AP1000 堆芯補水箱排水與自動卸壓系統(tǒng)噴放合并試驗的研究

鄭堯瑤，曹克美，樊 普

(上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海200233)

在三代非能動核電廠的首次啟動中，需要執(zhí)行一次預(yù)運行試驗項目，其目的是為了驗證核電廠是按照設(shè)計完成建造的，系統(tǒng)運行與核電廠設(shè)計相一致，以及包括首次裝料、首次臨界、功率提升至滿負(fù)荷在內(nèi)的各項活動都是可控并且安全的[1]。非能動安全系統(tǒng)(PXS)預(yù)運行試驗需要驗證已安裝的部件和相關(guān)的管道、閥門能正確的執(zhí)行設(shè)計要求的安全功能，包括：堆芯補水箱(CMT)自然循環(huán)能力驗證試驗、CMT從再循環(huán)模式切換到排水模式的驗證試驗和自動卸壓系統(tǒng)(ADS)噴放卸壓試驗。

在試驗規(guī)程中，CMT排水試驗(即CMT從再循環(huán)模式切換到排水模式的驗證試驗)與ADS噴放實驗分別進行。考慮到這兩個試驗中都有ADS閥門開啟，本文針對CMT排水試驗和ADS噴放試驗合并的可行性進行研究，探索將這些試驗合并到一個試驗中，以達到簡化試驗流程的目的。

1 試驗介紹

CMT排水試驗步驟為：熱態(tài)時開啟CMT出口隔離閥，5 s后停運主泵，并開啟ADS-1A控制閥；當(dāng)二次側(cè)壓力高于一次側(cè)壓力2.068 MPa時，手動開啟SG PORV閥，確保壓差不超過2.758 MPa；當(dāng)CMT水位下降至低6液位整定值時，關(guān)閉CMT出口隔離閥，關(guān)閉ADS-1A隔離閥，終止試驗。試驗的主要目的是驗證CMT能夠從再循環(huán)模式切換到排水模式：當(dāng)ADS第1級閥門對反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)卸壓，使得與壓力平衡管線(PBL)相連的冷段出現(xiàn)空泡后，CMT將切換到排水模式[1]。

ADS噴放試驗主要操作步驟為：正常運行壓力溫度平臺(NOP/NOT)主泵100%轉(zhuǎn)速條件下，手動觸發(fā)CMT信號停轉(zhuǎn)主泵，觸發(fā)信號30 s后開始開啟ADS閥門；ADS第1～3級閥門在自動控制下按照設(shè)定的延遲時間相繼打開；當(dāng)ADS第3級閥門全開后，立即依次逆序關(guān)閉所有ADS閥門；當(dāng)所有ADS閥門關(guān)閉后，關(guān)閉SG PORV閥。試驗的主要目的是通過ADS噴放RCS來驗證自動卸壓系統(tǒng)的運行。

根據(jù)以上兩個試驗的試驗步驟，CMT排水和ADS噴放合并試驗步驟考慮如下：

(1)NOP/NOT平臺手動觸發(fā)CMT信號，CMT出口閥門開啟，該信號同時停轉(zhuǎn)主泵，觸發(fā)信號30 s后開始試驗。

(2)當(dāng)ADS觸發(fā)信號產(chǎn)生后，打開CMT出口隔離閥，ADS第1～3級閥門在自動控制下按照設(shè)定的延遲時間相繼打開。

(3)一旦鼓泡器流量全開試驗時間持續(xù)10 s，依次逆序關(guān)閉ADS閥門，關(guān)閉程序與ADS噴放試驗相同，但保留一列ADS第1級閥門打開；閥門開啟序列相見表1。

表1 試驗時間序列

(4)試驗過程中當(dāng)二次側(cè)壓力高于一次側(cè)壓力2.068 MPa(300 psi)時，手動開啟SG PORV。

(5)當(dāng)CMT水位達到低6液位整定值時，關(guān)閉CMT出口隔離閥，然后關(guān)閉ADS第1級控制閥和SG的PORV閥，合并試驗終止。

合并試驗將CMT排水試驗和ADS噴放試驗進行合并，可用于驗證CMT能夠從再循環(huán)模式切換到排水模式，并驗證ADS對RCS的卸壓能力，以及提供用于設(shè)備分析的重要參數(shù)，從而簡化試驗流程。

2 試驗?zāi)M

本文采用LOCA事故分析程序分別模擬了CMT排水試驗、ADS噴放試驗以及合并試驗，從而論證從熱工水力現(xiàn)象模擬的角度出發(fā)，CMT排水試驗和ADS試驗這兩個獨立的試驗可以合并為一個試驗。考慮到試驗可能對設(shè)備(主要是壓力容器內(nèi)構(gòu)件和安注接管)造成沖擊，因此，主要關(guān)注冷熱段溫度、DVI流量、CMT進出口溫度等參數(shù)變化。

2.1 CMT排水試驗

圖1為CMT出口流量曲線。本試驗中約1 200 s之前，CMT首先以再循環(huán)模式進行流動，即來自冷段的液體經(jīng)過平衡管線(PBL)進入CMT頂部，圖2為CMT平衡管線流量。CMT從底部經(jīng)DVI管線向RPV下降段注射流體，CMT一直處于水實體狀態(tài)；開啟ADS-1A閥門后，RCS通過ADS-1A向IRWST排放高溫蒸汽和水，系統(tǒng)壓力下降，同時系統(tǒng)水裝量逐漸減少。

圖1 CMT出口流量Fig.1 CMT outlet mass flow

圖2 CMT平衡管線流量Fig.2 CMT balance line mass flow

當(dāng)水裝量減少至冷段開始空化，通過PBL流向CMT頂部的流體不再是液體，而變?yōu)檎羝珻MT逐漸由水實體狀態(tài)向兩相狀態(tài)過渡；隨后，CMT內(nèi)形成液位并且逐漸降低；在CMT液位降低過程中，會觸發(fā)一系列低液位信號(低1～低6液位)。圖3給出了CMT水位。

圖3 CMT水位Fig.3 CMT water level

2.2 ADS噴放試驗

ADS第1到第3級閥門依次打開后，RCS系統(tǒng)壓力將迅速下降(見圖4)。

圖4 系統(tǒng)壓力Fig.4 RCS pressure

當(dāng)RCS系統(tǒng)壓力下降到當(dāng)前溫度對應(yīng)的飽和壓力時，飽和水閃蒸，一方面，它將會減緩RCS壓力下降的趨勢，另一方面，它將會使大量的水涌入穩(wěn)壓器，使穩(wěn)壓器水裝量增多。此后，由于RCS系統(tǒng)持續(xù)卸壓，流體將會達到飽和狀態(tài)，穩(wěn)壓器內(nèi)的液體不斷閃蒸，穩(wěn)壓器水裝量逐漸減小(見圖5)。

圖5 穩(wěn)壓器水位Fig.5 Pressurizer water level

圖6給出了ADS閥門噴放流量。RCS系統(tǒng)壓力繼續(xù)下降至低于SG壓力2.068 MPa時，SG PORV閥將開啟以保護傳熱管(見圖7)，它將會使SG二次側(cè)卸壓。當(dāng)全部ADS閥門關(guān)閉時，開始關(guān)閉SG PORV閥，那時試驗將結(jié)束。

圖8至圖10給出了冷熱段溫度和歸一化堆芯入口流量，由于試驗中PXS系統(tǒng)不動作，因此不考慮對DVI管的沖擊。

圖6 ADS流量Fig.6 ADS mass flow

圖7 SG PORV流量Fig.7 SG PORV mass flow

圖8 熱段溫度Fig.8 Hot leg temperature

圖9 冷段溫度Fig.9 Cold leg temperature

圖10 歸一化堆芯入口流量Fig.10 Normalized core inlet mass flow

2.3 合并試驗

程序模擬中，ADS觸發(fā)信號產(chǎn)生后打開CMT出口隔離閥，當(dāng)所有ADS1-3閥門依次全開后，鼓泡器在全流量下試驗時間持續(xù)10 s，然后操縱員按相反的開啟順序逐個關(guān)閉ADS隔離閥(即從ADS第3到第1級依次關(guān)閉)，只保留一列ADS第1級閥門打開，直到CMT水位達到低6液位整定值。當(dāng)試驗過程中SG二次側(cè)壓力高于RCS壓力2.068 MPa時，將打開SG PORV閥，以保護傳熱管。該試驗將通過關(guān)閉CMT出口隔離閥、SG的PORV閥和ADS第1級控制閥終止。分析中不模擬試驗結(jié)束后的電廠恢復(fù)操作。

當(dāng)ADS第1到第3級閥門依次打開(見圖11)，RCS系統(tǒng)壓力迅速下降(見圖12)，穩(wěn)壓器水裝量減少。RCS系統(tǒng)壓力下降到一回路溫度對應(yīng)的飽和壓力，飽和水閃蒸，一方面減緩了RCS壓力下降的趨勢，一方面使得大量的水涌入穩(wěn)壓器，穩(wěn)壓器水裝量增多。而在ADS閥門關(guān)閉后，進入波動管流量減少，穩(wěn)壓器水裝量減少。其現(xiàn)象與ADS噴放試驗類似。隨著ADS閥門完全關(guān)閉，CMT持續(xù)注射，穩(wěn)壓器水位上升(見圖13)。

圖11 ADS流量Fig.11 ADS mass flow

圖12 系統(tǒng)壓力Fig.12 RCS pressure

圖13 穩(wěn)壓器水位Fig.13 Pressurizer water level

圖14給出了CMT的出口流量，可見CMT在經(jīng)過180 s左右短暫的自然循環(huán)后，進入排水模式。與CMT排水試驗相比，可發(fā)現(xiàn)合并試驗由于ADS1-3級閥門依次開啟，噴放的RCS冷卻劑較多，CMT較早切換至排水模式，此時CMT出口溫度較低，流量較大，相比CMT排水試驗對設(shè)備的沖擊更極限。

上述結(jié)果表明，合并試驗既驗證了ADS對RCS的卸壓能力，也驗證了CMT從再循環(huán)切換到排水模式的能力。即，從熱工水力現(xiàn)象模擬的角度出發(fā)，CMT排水試驗和ADS試驗這兩個獨立的試驗可以合并為一個試驗。

圖14 CMT出口流量Fig.14 CMT outlet mass flow

圖15至圖18給出了合并試驗冷熱段溫度、RCS壓力、DVI管壓力和歸一化堆芯入口流量。考慮到冷段溫度在500～800 s之間溫度變化較大(這可能是CMT中較冷的水注入冷段引起的)，可能對設(shè)備帶來較大沖擊。若采取合并試驗的方法，可通過提高CMT初始水溫的方法，減少對設(shè)備的沖擊。

圖15 冷段溫度Fig.15 Cold leg temperature

圖16 熱段溫度Fig.16 Hot leg temperature

圖17 系統(tǒng)壓力及DVI管壓力Fig.17 RCS pressure and DVI pressure

圖18 歸一化堆芯入口流量Fig.18 Normalized core inlet mass flow

將合并試驗CMT初始水溫提高至CMT再循環(huán)試驗結(jié)束時中部元件溫度204.4 ℃，冷段溫度將不再出現(xiàn)較大波動(見圖19)。

圖19 冷段溫度Fig.19 Cold leg temperature

3 結(jié)論

綜上所述，合并試驗既驗證了ADS對RCS的卸壓能力，也驗證了CMT從再循環(huán)切換到排水模式的能力。即，從熱工水力現(xiàn)象模擬的角度出發(fā)，CMT排水試驗和ADS試驗這兩個獨立的試驗可以合并為一個試驗。

通過合并計算的模擬分析可以發(fā)現(xiàn)冷段溫度在500～800 s之間溫度變化較大，該溫度波動可能對設(shè)備帶來較大沖擊。若采取合并試驗的方法，可通過提高CMT初始水溫的方法，減少對設(shè)備的沖擊。計算結(jié)果表明，將CMT初始水溫提高至204.4 ℃，RCS冷段與熱段最大溫差將大大降低，且CMT出口溫度較高，該方案將極大地減少合并試驗可能導(dǎo)致的設(shè)備沖擊。