“華龍一號”二回路非能動余熱排出系統改進

朱達睿

(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,新研發堆型在原有設計基礎上引入非能動理念。目前在二回路增加非能動余熱排出系統的堆型分別有中國設計的AC600、“華龍一號”(HPR1000),韓國設計的APR1400、SMART一體化堆,俄羅斯設計的KLT-40S浮動式發電機組[1]。

在上述堆型的二回路非能動排熱設計中,冷卻方式主要分為水冷和風冷兩種。風冷的代表堆型為AC600,其系統結構如圖1所示[2]。水冷的代表為 “華龍一號”及APR1400,系統結構如圖2所示。目前在役及在建核電機組均采用水冷的設計方案,本文主要探討 “華龍一號”的二次側非能動余熱排出系統 (PRS)。

1 系統簡介

PRS系統以水池作為最終熱阱導出堆芯余熱及設備儲熱。在發生全廠斷電事故且輔助給水系統汽動泵失效工況下,PRS系統投入運行,在冷卻劑壓力邊界設計條件內,通過蒸汽發生器導出反應堆冷卻劑系統及各設備的儲熱,降低一回路的溫度和壓力,在一定時間內維持反應堆處于安全狀態[3]。

系統設置方面,每臺蒸汽發生器都對應一列非能動余熱排出環路,每列換熱能力按照0.5%FP設計,即15.3 MW[3]。一個系列包括一臺熱交換器、兩臺應急補水箱和一個換熱水箱以及相應的溫度探頭、流量表及液位計。PRS從主蒸汽母管引出蒸汽,蒸汽管道在經過一臺電動閥后分為兩路,一路連接換熱器,另一列連接補水箱。蒸汽在換熱器中凝結后通過凝水管線經由主給水管道返回蒸汽發生器二次側。作為冗余備用,每條凝水管線及補水箱出口管線分別設置兩列相互獨立的并聯電動隔離閥來提高系統可靠性。為避免機組正常向蒸汽發生器充水時給水通過凝水管道旁通,凝水管道在隔離閥下游設置止回閥。

為確保自然循環能盡快建立,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能。為提高熱量排出的持續時間,系統配置大容積的熱阱水箱并將換熱器布置在水箱底部。在換熱期間水箱內部由于溫度分布不均勻形成冷、熱流體的對流,從而提高換熱效率。

圖1 風冷式非能動設計示意圖Fig.1 The sche matic of air-cooled passive design

圖2 水冷式非能動設計示意圖Fig.2 The schematic of water-cooled passive design

2 系統運行分析

機組正常運行期間及設計基準事故下,PRS系統處于熱備用狀態:PRS凝水管道隔離閥及應急補水箱出口隔離閥處于關閉狀態;其余閥門如蒸汽管道隔離閥、應急補水箱出口隔離閥等閥門處于開啟狀態;應急補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 系統啟、停方式

二次側非能動余熱排出系統啟動方式分為手動和自動兩種。手動啟動為主控制操縱員在主控室手動給出凝水管線相應隔離閥的開啟命令實現系統投運;自動啟動為PRS系統自動啟動信號觸發后自動開啟A列或B列的凝水管線隔離閥及經過設定的保持時間后開啟應急補水箱的出口隔離閥。自動啟動信號的觸發條件有以下4種:

1)一臺蒸汽發生器的兩塊同列液位計出現低低液位報警并持續525 s;

2)一臺蒸汽發生器的兩塊同列液位計出現低低液位報警且主給水流量低并持續45 s;

3)三臺蒸汽發生器每臺均有兩塊同列液位計出現低低液位報警;

4)注入蒸汽發生器的輔助給水流量低。

在PRS系統自動信號出發后還會引起主蒸汽系統和輔助給水系統產生以下動作:

1)輔助給水汽動泵入口蒸汽管線隔離;2)主蒸汽管線隔離;

3)蒸汽發生器蒸汽管線疏水隔離;

4)主蒸汽旁通管線隔離。

在二次側非能動余熱排出系統投運后蒸汽從蒸汽發生器經過主蒸汽管管道進入PRS系統蒸汽管道在換熱器中冷卻為液相進入凝水管線最終回到蒸汽發生器,由于蒸汽冷凝導致的體積收縮產生的抽吸作用使蒸汽不斷從蒸汽發生器充入PRS系統,從而實現流體的自然循環。在PRS應急補水箱向蒸汽發生器注水后,為避免蒸汽不經過換熱器直接進入凝水管道返回蒸汽發生器,特設計在補水箱液位降到一定水位后補水箱出口隔離閥自動關閉的邏輯動作。

系統的停運只能在系統沒有自動啟動信號出發的條件下通過手動給出凝水管線上相應隔離閥的關閉命令實現系統的停運。

2.2 系統運行特性分析

從熱源儲熱分析:在系統投入初期由于核回路儲熱較大,自然循環會迅速升高至一個較高的循環流量。隨著換熱的持續進行,一回路溫度和壓力會持續下降帶動蒸汽發生器二次側溫度、壓力下降,導致循環動力變小即循環流量變小。

從熱阱吸熱能力分析:試驗初期熱阱水箱水裝量最大、溫度最低,換熱能力最強,故PRS自然循環放熱量較大且能維持一定時間。伴隨熱阱水箱吸熱,水溫升高,沸騰換熱使部分水被蒸發排往大氣導致熱阱水箱水裝量減少,換熱能力進一步下降,故PRS自然循環放熱量變小。

通過從熱源和熱阱兩個方面的換熱分析,PRS自然循環完全建立后系統換熱量曲線應在一段時間內維持在系統的最大換熱量,而后隨著時間的推移逐漸降低;自然循環流量應伴隨系統運行時間的增長而緩慢減小。換熱期間,若能對熱阱持續注入冷水補償蒸發損失、降低熱阱則可以使一回路參數進一步降低。

系統投運后蒸汽發生器二次側響應分析:當PRS系統投運時機組已經緊急停堆,汽機停機。此時蒸汽發生器壓力上升,二次側被壓縮使水位快速下降,伴隨TSA泄壓、自然循環建立及應急補水注入,蒸汽發生器壓力恢復,水位回升。當PRS系統穩定投入后二次側參數變化與一回路保持一致。

2.3 系統運行方式的改進建議

通過前文對系統自動啟動信號觸發條件的闡述可知,蒸汽發生液位低低影響是PRS系統啟動的重要因素,每臺蒸汽發生器有4臺液位傳感器,其中2臺對應PRS系統A列的設備,另2臺對應B列,控制簡圖如圖3所示平均溫度。若在蒸汽發生器液位降低過程中4臺液位傳感器均觸發低低液位信號則會導致PRS系統A/B兩列同時投入運行,這種情況會導致自然循環過大,增大啟動初期對蒸汽發生器的冷沖擊;若出發低低液位信號的兩塊表為A、B列各一塊,此種狀態又會使系統投入時間延后,導致機組狀態在事故工況下進一步惡化。

圖3 自動啟動信號控制示意圖Fig.3 The sche matic of auto matic start up signal control

針對以上兩點,對系統自動投運控制邏輯基于以下思路進行優化:將A列作為PRS系統的首選投運列,B列作為備用列僅在A列未完全投入情況下自動運行。將4塊液位傳感器的信息統一采集后進行4取2選擇,再與其他原有邏輯信號進行或門運算來觸發AB兩列自動啟動信號,其中A列自動啟動信號直接開啟凝水管線隔離閥,B列自動啟動信號經過一個延時模塊 (時長為凝水隔離閥的設計開啟時間)并與對應A列閥門的狀態反饋進行運算來控制B列凝水隔離閥,控制簡圖如圖4所示。

圖4 優化后自動啟動信號控制示意圖Fig.4 The sche matic of auto matic start up signal control after opti mization

通過上述優化,PRS在原先控制基礎上實現任意兩個低低液位信號都能觸發PRS系統A/B列自動投運且僅有一列凝水隔離閥開啟。在方案實施上,僅需解除獨立接入PRS系統的各個蒸汽發生器液位信號,將RRP系統已有蒸汽發生器低低液位4取2信號接入PRS系統,A列閥門狀態信號也只需在原先僅采集、顯示的基礎上通過網絡接入邏輯模塊來進行運算即可完成相應改造。方案實施難度不大,所需成本也比較低。

3 結 論

本文介紹了 “華龍一號”堆型二次側非能動余熱排出系統的系統組成、運行方式。針對系統投運后換熱量、自然循環流量的變化趨勢、蒸汽發生器二次側響應及PRS自動控制邏輯進行了探討。對現有控制邏輯中重要因子對系統運行的影響進行了分析,并結合工程實際提出了相應邏輯優化方案。