某核電機組一回路升溫期間安注管道異響事件分析

任文星,孫景義,周興強,郭廣富

(上海核工程研究設計院有限公司調試中心,上海200233)

一回路水壓試驗是全面檢驗核電廠一回路壓力邊界的重要試驗,在升壓之前需要對邊界內系統進行升溫以確保整個試驗期間邊界內的溫度高于管道/設備韌脆轉變溫度,通常由主泵提供升溫所需的熱量。

某核電廠在某次水壓試驗期間,首次嘗試采用將堆芯補水箱與一回路共同升溫的操作,隨著堆芯補水箱出口閥門的開啟,安注管線三通附近管道內傳出間斷性的巨大異響,聲源不固定。將堆芯補水箱與一回路隔離之后,異響消失。

為探究此現象的原因,本文將從系統布置、流體分析、設備結構入手,通過流阻計算進行分析,并提出堆芯補水箱合適的升溫策略,為后續CAP1400水壓試驗提供借鑒。

1 系統布置

AP1000采用兩環路布置,如圖1所示。每一環路包含一臺蒸汽發生器,兩臺變頻主泵,有23.6%、50%、88%、100%四個轉速平臺。

圖1 AP1000主回路及CMT布置示意圖Fig.1 AP1000 primary loop&CMT layout

堆芯補水箱(CMT)位于二環路,通過一根8"的平衡管與二環路的兩條冷段相連接,出口經安注管線(DVI)進入反應堆壓力容器(RV)。

在系統正常運行期間,CMT內部充滿常溫含硼水,其入口電動閥常開,出口兩個氣動閥常關,在收到安注信號(如安全殼壓力高-2,穩壓器壓力低-3,主蒸汽管線壓力低-2,冷段溫度低-2,穩壓器液位低-2等)后,出口氣動閥打開,同時觸發跳主泵,在熱密度壓頭驅動下,進行自然循環,實現其高壓安注功能。

2 原因分析

2.1 穩態分析

以單獨一個CMT為例,計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型示意圖Fig.2 Calculation model

在CMT出口閥開啟之前,4臺主泵以50%轉速運行,流體在主泵的驅動下,從冷段流入壓力容器,經下部堆內構件底部流量分配板進入堆芯,再從熱段返回蒸汽發生器腔室,經傳熱管返回主泵入口。根據伯努利方程:

式中:P1——CMT入口處(A點)壓力;

v1——A點處流體流速;

ρ——介質(除鹽水)密度;

P2——CMT出口處(B點)壓力;

v2——B點處流體流速;

ΔP——A點與B點之間壓損。

ΔP包含三部分:(1)A點到E點的壓降ΔPL;(2)冷段出口管嘴的壓損ΔPN;(3)冷段與DVI管線之間介質的靜壓PEB。

結合達西公式,A點到E點的壓降ΔPL為:

式中:f——摩擦因子;

L/D——損失因子。

AP1000計算中將fL/D表征為無量綱阻力系數K。

冷段至RV出口管嘴結構如圖3所示。

圖3 冷段管嘴結構Fig.3 Size of the cold leg nozzle

經過管嘴的壓損ΔPN為:

式中:η=f(h/D1,α,r/D1),數值根據參考文獻[4],查表可得。

冷段與DVI管嘴之間介質的靜壓PEB為:

式中:h1——冷段中心線標高;

h2——DVI管嘴中心線標高;

g——重力加速度。

假設兩個環路的4條冷段流量分配完全均勻,忽略堆芯吊籃筒體外壁中子屏蔽板的體積,則:

式中:Q——單臺主泵100%轉速時流量;

D1——冷段內徑;

D2——壓力容器內壁直徑;

D3——堆芯吊籃筒體外徑。

將相關參數(見表1)代入上面等式,可以得出A、B兩點之間的壓差P1-P2=-15.59 k Pa。表明如果此時打開CMT出口閥門,將無法建立正向流動(從冷段經平衡管、CMT進入DVI管嘴)

表1 相關參數Table 1 Parameters

2.2 反向流分析

根據上述分析,如果此時打開CMT出口氣動閥,則水會從DVI管嘴流向CMT,再由CMT頂部管線流入冷段,建立起反向流(圖2中虛線箭頭所示)。

假設止回閥保持全開狀態,則壓頭損失HLR、反向流的流量QR、管系流阻R存在如下關系:

式中:f——摩擦因子;

L/D——損失因子;

d——管道內徑。

注:AP1000流阻R的定義與其他核電廠不同單位為ft/gpm2。

R包含兩部分:CMT出口至RV管線流阻和CMT頂部平衡管線流阻。這兩段管道流阻分別在PXS開蓋流道試驗和PXS扣蓋流道試驗中進行了測量,試驗結果如圖4所示。

圖4 CMT A管系流阻Fig.4 Resistance of CMT A

選取PXS流阻試驗結果,不同主泵轉速工況下反向流量計算結果對比如下(見表2)。

表2 不同轉速平臺對比Table 2 Comparison of different speed platforms

可以看出此工況下,僅當主泵轉速為23.6%時,能夠建立起正向流量,轉速在50%及以上時,則會產生反向流,且主泵轉速越高,流量越大。

2.3 設備結構分析

CMT出口選用了管嘴式止回閥,其安裝方式為焊接,閥芯無法單獨拆除。結構如圖5所示。

圖5 CMT出口止回閥Fig.5 CMT outlet check valve

正常運行期間,該閥處于常開位置,閥體內部彈簧處于拉伸狀態,閥瓣緊靠在內部導流體上,當有反向流體通過時,推動閥瓣向關閉方向移動,其關閉流量為110 m3/h。

2.4 小結

根據上文計算,可以得出:在4臺主泵以50%轉速運轉時,CMT內部可以產生起反向流,反向流量QR=99.42 m3/h,小于閥門關閉流量,但會推動閥瓣向關的方向移動,進而流量下降,此時彈簧拉力重新占據主導作用,閥門向開的方向移動,反向流量又增大。在反向流和閥體內部彈簧的共同作用下,造成止回閥閥瓣往復運動,對管道介質造成強烈擾動,引起水錘,作用于管道三通附近,產生異響。

異響發生時,現場架設的超聲波流量計顯示為±30 m3/h左右,與推論基本吻合。

3 改進方案

經過上述分析,可知通過主泵強迫循環對CMT加熱的策略不可行,改進方案如下。

方案一:先加熱一回路,停運主泵后利用自然循環對CMT進行加熱。但是在一回路水壓試驗期間,CMT和一回路溫差較小(小于40℃),遠低于自然循環工況設計溫差(約250℃)。在不引入新的熱源條件下,通過自然循環流量很小,達到等溫條件需要時間很長,工程代價巨大,此方案不可行。

方案二:將CMT從一回路隔離,在CMT補水路徑上設置臨時電加熱器,對CMT補充所需溫度的熱水,之后對CMT單獨進行水壓試驗。該方案經濟性較好,對現場工期影響最小。現場實踐表明,該方案可行。

4 結論

本文通過流體計算,結合系統、設備結構分析,在CMT與一回路聯通的條件下,4臺主泵50%轉速運行時,CMT出口與進口之間存在15.59 k Pa的反向差壓,無法建立正向流動。結果表明:

(1)通過主泵對CMT連同一回路共同升溫的做法,將會導致水錘的發生,產生異響,該升溫策略是不可行的;

(2)后續機組建議將CMT與一回路隔離,通過臨時電加熱器進行升溫,并單獨進行水壓試驗。