)

式中：QIRWST為從IRWST吸水的注射流量；QCLP為從CLP吸水的注射流量；ΔH1為IRWST的液位與RNS泵吸入口間的高度差；ΔH2為CLP的液位與RNS泵吸入口間的高度差。

表5 不同液位下IRWST/CLP的注射流量

圖5 IRWST/CLP注射流量與液位和RNS泵吸入口高度差間的關系

在給定時間步長的情況下，結合式(2)～(6)即可分別求出IRWST、CLP可保持最小低壓注射流量的持續時間，計算結果列于表6。

表6 不同注入時刻下IRWST/CLP的注射流量

4 結論

根據保守假設(RCS壓力保持689.5 kPa，注射流量要求保持445.12 m3/h不變，低壓注射管路考慮最大阻力，RNS泵考慮最小揚程曲線)下RNS低壓注射性能分析的結果表明：

1) 在IRWST/CLP滿水位的情況下，不論RNS從哪個水源吸水，其注射流量均能滿足最小注射流量需求以阻止CMT水位進一步下降；

2) 在RNS低壓注射功能執行期間，隨IRWST或CLP水位的下降，RNS可向RCS注入的流量也會隨之減少。由于IRWST的水池截面積遠大于CLP的，因此，RNS若從IRWST吸水進行低壓注射防止CMT水位繼續下降的維持時間也遠長于CLP的(前者可維持的時間約為125 min，后者約為15 min)。

總之，本文通過水力學計算，驗證了AP1000 RNS的低壓注射功能；定量分析了RNS從兩個可用水源吸水執行低壓注射功能的實際容量、可注入時間等參數。這些計算結果不僅可為電廠運行規程的編寫提供支撐，方便電廠運行人員了解RNS低壓注射的實際性能。同時也為AP1000核電廠概率風險評價工作提供分析依據。

參考文獻：

[1] Westinghouse Electric Company. AP1000 design control document, Rev.19[R]. US: Westinghouse Electric Company, 2011.

[2] 孫漢虹. 第三代核電技術AP1000[M]. 北京：中國電力出版社，2010.

[3] 林誠格. 非能動安全先進核電廠AP1000[M]. 北京：原子能出版社，2008.

[4] 杜廣生. 工程流體力學[M]. 北京：中國電力出版社，2004.

[5] 王精鐸，沈聚泉. 通過閥門、管件和管線的流體運動[M]. 上海：上海科技文獻出版社，1992.

[6] Crane Company. Flow of fluids through valves, fittings and pipe[R]. US: Crane Company, 2009.

[7] 郭立君，何川. 泵與風機[M]. 3版. 北京：中國電力出版社，2004.