三種類型壓水堆核電廠化容系統(tǒng)對比分析

張博

摘要：本文選取主流的CPR1000、WWER-1000和AP1000三類百萬千瓦級壓水堆核電廠的化容系統(tǒng)，對其在執(zhí)行容積、化學(xué)和反應(yīng)性方面的控制模式進行分類說明，尋找各自在化學(xué)添加、設(shè)備布置、可靠性設(shè)計等方面的特點。通過比較分析，展現(xiàn)出各類化容系統(tǒng)的優(yōu)勢和不足之處，突出展現(xiàn)AP1000化容系統(tǒng)基于非能動和“做減法”的設(shè)計理念。最后，借鑒其他化容系統(tǒng)，給出了CVS系統(tǒng)的改進意見。

關(guān)鍵詞：核電廠 AP1000 化容系統(tǒng) 化學(xué)控制 容積控制

Abstract： In this paper， it selects three types of chemical and volume control systems on mainstream PWR nuclear power plants including CPR1000， WWER-1000 and AP1000. Firstly it describes the control modes of these systems in the volume， chemical and reactivity controls. Then， it finds out their own characteristics in chemical adding， equipment layout and reliability design. Through comparative analysis， it shows the advantages and disadvantages of various chemical and volume systems， and highlights the design concept of AP1000 chemical and volume system based on passive and "subtraction". Finally， based on other chemical and volume systems， the improvement suggestions of CVS system are given.

Key Words： Nuclear power plant; AP1000; Chemical and volume control system; Chemical control; Volume control

現(xiàn)階段我國主流百萬千瓦級壓水堆核電涵蓋了CPR1000、WWER-1000和AP1000等堆型。各堆型在系統(tǒng)設(shè)計上相似性和差異性并存。化學(xué)和容積控制系統(tǒng)，作為核電廠一回路重要輔助系統(tǒng)，就是這方面的典型。本文選取CPR1000的RCV系統(tǒng)、WWER-1000的KBA系統(tǒng)、AP1000的CVS系統(tǒng)進行介紹，闡述共性，梳理特點，為提高核電廠化容系統(tǒng)運行水平提供參考。

1.系統(tǒng)描述和特點

1.1 RCV系統(tǒng)

RCV系統(tǒng)由下泄回路、凈化回路、上充回路、軸封水及過剩下泄五部分組成。還有一條低壓下泄管線和一條除硼管線。執(zhí)行化學(xué)、容積和反應(yīng)性控制，以及主泵密封水注入、輔助噴淋、過剩下泄、一回路充排水和水壓試驗、低壓下泄和凈化等功能[1]。系統(tǒng)特點：（1）設(shè)有容積控制箱作為一回路容積緩沖。超出緩沖能力時，由反應(yīng)堆硼和水補給系統(tǒng)供水，通過上充泵給一回路補水，并通過連接管線將水排向硼回收系統(tǒng)，穩(wěn)定穩(wěn)壓器水位在程控水位。（2）過剩下泄管線在正常下泄流道不能運行或主系統(tǒng)建立汽腔需要增大主系統(tǒng)排水的情況下，提供備用下泄流道。（3）pH控制采用純度為99.9%的7Li型氫氧化鋰。在機組啟動時向一回路冷卻劑注入聯(lián)氨除氧。正常運行時向容控箱充入氫氣來維持水中氫濃度，以抑制水輻照分解生成氧[2]。（4）RCV系統(tǒng)屬于低壓系統(tǒng)，必須通過兩次降壓將下泄流壓力從15.5MPa降至0.2—0.5MPa。為避免汽化，在降壓前要進行冷卻，這就需要對下泄流兩次降溫降壓。（5）RCV為主泵提供經(jīng)冷卻和過濾的、壓力高于一回路的軸密封水，既抑制了一回路水沿軸向外的泄漏，又潤滑、冷卻了軸封，防止軸封損壞，因此要求上充泵持續(xù)運行。（6）RCV系統(tǒng)具有3臺上充泵，正常運行時一臺運行，一臺備用，一臺處于解列狀態(tài)。設(shè)有雙機組間上充互補管線。在LOCA事故中，RCV上充泵作為高壓安注泵運行。

1.2 KBA系統(tǒng)

KBA系統(tǒng)接受1、4號環(huán)路的冷卻劑下泄流，并將上充流打入1、2、3、4號環(huán)路。與JNK、KBC、KBB、KBE等系統(tǒng)共同執(zhí)行一回路容積和化學(xué)控制、除氣和硼濃度調(diào)節(jié)、水壓試驗、主泵密封水注入、輔助噴淋、中壓安注箱充水及水質(zhì)調(diào)節(jié)等功能。

與歐美堆型化容系統(tǒng)相比，KBA在化學(xué)控制、凈化方式上具有不同之處，包括：（1）KBA下泄流在調(diào)節(jié)閥和節(jié)流孔板處降壓，采用兩級冷卻器冷卻。還設(shè)計有應(yīng)急下泄冷卻器，在正常下泄管線破裂或設(shè)備故障時冷卻下泄流。（2）一回路下泄流的凈化可由KBE和KBB系統(tǒng)內(nèi)的除鹽床提供。正常運行時由KBE凈化，使用高壓樹脂床（一臺陽床、一臺陰床和一臺混床）。KBB樹脂床屬于低壓樹脂床（一臺陽床、一臺陰床），在去除堿金屬和壽期末除硼時使用。（3）機組啟動時KBA向一回路添加聯(lián)氨除氧。正常運行時在一回路中添加氨水，通過氨水輻照分解產(chǎn)生氫控制冷卻劑中的氫濃度。pH控制采用KOH。向冷卻劑中添加氨離子和鉀離子的好處是對pH控制具有緩沖功能。一回路凈化系統(tǒng)中的陽樹脂是NH4-K型離子交換樹脂，正常功率運行時會進行氨鉀飽和。pH緩沖會自動進行：當冷卻劑中總堿金屬偏高時，由于K離子為強堿，意味著此時pH偏高。冷卻劑通過KBE陽床時，會破壞NH4-K平衡，把NH4離子洗出來，而NH4離子為弱堿，會使pH下降;同理，當冷卻劑中NH4離子含量偏高，此時pH偏低，冷卻劑通過KBE陽床，會把K離子洗出來，使pH提高。同時，還可人為改變冷卻劑中的氨濃度，破壞離子床中的NH4-K平衡調(diào)節(jié)pH。再配合未經(jīng)氨鉀飽和的KBE混床和KBB陽床除鉀離子的功能，實現(xiàn)全階段對堿金屬水平和pH的良好控制。（4）KBA系統(tǒng)整合了除氣功能。設(shè)有一臺熱力式除氣器接收一回路排水和主泵軸封組件冷卻回路疏水并除去其中的氫氣、氧氣及放射性惰性氣體。除氣器分離出的不凝性氣體進入廢氣處理系統(tǒng)。（5）KBA無容積控制箱，除氣器兼具容積控制箱功能，會根據(jù)水位信號充水或疏水，并為上充泵供水提供入口壓頭。在一回路水壓試驗時還可提供試驗水源。（6）KBA冗余度高的特點還體現(xiàn)在泵體配備上。系統(tǒng)有5臺上充泵和1臺液壓試驗泵，上充泵又分為3臺小流量上充泵和2臺大流量上充泵。小流量上充泵是在一回路密封性水壓試驗和中壓安注箱水壓試驗時提供壓頭;在小流量調(diào)硼工況下向一回路輸送硼酸溶液或者純水;補償一回路可控和不可控泄漏維持穩(wěn)壓器液位;根據(jù)事故信號向主泵獨立回路實施應(yīng)急噴淋保證主泵下部徑向軸承的冷卻。大流量上充泵是在啟動加熱工況和停堆冷卻工況下保證一回路冷卻劑的除氣;在大流量調(diào)硼工況下保證向一回路輸送硼酸溶液或者純水;補償一回路可控和不可控泄漏維持穩(wěn)壓器液位。水壓試驗泵可執(zhí)行一回路強度水壓試驗（24.5MPa）以及中壓安注箱充氮氣后的補水和水質(zhì)調(diào)節(jié)。

1.3 CVS系統(tǒng)

AP1000的化容系統(tǒng)（CVS）按照功能劃分，可分為凈化、補水、下泄、樹脂充排、鋅和氫氣注入以及輔助噴淋子系統(tǒng)。正常運行時，從反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)1號蒸汽發(fā)生器的主泵1B出口引出下泄流體，通過CVS系統(tǒng)再生熱交換器和下泄熱交換器降溫，經(jīng)除鹽床凈化過濾后，返回主泵1B吸入口;也可讓一部分凈化后的冷卻劑經(jīng)過降壓，排入液體放射性廢液系統(tǒng)。補水經(jīng)上充泵升壓返回主泵吸入口。

CVS是AP1000“做減法”設(shè)計的典型例子，主要特點有：（1）由于采用無軸封全屏蔽式主泵，取消了主泵軸封水管線，CVS系統(tǒng)不需保持連續(xù)上充和下泄流。（2）上充泵不用作高壓安注泵。在正常運行期間，根據(jù)穩(wěn)壓器液位信號間斷啟動補償一回路的正常泄漏[3]。取消硼酸補給泵和除鹽水輸送泵，采用三通閥將硼酸和除鹽水混合配出目標硼濃度的硼酸溶液[4]。（3）主泵壓頭作為凈化流的驅(qū)動力，采用高壓樹脂床，實現(xiàn)殼內(nèi)高壓凈化，無需上充泵參與。只需對下泄流降溫而不用降壓。（4）向一回路添加醋酸鋅以減少腐蝕，減少放射性劑量。運行期間使用鋅離子置換氧化膜中的鈷離子，使其跟隨冷卻劑流動，一部分進入下泄流在CVS里被除鹽床去除。（5）負荷跟蹤期間，功率調(diào)節(jié)和氙毒變化引起的反應(yīng)性補償均由控制棒完成。負荷跟蹤運行不需要調(diào)節(jié)硼濃度，降低了下泄流量。取消硼回收系統(tǒng)。在壽期末投入陽床除硼，避免由于稀釋產(chǎn)生大量廢液。通過控制冷卻劑中氫含量來抑制氧含量。采用高壓加氫，直接將17.24MPa的氫氣注入一回路，無容控箱[5]。

2對比分析

2.1系統(tǒng)特點對比

三類壓水堆化容系統(tǒng)特點對比如表1所示。

2.2 AP1000 CVS系統(tǒng)的改進

借鑒其他堆型化容系統(tǒng)，CVS系統(tǒng)可有以下改進方向。

（1）CPR1000為RCV系統(tǒng)提供了機組間上充互補管線，為上充泵增加額外補水源。可考慮給CVS上充泵入口添加管線和盲板，在事故時提供額外的廠外水源充注一回路。

（2）AP1000取消了硼回收系統(tǒng)，下泄流直接排向廢液系統(tǒng)，經(jīng)過濾、監(jiān)測后排放[6]。雖然負荷跟蹤不調(diào)硼，減少廢液量，但在電廠壽期內(nèi)日積月累的硼酸流失量依然十分可觀。可建立各機組共用的硼回收設(shè)施，從一回路廢液回收硼酸，提高經(jīng)濟性。

3結(jié)語

核電化容系統(tǒng)不斷發(fā)展，以上三類百萬千瓦級壓水堆化容系統(tǒng)均能保證各自機組安全運行。不同堆型的化容系統(tǒng)，可在保持各堆型設(shè)計理念的同時，相互借鑒，取長補短，持續(xù)優(yōu)化。

參考文獻

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