AP1 000核電站CVS調(diào)硼后沖洗操作探析

胡 明，陳齊清，彭小強(qiáng)

(中電投江西核電有限公司，江西 九江 332000)

AP1 000核電站CVS調(diào)硼后沖洗操作探析

胡 明，陳齊清，彭小強(qiáng)

(中電投江西核電有限公司，江西 九江 332000)

化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(CVS)是AP1 000核電站核島重要輔助系統(tǒng)，根據(jù)CVS工作特點(diǎn)對(duì)補(bǔ)水管路容積的影響進(jìn)行了計(jì)算分析，從安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)調(diào)硼后管路沖洗方法進(jìn)行了探討，指出了沖洗過(guò)程存在的問(wèn)題，并提出了沖洗方法改進(jìn)建議。

CVS；調(diào)硼；沖洗

化學(xué)和容積控制系統(tǒng)是核電站的主要輔助系統(tǒng)之一，在反應(yīng)堆的啟動(dòng)、停運(yùn)及正常運(yùn)行過(guò)程中都起著重要的作用。AP1 000作為我國(guó)從美國(guó)西屋公司引進(jìn)的第三代非能動(dòng)壓水堆核電技術(shù)，與第二代壓水堆核電站相比，其化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)CVS)有較大的簡(jiǎn)化，其運(yùn)行方式也存在一定區(qū)別，本文著重對(duì)CVS系統(tǒng)調(diào)硼后補(bǔ)水管路沖洗操作過(guò)程進(jìn)行了分析。

1 CVS簡(jiǎn)介

1.1 CVS功能

CVS的主要功能是提供RCS的凈化、容積控制和化學(xué)控制[1]。

RCS凈化即是通過(guò)CVS的凈化回路子系統(tǒng)去除反應(yīng)堆冷卻劑中的裂變產(chǎn)物及離子或顆粒形式的活化產(chǎn)物，使冷卻劑純度及放射性水平在可接受的限制以下。反應(yīng)堆冷卻劑從一回路冷段依次流經(jīng)再生熱交換器、下泄熱交換器、離子交換器和后置過(guò)濾器，再通過(guò)再生熱交換器回到主泵入口。如圖1所示。再生熱交換器利用回水將冷卻劑由280℃冷卻至111℃，下泄熱交換器利用設(shè)備冷卻水將冷卻劑進(jìn)一步冷卻至52.2℃。若下泄熱交換器出口溫度過(guò)高，凈化隔離閥會(huì)自動(dòng)關(guān)閉以隔離凈化管線(xiàn)，從而保護(hù)除鹽床中的樹(shù)脂。

RCS容積控制通過(guò)CVS的補(bǔ)水子系統(tǒng)和下泄子系統(tǒng)共同完成。在穩(wěn)壓器液位較低時(shí)，CVS通過(guò)補(bǔ)水泵將一定濃度的硼酸溶液經(jīng)補(bǔ)水過(guò)濾器和再生熱交換器輸送至主泵入口；當(dāng)穩(wěn)壓器水位較高時(shí)，下泄管線(xiàn)相關(guān)閥門(mén)開(kāi)啟以排出部分冷卻劑，冷卻劑由一回路冷段經(jīng)再生熱交換器、下泄熱交換器、除鹽床和后置過(guò)濾器排放至放射性廢液處理系統(tǒng)(WLS)。由于AP1 000采用屏蔽式主泵，不需要提供主泵軸封流量，故不需要提供連續(xù)的補(bǔ)水流量。在正常功率運(yùn)行時(shí)，若穩(wěn)壓器水位正常，則補(bǔ)水和下泄都無(wú)需投運(yùn)，冷卻劑依靠主泵提供的驅(qū)動(dòng)壓頭通過(guò)凈化回路連續(xù)循環(huán)。

RCS化學(xué)控制包括硼濃度調(diào)節(jié)、pH值控制和含氧量控制。AP1 000核電站利用CVS向冷卻劑中注入不同的化學(xué)藥品以實(shí)現(xiàn)RCS化學(xué)控制，如注入除鹽水或濃硼酸來(lái)調(diào)節(jié)冷卻劑硼濃度，注入氫氧化鋰來(lái)調(diào)節(jié)冷卻劑pH值，注入聯(lián)氨或氫來(lái)控制冷卻劑氧含量。

1.2 補(bǔ)水控制系統(tǒng)運(yùn)行模式

反應(yīng)堆補(bǔ)水控制系統(tǒng)有4種運(yùn)行模式，分別為“自動(dòng)”、“硼化”、“稀釋”和“混合”，在不同模式下執(zhí)行不同的操作以實(shí)現(xiàn)不同的功能[1]。

通常，補(bǔ)水控制系統(tǒng)運(yùn)行在“自動(dòng)”模式，CVS根據(jù)穩(wěn)壓器液位變化自動(dòng)向一回路補(bǔ)充一定體積的硼酸溶液，以補(bǔ)償一回路的微小泄露及正常功率變化而引起的穩(wěn)壓器液位變化。“混合”相當(dāng)于“自動(dòng)”的手動(dòng)模式，即手動(dòng)選擇注入的硼酸溶液的體積。在這兩種模式下，都需要設(shè)定所注入的硼酸溶液濃度，該濃度值為當(dāng)前一回路硼濃度。

圖1 CVS系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

“硼化”和“稀釋”模式用于調(diào)節(jié)反應(yīng)堆冷卻劑硼濃度。在需要調(diào)硼時(shí)，通過(guò)向主泵入口注入濃硼酸以實(shí)現(xiàn)硼化操作，在停堆時(shí)保證反應(yīng)堆獲得足夠的停堆裕度；通過(guò)向主泵入口注入除鹽水以實(shí)現(xiàn)稀釋操作，從而完成反應(yīng)堆啟動(dòng)及保證在功率運(yùn)行時(shí)控制棒調(diào)節(jié)棒組位于正常的調(diào)節(jié)范圍。

2 補(bǔ)水管路容積影響分析

“硼化”和“稀釋”操作過(guò)程基本相同，通過(guò)三通閥選擇連接到硼酸貯存箱或除鹽水系統(tǒng)，設(shè)定好注入一回路的硼酸或除鹽水的的體積和流量，并啟動(dòng)一臺(tái)補(bǔ)水泵完成注入。在任何模式下，若穩(wěn)壓器液位高，則自動(dòng)打開(kāi)下泄管路閥門(mén)，將流出物排放到廢液處理系統(tǒng)。

由于在正常功率運(yùn)行時(shí)，凈化是連續(xù)運(yùn)行的，其環(huán)路可以視為一回路的一部分。 如圖1所示，在調(diào)硼操作結(jié)束后，管路A、B段中存留的硼酸或除鹽水是無(wú)法進(jìn)入一回路進(jìn)行循環(huán)的。若不對(duì)該管段進(jìn)行沖洗，直接在自動(dòng)模式下進(jìn)行補(bǔ)水，那么該段體積的硼酸或除鹽水會(huì)先注入堆芯。下面對(duì)該體積硼酸或除鹽水注入堆芯的影響進(jìn)行計(jì)算分析。

系統(tǒng)的含硼量平衡方程為

M(C+dC)=MC+CB×dm-C×dm

(1)

式中M——一回路冷卻劑總質(zhì)量，C——一回路冷卻劑當(dāng)前硼濃度，CB——注入一回路的硼酸濃度，dm——注入的硼酸質(zhì)量，dc——硼酸濃度的變化量。

該公式可化簡(jiǎn)為

dm=M×(CB-C)-1×dC

(2)

則若需要將總質(zhì)量為M的一回路冷卻劑的硼濃度從C初始調(diào)節(jié)至C最終，需要注入濃度為CB的含硼水的質(zhì)量為：

(3)

在“稀釋”操作后，管路A、B段為除鹽水，則CB=0，可以得出：

(4)

查閱相關(guān)圖紙并計(jì)算出該管路容積約為0.35 m3，一回路總?cè)莘e為299 m3[1]。設(shè)正常滿(mǎn)功率運(yùn)行時(shí)一回路冷卻劑體積為270 m3，且不考慮含硼水和除鹽水的比重區(qū)別。

那么根據(jù)公式，在注入0.35 m3除鹽水后，△C=C最終-C初始=-0.001 3C初始。很明顯，初始硼濃度值越大，注入除鹽水后，硼濃度的變化值也越大。

為避免出現(xiàn)正的慢化劑溫度系數(shù)，反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)的冷卻劑硼濃度最大不能超過(guò)1 400 mg/L[2]，而AP1 000核電站循環(huán)末期熱態(tài)滿(mǎn)功率運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界硼濃度為10 mg/L[1]。在兩種情況下注入0.35 m3除鹽水后影響如表1所示。

表1 注入0.35 m3除鹽水后影響

根據(jù)上述計(jì)算可知，無(wú)論是循環(huán)初期還是循環(huán)末期，注入0.35 m3的除鹽水，所引入的反應(yīng)性相對(duì)于堆芯控制棒組件總的反應(yīng)性控制能力來(lái)說(shuō)是比較小的，其造成的瞬態(tài)影響幾乎可以忽略。

同樣，若CVS進(jìn)行“硼化”后不沖洗，再補(bǔ)水時(shí)會(huì)先注入0.35 m3的濃度為4 375 mg/L的濃硼酸，可以推算得出，△C=5.68-0.001 3C初始。由公式可以看出，初始硼濃度越低，硼濃度變化值越大，如表2所示。

表2 注入0.35 m3濃硼酸(4 375 mg/L)后影響

由于在循環(huán)末期硼濃度更低，且硼的微分價(jià)值更大，則硼化引起的反應(yīng)性變化最大。在C初始為10 mg/L時(shí)，注入0.35 m3濃硼酸后吸收反應(yīng)性達(dá)到94.1 pcm，這個(gè)反應(yīng)性的變化量相對(duì)來(lái)說(shuō)就較為顯著了。

總之，在調(diào)硼操作后，若不對(duì)補(bǔ)水管路進(jìn)行沖洗，由于管路容積的存在，之后再進(jìn)行堆芯補(bǔ)水的話(huà)，就會(huì)導(dǎo)致非預(yù)期的反應(yīng)性變化，無(wú)論這個(gè)變化大小，都違背了反應(yīng)性變化必須預(yù)期可控的原則，因此，調(diào)硼操作后，進(jìn)行補(bǔ)水管路沖洗是必要的。

3 補(bǔ)水管路沖洗操作分析及改進(jìn)

3.1 現(xiàn)有沖洗方法分析

對(duì)調(diào)硼操作后的補(bǔ)水管路進(jìn)行沖洗的目的是將管路中留存的濃硼酸或除鹽水置換為與當(dāng)前一回路硼濃度一致的硼酸溶液。根據(jù)CVS系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程，設(shè)計(jì)采用的管路沖洗方法是隔離補(bǔ)水，將沖洗水排至RCDT(反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱)。在進(jìn)行沖洗之前，關(guān)閉補(bǔ)水截止閥(V081)以隔離向一回路的補(bǔ)水，打開(kāi)CVS向PXS(非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng))補(bǔ)水管線(xiàn)隔離閥(V089)，設(shè)定沖洗水硼濃度為當(dāng)前一回路硼濃度，設(shè)定沖洗流量和沖洗體積，打開(kāi)PXS閥門(mén)泄露試驗(yàn)盤(pán)至RCDT隔離閥，然后啟動(dòng)反應(yīng)堆補(bǔ)水控制系統(tǒng)進(jìn)行沖洗，沖洗水排至WLS系統(tǒng)的RCDT。完成沖洗后恢復(fù)系統(tǒng)至沖洗前狀態(tài)。

該方法會(huì)導(dǎo)致下泄熱交換器出口超溫，原因如下：

由于在沖洗前未關(guān)閉凈化隔離閥(V001-V003)，若在沖洗過(guò)程中若因功率變化導(dǎo)致穩(wěn)壓器水位高，下泄管線(xiàn)相關(guān)閥門(mén)會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟進(jìn)行排放，而由于關(guān)閉V081導(dǎo)致再生熱交換器失去回水冷卻，280℃的冷卻劑不經(jīng)冷卻直接進(jìn)入下泄熱交換器，勢(shì)必超過(guò)下泄熱交換器冷卻能力，造成下泄熱交換器出口溫度過(guò)高，觸發(fā)保護(hù)關(guān)閉閥門(mén)凈化隔離閥中的V003。即使穩(wěn)壓器液位在沖洗時(shí)一直穩(wěn)定，不會(huì)因下泄而導(dǎo)致下泄熱交換器出口超溫，在關(guān)閉補(bǔ)水截止閥后， CVS中的冷卻劑停止流動(dòng)并逐漸冷卻，設(shè)備冷卻水控制閥(CCS-V221)會(huì)自動(dòng)逐漸關(guān)閉。由于V081是氣動(dòng)閥，且只有開(kāi)關(guān)兩種狀態(tài)，那么在完成沖洗后，發(fā)出開(kāi)啟補(bǔ)水截止閥指令時(shí)，該閥門(mén)會(huì)迅速開(kāi)至100%，凈化回路流量立即恢復(fù)至正常運(yùn)行時(shí)狀態(tài)，勢(shì)必導(dǎo)致設(shè)備CCS-V221來(lái)不及打開(kāi)，同樣使下泄熱交換器出口超溫，從而觸發(fā)保護(hù)關(guān)閉V003。

那么，為了避免下泄熱交換器出口超溫，可以在“硼化”或“稀釋”后進(jìn)行沖洗操作前關(guān)閉V003，以退出凈化回路，然后關(guān)閉V081以隔離補(bǔ)水，之后再進(jìn)行沖洗。在完成沖洗后，先打開(kāi)V081，然后將V003置于點(diǎn)動(dòng)模式(Jog Mode)，逐步開(kāi)啟V003恢復(fù)凈化流量。這樣操作一方面在沖洗時(shí)隔離了高溫冷卻劑進(jìn)入下泄熱交換器的通路，另一方面在沖洗完成后提供了控制凈化流量逐步恢復(fù)的手段，這樣就不會(huì)因產(chǎn)生下泄或凈化流量突然恢復(fù)而導(dǎo)致下泄熱交換器出口超溫。

但無(wú)論是否關(guān)閉V003，這種隔離向一回路補(bǔ)水的沖洗方法都存在以下缺點(diǎn)。

(1)在沖洗期間穩(wěn)壓器失去液位調(diào)節(jié)能力

關(guān)閉V081，在穩(wěn)壓器液位低時(shí)無(wú)法向一回路進(jìn)行補(bǔ)水；關(guān)閉V003，在穩(wěn)壓器液位高時(shí)無(wú)法開(kāi)啟下泄向WLS進(jìn)行排放。因此需要選擇穩(wěn)壓器液位正常及功率穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行沖洗。

(2)增加了廢水排放

因?yàn)橐a(bǔ)償堆芯燃耗，“稀釋”基本上每周都要進(jìn)行，若每次都要進(jìn)行補(bǔ)水總管沖洗且將沖洗水排至RCDT，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生較多的廢水，增加了運(yùn)行成本。

3.2 沖洗方法改進(jìn)建議

為了避免現(xiàn)有方法可能導(dǎo)致的問(wèn)題，可以采用沖洗過(guò)程中不關(guān)閉任何閥門(mén)并將沖洗水直接注入一回路的方法。具體來(lái)說(shuō)，在“硼化”或“稀釋”操作后，采用“混合”補(bǔ)水方式，手動(dòng)設(shè)定補(bǔ)水硼濃度為當(dāng)前一回路冷卻劑硼濃度，設(shè)定注入Kq體積的含硼水(q為AB管段容積)，啟動(dòng)補(bǔ)水泵將AB管段留存的濃硼酸或除鹽水沖洗進(jìn)入一回路。K>1，具體值根據(jù)試驗(yàn)或工程經(jīng)驗(yàn)確定，以使得留存在AB管段的濃硼酸或除鹽水剛好全部注入一回路中。沖洗完畢后，AB管段充滿(mǎn)與當(dāng)前一回路冷卻劑硼濃度一致的含硼水。按照這種方法，在“硼化”或“稀釋”整個(gè)過(guò)程中，總共需要向一回路注入Q+Kq體積的流體(Q為調(diào)硼時(shí)注入一回路的濃硼酸或除鹽水的體積計(jì)算值)。

該方法相比方法1來(lái)說(shuō)，但有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

(1)簡(jiǎn)化操作

若采取方法1調(diào)硼，在設(shè)定除鹽水或濃硼酸注入量時(shí)，需要在注入量計(jì)算值Q的基礎(chǔ)上再加上一個(gè)q(q為AB管段容積)，即Q設(shè)定=Q+q，能保證正好有Q體積的硼酸或除鹽水進(jìn)入一回路中，從而使得調(diào)硼結(jié)束后，預(yù)計(jì)硼濃度與測(cè)量硼濃度一致。而采取方法2的話(huà)，除鹽水或濃硼酸注入量就設(shè)定為計(jì)算值。在完成除鹽水或濃硼酸的注入后，其留存在AB管段間的部分會(huì)在隨后的沖洗中帶入一回路，同時(shí)AB管段液體也替換成當(dāng)前一回路濃度的含硼水，一舉兩得，這樣就大幅簡(jiǎn)化了操作過(guò)程；

(2)有利于延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命

在整個(gè)操作過(guò)程中，無(wú)需操作任何閥門(mén)，減少了閥門(mén)操作次數(shù)，也就降低了閥門(mén)的磨損；另外，由于“稀釋”基本上每周要進(jìn)行，同時(shí)沖洗水直接進(jìn)入一回路，整個(gè)過(guò)程相當(dāng)于給一回路添加了Q+(K-1)q的裝量，這在一回路存在一定泄露時(shí)降低了冷卻劑補(bǔ)給需求，也就減少了補(bǔ)水泵啟停次數(shù)；

(3)不影響穩(wěn)壓器液位調(diào)節(jié)

整個(gè)操作未隔離下泄和補(bǔ)水，若因功率突變等原因?qū)е路€(wěn)壓器液位偏高或偏低，能夠及時(shí)進(jìn)行下泄或補(bǔ)水以維持穩(wěn)壓器液位正常；

(4)減少了廢水排放量

沖洗水直接進(jìn)入一回路，不再需要通過(guò)PXS閥門(mén)泄露試驗(yàn)盤(pán)排放到WLS，降低了WLS運(yùn)行壓力，提高了電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語(yǔ)

由于AP1 000核電站CVS補(bǔ)水管路容積的存在，會(huì)導(dǎo)致堆芯出現(xiàn)非預(yù)期的反應(yīng)性變化，在進(jìn)行調(diào)硼操作后要對(duì)補(bǔ)水管路進(jìn)行沖洗，但頻繁的沖洗操作會(huì)加快設(shè)備損耗及增加廢水排放。在實(shí)際運(yùn)行操作過(guò)程中，建議充分考慮補(bǔ)水管路容積的影響，采取將沖洗水直接注入一回路的方法，可以有效避免上述問(wèn)題，從而提高AP1 000核電站運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

[1]顧軍．AP1 000核電廠系統(tǒng)與設(shè)備[M]．北京：原子能出版社，2010．

[2]鄭福裕．壓水堆核電廠運(yùn)行物理導(dǎo)論[M]．北京：原子能出版社，2009．

(本文編輯：嚴(yán) 加)

Flushing Operation After Boron Concentration Adjustment by CVS of AP1000 Nuclear Power Plant

HU Ming，CHEN Qiqing，PENG Xiaoqiang

(CPI Jiangxi Nuclear Power Co., Ltd.，Jiujiang 332000, China)

The Chemical and Volume Control System (CVS) is an important auxiliary system of AP1000 nuclear power plant. This paper calculates and analyzes the impact of the makeup pipeline volume according to the CVS operating characteristics, discusses the pipeline flushing methods after boron concentration adjustment from the perspective of security and economy, points out the problems existing in the flushing process, and finally puts forward the improvement suggestions about the flushing method.

CVS; boron concentration adjustment; flushing

10.11973/dlyny201703023

胡 明(1982—)，男，工程師，從事熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)。

TL48

A

2095-1256(2017)03-0323-04

2017-02-25