“華龍一號(hào)”二回路非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)改進(jìn)

朱達(dá)睿

(中國核電工程有限公司,浙江 海鹽 314300)

由于核電安全性要求的提高,新研發(fā)堆型在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上引入非能動(dòng)理念。目前在二回路增加非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的堆型分別有中國設(shè)計(jì)的AC600、“華龍一號(hào)”(HPR1000),韓國設(shè)計(jì)的APR1400、SMART一體化堆,俄羅斯設(shè)計(jì)的KLT-40S浮動(dòng)式發(fā)電機(jī)組[1]。

在上述堆型的二回路非能動(dòng)排熱設(shè)計(jì)中,冷卻方式主要分為水冷和風(fēng)冷兩種。風(fēng)冷的代表堆型為AC600,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。水冷的代表為 “華龍一號(hào)”及APR1400,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。目前在役及在建核電機(jī)組均采用水冷的設(shè)計(jì)方案,本文主要探討 “華龍一號(hào)”的二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng) (PRS)。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

PRS系統(tǒng)以水池作為最終熱阱導(dǎo)出堆芯余熱及設(shè)備儲(chǔ)熱。在發(fā)生全廠斷電事故且輔助給水系統(tǒng)汽動(dòng)泵失效工況下,PRS系統(tǒng)投入運(yùn)行,在冷卻劑壓力邊界設(shè)計(jì)條件內(nèi),通過蒸汽發(fā)生器導(dǎo)出反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)及各設(shè)備的儲(chǔ)熱,降低一回路的溫度和壓力,在一定時(shí)間內(nèi)維持反應(yīng)堆處于安全狀態(tài)[3]。

系統(tǒng)設(shè)置方面,每臺(tái)蒸汽發(fā)生器都對(duì)應(yīng)一列非能動(dòng)余熱排出環(huán)路,每列換熱能力按照0.5%FP設(shè)計(jì),即15.3 MW[3]。一個(gè)系列包括一臺(tái)熱交換器、兩臺(tái)應(yīng)急補(bǔ)水箱和一個(gè)換熱水箱以及相應(yīng)的溫度探頭、流量表及液位計(jì)。PRS從主蒸汽母管引出蒸汽,蒸汽管道在經(jīng)過一臺(tái)電動(dòng)閥后分為兩路,一路連接換熱器,另一列連接補(bǔ)水箱。蒸汽在換熱器中凝結(jié)后通過凝水管線經(jīng)由主給水管道返回蒸汽發(fā)生器二次側(cè)。作為冗余備用,每條凝水管線及補(bǔ)水箱出口管線分別設(shè)置兩列相互獨(dú)立的并聯(lián)電動(dòng)隔離閥來提高系統(tǒng)可靠性。為避免機(jī)組正常向蒸汽發(fā)生器充水時(shí)給水通過凝水管道旁通,凝水管道在隔離閥下游設(shè)置止回閥。

為確保自然循環(huán)能盡快建立,PRS在布置上通過增大蒸汽管道與凝水管道的位差來提供更大的勢(shì)能。為提高熱量排出的持續(xù)時(shí)間,系統(tǒng)配置大容積的熱阱水箱并將換熱器布置在水箱底部。在換熱期間水箱內(nèi)部由于溫度分布不均勻形成冷、熱流體的對(duì)流,從而提高換熱效率。

圖1 風(fēng)冷式非能動(dòng)設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 The sche matic of air-cooled passive design

圖2 水冷式非能動(dòng)設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 The schematic of water-cooled passive design

2 系統(tǒng)運(yùn)行分析

機(jī)組正常運(yùn)行期間及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下,PRS系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài):PRS凝水管道隔離閥及應(yīng)急補(bǔ)水箱出口隔離閥處于關(guān)閉狀態(tài);其余閥門如蒸汽管道隔離閥、應(yīng)急補(bǔ)水箱出口隔離閥等閥門處于開啟狀態(tài);應(yīng)急補(bǔ)水箱液位維持在高水位和高高水位之間;熱阱水箱維持大于900 m3的水裝量。

2.1 系統(tǒng)啟、停方式

二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)啟動(dòng)方式分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種。手動(dòng)啟動(dòng)為主控制操縱員在主控室手動(dòng)給出凝水管線相應(yīng)隔離閥的開啟命令實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)投運(yùn);自動(dòng)啟動(dòng)為PRS系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)觸發(fā)后自動(dòng)開啟A列或B列的凝水管線隔離閥及經(jīng)過設(shè)定的保持時(shí)間后開啟應(yīng)急補(bǔ)水箱的出口隔離閥。自動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)的觸發(fā)條件有以下4種:

1)一臺(tái)蒸汽發(fā)生器的兩塊同列液位計(jì)出現(xiàn)低低液位報(bào)警并持續(xù)525 s;

2)一臺(tái)蒸汽發(fā)生器的兩塊同列液位計(jì)出現(xiàn)低低液位報(bào)警且主給水流量低并持續(xù)45 s;

3)三臺(tái)蒸汽發(fā)生器每臺(tái)均有兩塊同列液位計(jì)出現(xiàn)低低液位報(bào)警;

4)注入蒸汽發(fā)生器的輔助給水流量低。

在PRS系統(tǒng)自動(dòng)信號(hào)出發(fā)后還會(huì)引起主蒸汽系統(tǒng)和輔助給水系統(tǒng)產(chǎn)生以下動(dòng)作:

1)輔助給水汽動(dòng)泵入口蒸汽管線隔離;2)主蒸汽管線隔離;

3)蒸汽發(fā)生器蒸汽管線疏水隔離;

4)主蒸汽旁通管線隔離。

在二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)投運(yùn)后蒸汽從蒸汽發(fā)生器經(jīng)過主蒸汽管管道進(jìn)入PRS系統(tǒng)蒸汽管道在換熱器中冷卻為液相進(jìn)入凝水管線最終回到蒸汽發(fā)生器,由于蒸汽冷凝導(dǎo)致的體積收縮產(chǎn)生的抽吸作用使蒸汽不斷從蒸汽發(fā)生器充入PRS系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)流體的自然循環(huán)。在PRS應(yīng)急補(bǔ)水箱向蒸汽發(fā)生器注水后,為避免蒸汽不經(jīng)過換熱器直接進(jìn)入凝水管道返回蒸汽發(fā)生器,特設(shè)計(jì)在補(bǔ)水箱液位降到一定水位后補(bǔ)水箱出口隔離閥自動(dòng)關(guān)閉的邏輯動(dòng)作。

系統(tǒng)的停運(yùn)只能在系統(tǒng)沒有自動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)出發(fā)的條件下通過手動(dòng)給出凝水管線上相應(yīng)隔離閥的關(guān)閉命令實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的停運(yùn)。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

從熱源儲(chǔ)熱分析:在系統(tǒng)投入初期由于核回路儲(chǔ)熱較大,自然循環(huán)會(huì)迅速升高至一個(gè)較高的循環(huán)流量。隨著換熱的持續(xù)進(jìn)行,一回路溫度和壓力會(huì)持續(xù)下降帶動(dòng)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)溫度、壓力下降,導(dǎo)致循環(huán)動(dòng)力變小即循環(huán)流量變小。

從熱阱吸熱能力分析:試驗(yàn)初期熱阱水箱水裝量最大、溫度最低,換熱能力最強(qiáng),故PRS自然循環(huán)放熱量較大且能維持一定時(shí)間。伴隨熱阱水箱吸熱,水溫升高,沸騰換熱使部分水被蒸發(fā)排往大氣導(dǎo)致熱阱水箱水裝量減少,換熱能力進(jìn)一步下降,故PRS自然循環(huán)放熱量變小。

通過從熱源和熱阱兩個(gè)方面的換熱分析,PRS自然循環(huán)完全建立后系統(tǒng)換熱量曲線應(yīng)在一段時(shí)間內(nèi)維持在系統(tǒng)的最大換熱量,而后隨著時(shí)間的推移逐漸降低;自然循環(huán)流量應(yīng)伴隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)而緩慢減小。換熱期間,若能對(duì)熱阱持續(xù)注入冷水補(bǔ)償蒸發(fā)損失、降低熱阱則可以使一回路參數(shù)進(jìn)一步降低。

系統(tǒng)投運(yùn)后蒸汽發(fā)生器二次側(cè)響應(yīng)分析:當(dāng)PRS系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)機(jī)組已經(jīng)緊急停堆,汽機(jī)停機(jī)。此時(shí)蒸汽發(fā)生器壓力上升,二次側(cè)被壓縮使水位快速下降,伴隨TSA泄壓、自然循環(huán)建立及應(yīng)急補(bǔ)水注入,蒸汽發(fā)生器壓力恢復(fù),水位回升。當(dāng)PRS系統(tǒng)穩(wěn)定投入后二次側(cè)參數(shù)變化與一回路保持一致。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行方式的改進(jìn)建議

通過前文對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)觸發(fā)條件的闡述可知,蒸汽發(fā)生液位低低影響是PRS系統(tǒng)啟動(dòng)的重要因素,每臺(tái)蒸汽發(fā)生器有4臺(tái)液位傳感器,其中2臺(tái)對(duì)應(yīng)PRS系統(tǒng)A列的設(shè)備,另2臺(tái)對(duì)應(yīng)B列,控制簡(jiǎn)圖如圖3所示平均溫度。若在蒸汽發(fā)生器液位降低過程中4臺(tái)液位傳感器均觸發(fā)低低液位信號(hào)則會(huì)導(dǎo)致PRS系統(tǒng)A/B兩列同時(shí)投入運(yùn)行,這種情況會(huì)導(dǎo)致自然循環(huán)過大,增大啟動(dòng)初期對(duì)蒸汽發(fā)生器的冷沖擊;若出發(fā)低低液位信號(hào)的兩塊表為A、B列各一塊,此種狀態(tài)又會(huì)使系統(tǒng)投入時(shí)間延后,導(dǎo)致機(jī)組狀態(tài)在事故工況下進(jìn)一步惡化。

圖3 自動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)控制示意圖Fig.3 The sche matic of auto matic start up signal control

針對(duì)以上兩點(diǎn),對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)投運(yùn)控制邏輯基于以下思路進(jìn)行優(yōu)化:將A列作為PRS系統(tǒng)的首選投運(yùn)列,B列作為備用列僅在A列未完全投入情況下自動(dòng)運(yùn)行。將4塊液位傳感器的信息統(tǒng)一采集后進(jìn)行4取2選擇,再與其他原有邏輯信號(hào)進(jìn)行或門運(yùn)算來觸發(fā)AB兩列自動(dòng)啟動(dòng)信號(hào),其中A列自動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)直接開啟凝水管線隔離閥,B列自動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)經(jīng)過一個(gè)延時(shí)模塊 (時(shí)長(zhǎng)為凝水隔離閥的設(shè)計(jì)開啟時(shí)間)并與對(duì)應(yīng)A列閥門的狀態(tài)反饋進(jìn)行運(yùn)算來控制B列凝水隔離閥,控制簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后自動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)控制示意圖Fig.4 The sche matic of auto matic start up signal control after opti mization

通過上述優(yōu)化,PRS在原先控制基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)任意兩個(gè)低低液位信號(hào)都能觸發(fā)PRS系統(tǒng)A/B列自動(dòng)投運(yùn)且僅有一列凝水隔離閥開啟。在方案實(shí)施上,僅需解除獨(dú)立接入PRS系統(tǒng)的各個(gè)蒸汽發(fā)生器液位信號(hào),將RRP系統(tǒng)已有蒸汽發(fā)生器低低液位4取2信號(hào)接入PRS系統(tǒng),A列閥門狀態(tài)信號(hào)也只需在原先僅采集、顯示的基礎(chǔ)上通過網(wǎng)絡(luò)接入邏輯模塊來進(jìn)行運(yùn)算即可完成相應(yīng)改造。方案實(shí)施難度不大,所需成本也比較低。

3 結(jié) 論

本文介紹了 “華龍一號(hào)”堆型二次側(cè)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、運(yùn)行方式。針對(duì)系統(tǒng)投運(yùn)后換熱量、自然循環(huán)流量的變化趨勢(shì)、蒸汽發(fā)生器二次側(cè)響應(yīng)及PRS自動(dòng)控制邏輯進(jìn)行了探討。對(duì)現(xiàn)有控制邏輯中重要因子對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響進(jìn)行了分析,并結(jié)合工程實(shí)際提出了相應(yīng)邏輯優(yōu)化方案。