方家山核電廠完全喪失熱阱時的運行

閔凡

【摘 要】針對方家山核電廠在RRA未接入時失去重要廠用水的事故，本文闡述了操作員在該事故下所應該進行的退防操作，并初步計算分析了用換料水箱通過安全殼噴淋系統管線、噴淋泵和噴淋熱交換器構成冷卻回路反冷設備冷卻水系統的有效性。結果表明：對于方家山核電廠，即使在最惡劣的情況下只要操縱員能在8.6分鐘內投入 EAS熱交換器以及安全殼噴淋泵的試驗回路反冷設備冷卻水并且同時采取在RRI回路減少負荷的措施，即可利用PTR水箱中的熱慣性，延緩RRI失效的時間，給恢復熱阱爭取更多的時間，減輕事故后果。

【關鍵詞】核電廠；設備冷卻水；安全殼噴淋；反冷；換料水箱

0 概述

本文討論方家山核電在RRA未接入時失去重要廠用水（SEC）后操作員應該執行的必要操作。重點關注了使用換料水箱內的換料水通過安全殼噴淋系統（EAS）實驗管線、安全殼噴淋泵和安全殼噴淋系統熱交換器構成的冷卻回路來反冷設備冷卻水系統（RRI）時進行的必要操作以及操作步驟。在本文最后對反冷時不同熱負荷下RRI系統、EAS系統溫度隨時間的變化情況做了粗略的估算。

1 完全喪失熱阱時的退防模式及操作步驟

1.1 正常運行時RRI的介紹

設備冷卻水系統（RRI）的主要功能是冷卻核島內各種熱交換器并通過重要廠用水系統二次冷卻將熱負荷傳送給最終熱阱——海水（重要廠用水系統SEC）。設備冷卻水系統（RRI）是處在重要廠用水系統SEC與核島設備中間的一個封閉回路，其包括兩個獨立的安全系列和一個公用環路，公用環路由兩個安全系列中的任一系列供水。設備冷卻水系統中與反應堆安全設施和冷停堆有關的部分具有100%的冗余度。其供水回路由兩個獨立的安全系列組成，在事故情況下兩條管線中的每一個都能100%地保證設備冷卻，每一條管線都是由SEC的一列冷卻。每個安全系列由兩臺100%容量的離心泵，兩臺50%容量的RRI/SEC熱交換器，一個波動箱和相應的管道和儀表組成。此外，這兩個獨立的安全系列分別由電源A系列和B系列供電，并由應急柴油發電機作備用電源。公用環路的冷卻對象是指在事故工況下不需要提供冷卻水的熱交換器，它們可以通過任一安全系列供水，并可通過電動閥門（A系列041VN和058VN，B系列040VN和059VN）與系統的安全系列隔離。這部分中還有兩臺機組的公用設備，它們可以由一臺機組或者另一機組的設備冷卻水系統提供冷卻。

1.2 事故退防模式及注意事項

當有報警“SEC021KA（053KS）SEC完全喪失”出現時，表示已經出現了完全失去熱阱事故。SEC完全喪失是一種超設計基準工況，針對該工況所采取的退防模式是一回路溫度在160～170℃，壓力低于絕對壓力3.0～4.5MPa的中間停堆狀態。該退防狀態的160～170℃的反應堆冷卻劑溫度，保證了RRA未投入狀態所要求的最低溫度（160℃）的溫度裕量。維持3.0～4.5MPa的壓力以保持有合適的裕量，防止在壓力容器上封頭出現飽和工況。

在退防模式的溫度、壓力下，即使冷卻完全喪失，反應堆冷卻劑泵軸封泄漏流量幾乎為零，這種狀態只要求向反應堆冷卻劑回路提供非常少的補水，補水是由兩個機組共用的試驗泵間斷運行來保證的。需要注意的是由于SEC不可用，熱阱喪失導致RRA不可能啟動，因而反應堆冷卻和余熱排出必須由蒸汽發生器來完成。如果APA或者APD可用，則應使用正常給水維持蒸汽發生器水位在正常值。若正常給水喪失，則需要使用ASG泵維持蒸汽發生器的液位，在此種情況下向ASG水箱重新充水非常重要，必須盡快的冷卻反應堆并需要采取各種可行的方法向ASG水箱供水。

1.3 過渡到退防模式的主要操作

當發生完全喪失熱阱的事故時，操作員的主要操作步驟如下：

1）通知兩個機組的運行人員發生了失去全部熱阱事故。因為如果只有一個機組受到影響，事故處理能夠簡化，未受影響的機組能夠供水給：RRI機組間公用回路熱交換器和受影響機組的乏燃料水池冷卻系統。一旦SEC功能恢復，將中斷正在進行的操作。在RRI和其他輔助系統恢復狀態之前核蒸汽供應系統穩定在當時所處的狀態。

2）如果RCV系統有兩個下泄孔板投入運行應該立即隔離RCV第2個下泄孔板，以減少RRI熱負荷，基于相同原因如果APG的非再生熱交換器在運行則應該立即隔離APG的非再生熱交換器。

3）啟動RRI運行系列上的EAS熱交換器并運行噴淋泵，打通噴淋泵的試驗管線，以利用PTR水箱約1600m3高濃度硼水中的熱慣性。此時PTR水箱成為RRI回路的熱阱，如果該RRI系列第二臺泵可以運行，則必須啟動。同時必須連續的監測RRI溫度，任何時候若RRI水溫高于55℃，操作員必須停運反應堆冷卻劑泵，隔離RCV下泄和上充，并停運RRI泵。因為當RRI水溫達到55℃時，就可能對某些終端用戶加熱。

4）SEC喪失的如果同時發生CRF海水喪失則很快將觸發反應堆緊急停堆，但是在CRF站可用的情況下，反應堆可能仍處于功率運行的情況下，此時應以運行的最大速度降負荷，負荷降至10%負荷時應手動停堆，停堆后如果一臺反應堆冷卻劑泵（001PO）提供的穩壓器噴霧足夠則關閉RCP001VP閥門，停運另兩臺反應堆冷卻劑泵。保持一回路壓力在絕對壓力3.0MPa左右，以保持有合適的裕量，防止在壓力容器上封頭出現飽和工況，如果在退防狀態之前所有的反應堆冷卻劑泵已經停運，則溫度的降低不超過18℃/h（反應堆運行在自然循環狀態）。

5）為了最大限度的利用RRI回路的熱慣性，要求盡可能快的隔離非優先排熱用戶的供水，這通過在主控室隔離所有的機組間公用回路熱交換器來實現。需要注意的為如果DEG沒有因RRI溫度高停運，停運一套DEG裝置并隔離REN熱交換器，以減小RRI熱負荷，這些操作能夠在控制室內實現（但是應盡量維持用來測量硼濃度的REN 系列的運行，以控制硼濃度）。當反應堆停運后，應切除輔助設備負荷，重點是減少熱負荷以及流量以減少運行在EAS的RRI泵數量，從而使所需導出的熱功率小于10MWe。為節省所有可用的熱阱，也允許下泄流量隨著一回路壓力下降而降低。

6）降功率或者降模式期間，向反應堆冷卻劑注入7000ppm濃度的硼酸，以補償反應堆冷卻劑收縮，并確保所要求的負反應性。但需要注意的是由于軸封水注入流量稍大于泄漏流量，穩壓器水位慢慢上升，在適當的時候，為了避免穩壓器完全滿水，應停止軸封水注入。且一旦水壓試驗泵替代RCV泵，以一個非常低的流量提供軸封水以防止反應堆冷卻劑進入軸封區時，應停運由RRI提供的輔助設備，接著停運RRI。

7）如果SEC喪失沒有對兩臺機組都產生影響，則PTR熱交換器可以由另一機組供水，否則存放在乏燃料池中的燃料元件的余熱導出已經中斷，一段時間后乏燃料池中的水開始沸騰，對于長期熱阱喪失，必須補償這些蒸發掉的水。

2 失去熱阱后設冷水溫度上升的估算

2.1 設冷水各用戶的熱負荷

設冷水在不同工況下運行的熱交換器以及熱負荷有所不同，本文只分析正常運行工況下的情況，在正常運行工況下設冷水系統各用戶的熱負荷如下表1：

2.2 失去熱阱后設冷水溫度上升的估算

在SEC喪失情況下，RRI系統的熱慣性使得各RRI用戶及其功能不會立即喪失。為了最大限度地利用RRI回路的熱慣性，要求盡快切除非優先用戶的供水。這通過在主控制室隔離所有的機組間公用回路熱交換器來實現。然后啟動正在運行的RRI系列中的EAS熱交換器，用換料水箱內的換料水通過安全殼噴淋系統（EAS）實驗管線、安全殼噴淋泵和安全殼噴淋系統熱交換器構成的冷卻回路來反冷設備冷卻水系統（RRI）。以充分利用換料水箱的熱慣性（換料水箱貯存了約1600m3的含硼水）；換料水箱也就成為RRI回路的熱阱。

安全殼噴淋系統冷卻設備冷卻水系統的流程如圖2所示：

圖2 安噴系統冷卻設冷水系統示意圖

根據事故規程要求 “任何時候若RRI水溫高于55℃，操作員必須停運反應堆冷卻劑泵，隔離RCV下泄和上充，并停運RRI泵。因為當RRI水溫達到55℃時，就可能對某些終端用戶加熱”。即需要在RRI水溫升高到55℃之前就一定要啟動EAS系統試驗管線以冷卻RRI系統，否則就需要停運RRI系統，反冷將不能建立，將需要執行完全失去RRI的事故規程導致事故嚴重化。所以分析事故后設冷水溫度多久會達到55攝氏度就非常必要了，設冷水溫度達到55攝氏度的時間即為操作員的響應時間。

事故的初始階段，還沒有建立反冷的工況下設冷水所有的熱負荷都用來了讓設冷水溫度上升，下面初步分析在各種熱負荷的情況下設冷水溫度升高到55℃所需要的時間，分析所選取的幾個重要參數如下：

RRI系統水裝量：MRRI=200t=200000kg（RRI系統總水裝量為300t左右，除去波動箱及APG系統死管部分，本文中以200t計算。）

水的比熱：Cp=4.18 kJ/（kg·℃）

設冷水初始溫度：T0=35℃。需要說明的是，方家山工程的設計工況即RRI初始溫度為35℃（對應海水最高溫度31.7℃）進行的，而實際運行中，海水及RRI系統溫度不會一直如此高，但是為了保守分析還是取設計溫度為35℃來計算。

事故初始時刻（t0），失去SEC系統，RRI不能得到冷卻，但所有熱負荷（Wth）仍繼續對RRI系統傳熱，RRI系統溫度逐漸升高。可表示為：

MRRI·Cp■=Wth？圳■=■

故t時刻RRI系統溫度

T（t）=T0+■×t

下面分別對幾種不同工況下，設冷水對應的熱負荷下溫度上升到55℃所需要的時間進行的計算：

1）如在正常運行工況下設冷水各用戶的熱負荷表所示，在正常運行工況下設冷水的滿負荷為32.52 Mwe，在這樣滿負荷的情況下設冷水溫度T（t）達到55℃的時間t約為：8.6min。這樣的情況是最惡劣的，實際的運行中出現這樣的情況可能性比較小。

2）在實際運行中RRI 兩機組共用部分的熱負荷并不是一直運行的，而是間斷運行的。這部分熱負荷包括TEP、TEU、SVA、DWL的熱負荷。如果考慮到這部分熱負荷不存在，設冷水系統的熱負荷為21.16 Mwe，在這樣的負荷情況下設冷水溫度T（t）達到55℃的時間t約為：13.2min。

3）最有利的情況為最終熱阱喪失事故發生在不承擔兩機組公用部分設備冷卻水熱負荷的機組時，即兩機組公用部分的熱負荷在事故一開始就切換，這部分負荷主要包括PTR系統的熱負荷，除去PTR系統的熱負荷，此時設冷水系統的熱負荷為16.96 Mwe。在這樣的負荷情況下設冷水溫度T（t）達到55℃的時間t約為：16.4min。

4）假設操縱員很快切除不必要的熱負荷并作好反冷準備的工況，這是一種理想工況，假設操作員很快的切除了DEG、REN、RCV的熱負荷，在這樣的工況下設冷水的熱負荷將大大減小，設冷水系統在這種工況下的熱負荷僅為9.5 Mwe，在這樣的負荷情況下設冷水溫度T（t）達到55℃的時間t約為：29.3min。

由上面的計算可以看出，即使在最惡劣的工況下只要操縱員在8.6分鐘以前切除不必要的熱負荷并連接和啟動EAS系統試驗管線以利用PTR水箱中水以冷卻RRI系統，PTR水箱中水的熱慣性即可利用，反冷也可以成功實現。為給恢復熱阱贏得了更多的時間。

當連接并啟動EAS系統試驗管線以冷卻RRI系統、并切除部分負荷后，被冷卻設備繼續傳遞熱量給RRI系統。對RRI側：RRI系統從其他熱交換器得到熱量Wth，一部分傳遞到EAS系統，另一部分用于本身溫度的升高。而對于EAS側：EAS側從RRI系統得到的熱量全部用作本身溫度的升高，PTR水箱中的水溫逐漸升高。RRI系統與EAS系統通過EAS熱交換器的傳熱計算比較復雜，達到平衡的過程與 EAS熱交換器管側熱阻、管壁熱阻、總污垢熱阻、殼側熱阻、管側流量、殼側流量均有關系，不在本文中做量化的計算，只給出一個RRI水溫度與EAS水溫度的總體的趨勢圖，如圖3所示：

3 結論和分析

SEC喪失的情況下，RRI回路中的熱慣性使得輔助設備及其功能不會立即喪失，但應盡快啟動EAS熱交換器以及安全殼噴淋泵的試驗回路以反冷設備冷卻水以利用PTR水箱中的熱慣性，并且同時采取在RRI回路減少負荷的措施，這項操作只要在8.6分鐘之前完成，即可保證重要設備及熱交換器運行，給恢復熱阱提供更多時間，或平穩過渡至退防模式。

【參考文獻】

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[5]楊世銘，陶文銓.傳熱學第四版[M].2006.

[6]方家山核電工程初步安全分析報告[R].2010.

[責任編輯：朱麗娜]