AP1000與M310機組余熱排出系統對比及優化分析

□譚彥標

壓水堆核電廠正常運行時，核反應產生的能量由反應堆冷卻劑經蒸汽發生器傳遞給二回路系統，并通過汽輪發電機轉化成電能。停堆初期堆芯余熱仍由蒸汽發生器通過二回路以蒸汽的形式排放，當二回路或蒸汽發生器不能再運行時則由余熱排出系統來承擔。余熱排出系統帶出的堆芯熱量通過設備冷卻水系統、廠用水系統傳遞到電廠的最終熱阱——海水。本文就RNS和RRA進行比較，并對RNS提出了一定的優化建議。

一、RNS概述

如圖1所示：RNS有兩個序列，每一序列包括一臺RNS泵和一臺RNS熱交換器，兩列共用一條來自反應堆冷卻劑系統(RCS)的進水母管和一條返回RCS的出水母管。進水母管在流出安全殼之前有條支路與安全殼內部換料儲存水箱(IRWST)相連。進水母管在安全殼外有一電動隔離閥，正常運行時處于關閉狀態，其下游分為兩條獨立的管線，每條管線各有一臺泵。RNS泵出口直接連到各自的RNS熱交換器，熱交換器出口連接到公共出水母管，母管上有一個常閉的電動安全殼隔離閥。為保護泵從RNS熱交換器下游到RNS泵入口管線之間設置了最小流量管線，內含節流孔板。公共出水母管在安全殼內有一逆止閥，可作為安全殼隔離閥。逆止閥下游分成兩條管線，分別接到各自非能動堆芯冷卻系統(PXS)的直接注入管嘴。每個分支管上有一個截止閥和一個逆止閥，作為RCS的壓力邊界。公共出水母管有一條到化學和容積控制系統(CVS)的除鹽裝置分支管線，用于停堆時對RCS的凈化。還有一條到IRWST的分支管線，用于冷卻該水箱。安全殼內的RNS進水母管上有一個安全卸壓閥，為RCS提供低溫超壓保護。另一個安全卸壓閥位于安全殼外的泵出水母管，當RNS與RCS隔離后對RNS管道和設備提供超壓保護。進水母管與出水母管上分別設有與乏燃料水池的連接管線，用于乏燃料水池的冷卻。進水母管上設有與乏燃料容器裝載井的連接管線，用于乏燃料容器裝載井的循環。

圖1 RNS流程圖

二、RRA概述

如圖2所示：RRA從反應堆冷卻劑系統(RCP)的2號環路熱段吸水，經兩列電動隔離閥流入余熱排出泵的入口母管，兩臺余排泵并聯布置，驅動冷卻劑流經熱交換器及其旁路管線，并最終通過中壓安注的注入管線回到RCP的1號和3號環路冷段。泵出口母管上設置了兩個卸壓閥組用以避免一回路和余熱排出系統超壓。為了保護RRA泵，在熱交換器下游設置了一條回到泵入口的最小流量循環管線。RRA泵的入口母管和熱交換器出口母管各有一條與反應堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統(PTR)相連的管線。RRA熱交換器上游設置了一條與化學和容積控制系統(RCV)下泄孔板下游相連的低壓下泄管線。下泄流提供了反應堆冷卻劑的化學和容積控制，回流通常經上充管線返回。在上充泵不能運行的情況下，通過位于化容系統凈化回路下游的RCV-RRA連接管線返回到RRA泵入口。

圖2 RRA流程圖

三、RNS與RRA對比分析

RNS與RRA雖然同為余熱排出系統，但是由于AP1000與M310兩種堆型設計理念的差異，兩種余熱排出系統之間還是存在許多差異，本文主要從功能、流程、主要設備三個方面對兩者進行比較。

(一)功能對比。

1.相同功能。第一，排出堆芯余熱和反應堆冷卻劑系統的熱量并維持冷卻劑溫度在冷停堆工況；第二，冷停堆期間，為一回路提供低溫超壓保護；第三，反應堆停堆和啟動過程中而主泵未投運時保證一回路冷卻劑的強制循環；第四，換料期間，對反應堆冷卻劑系統排水；第五，換料期間，通過與化學和容積控制系統的鏈接管線保障下泄流，凈化一回路冷卻劑。

2.不同功能。第一，RNS可以用來冷卻IRWST中的水而M310換料水箱中的水則是通過安全殼噴淋系統的熱交換器進行冷卻；第二，在失去正常乏燃料水池冷卻能力后，RNS一個序列可補充或代替乏燃料水池冷卻系統(SFS)，而M310機組乏燃料水池的冷卻回路卻是用來作為RRA系統的應急備用；第三，RNS在自動降壓系統(ADS)第1、2、3級動作時可以對RCS進行低壓補水，以防止ADS第4級的不必要動作而RRA并無此項功能；第四，RNS用于提供事故后長期的安全殼補水而RRA并無此項功能。

(二)流程對比。

1.相同流程。第一，均為從一回路熱段取水，經過兩臺并聯的余熱排出泵和余熱排出熱交換器返回一回路；第二，都設置了與化容系統和乏燃料水池的連接管線。

2.不同流程。第一，RNS設有與安全殼內換料水箱和乏燃料容器裝載井的連接管線；第二，RNS的回水是通過PXS返回SG冷段腔室，而RRA的回水是通過中壓安注返回一回路冷段；第三，兩臺RNS泵直接與熱交換器連接，而兩臺RRA泵則是通過一個集水母管與熱交換器連接；第四，RNS的兩個安全閥分別位于進水母管及出水母管上，而RRA的兩個安全閥則位于泵和熱交換器之間的集水母管上；第五，RNS與SFS的連接管線是單向流通的，而RRA與PTR的連接管線是雙向流通的；第六，RNS每臺熱交換器上并聯一條設有流量調節閥的旁路管線，而RRA則是兩臺熱交換器共用一條設有流量調節閥的旁路管線；第七，RNS每一列余熱排出泵的入口至余熱排出熱交換器的出口間均并聯一條設有閥門及節流孔板的小流量回流管線，而RRA僅在余熱排出泵進水母管至余熱排出熱交換器出水母管間并聯一條小流量回流管線且管線上無任何節流設備。

(三)余熱排出泵對比。RNS設有兩臺單級立式離心泵，RRA設有兩臺單級臥式離心泵。具體的設計參數對比如表1所示。

表1 RNS與RRA余熱排出泵設計參數對比表

通過對比可以看出,RNS泵具有更高的設計壓力和設計揚程，但設計流量相對較小。

(四)余熱排出熱交換器對比。RNS和RRA均設有兩臺立式、U型管殼式余熱排出熱交換器，管側為反應堆冷卻劑，殼側為設備冷卻水。具體的設計參數對比如表2所示。

表2 RNS與RRA余熱排出熱交換器設計參數對比表

通過對比可以看出,RNS熱交換器管側具有更高的設計壓力和設計溫度，但設計流量相對RRA熱交換器管側要低很多。殼側的設計壓力和設計溫度相差不大但RNS熱交換器殼側設計流量明顯較低。

(五)安全閥對比。RNS設有兩個彈簧加載式安全閥，分別為入口安全閥RNS-V021、出口安全閥RNS-V045。RNS-V021開啟壓力設定值為3.45MPa，排放管線連接到WLS安全殼地坑。RNS-V045開啟壓力設定值為4.68MPa，排放管線連接到WLS流出液暫存箱。

RRA設有兩組四個先導式安全閥，分別為RRA018VP，120VP和RRA115VP，121VP。RRA018VP開啟壓力整定值為4.4±0.1MPa，RRA120VP開啟壓力整定值為3.7±0.1MPa；RRA115VP開啟壓力整定值為3.9±0.1MPa，RRA121VP開啟壓力整定值為3.7±0.1MPa。兩組安全閥的排放管線均連接到穩壓器泄壓箱。

四、RNS改進建議

RNS相對于RRA雖然有明顯的改進，但通過對RRA的參考，還是能夠有所借鑒。第一，雖然RNS在設計上能夠有效避免渦流的產生，出于對機組運行的保守考慮以及對RNS泵體的保護，建議在RNS泵吸入口設置渦流探測系統。當渦流形成后，空氣進入RNS系統管道中，氣水混合物經過RNS泵后，泵的出口壓力以及電流將發生明顯的波動。根據這一機理，利用位于RNS泵出口壓力表來探測RNS泵吸入口是否出現渦流，即將RNS泵出口壓力表測得的壓力模擬信號送至數值處理單元，經該單元處理測得的壓力信號可知是否有渦流產生。出現渦流時提醒操縱員注意，通過對RNS運行流量進行限定以限制渦流的持續發展。第二，建議將RNS與SFS的連接管線設置為雙向流通的形式，在RCS打開之后，當RNS失效時SFS作為RNS的應急備用，通過SFS冷卻反應堆堆芯。第三，建議將RNS的兩個安全閥改為類似RRA的兩組安全閥，每組閥門有兩個安全閥串接在一起；上游閥門起安全釋放作用，下游閥門起隔離作用。

五、結語

通過對RNS和RRA的比較可以看出RNS有了明顯的改進，增設渦流抑制器，避免了渦流在RNS內的生成，擁有更高的設計壓力以避免系統本身的超壓風險，優化了安全閥的位置。在此基礎上本文也對RNS進行了一定的改進，在RNS泵吸入口設置渦流探測裝置，增設了SFS對RNS的應急備用，改進安全閥配置，對RNS的優化提出了自己的建議。