華龍一號安注箱注入特性優化研究

盛美玲，丘錦萌，唐 輝

(華龍國際核電技術有限公司，北京 100036)

安全注入系統是華龍一號機組最重要的安全系統，其主要功能是在一回路發生破口事故時，通過安注箱和安注泵向一回路應急注水實現應急堆芯冷卻。特別是在一回路大、中破口事故工況下，當一回路壓力降低至安注箱氮氣初始蓄壓時，安注箱內含硼水通過非能動方式快速充滿壓力容器下封頭，后續通過能動的安注泵將含硼水注入堆芯，實現堆芯淹沒和持續應急堆芯冷卻，最終達到可控狀態。

傳統安注箱在應對一回路破口時，主要是滿足大流量堆芯淹沒功能，然后依靠能動的低壓安注泵滿足長期階段的流量需求，若低壓安注泵不能有效注入一回路，堆芯將無法得到有效冷卻。為此，日本三菱公司和韓國APR1400分別提出了一種改進型的先進安注箱[1-3]，在大流量注入后過渡到小流量注入，可以延長安注箱的有效注入時間，從而優化低壓安注泵的功能要求，更進一步可能可以取消低壓安注功能，減少能動安全設施[4-5]。但這種先進安注箱的設計對水力學部件(阻尼器)的依賴性較高，且容積相對傳統安注箱較大，不利于反應堆廠房內的布置。

常規安注箱注入方式一般是通過每個環路的冷管段注入到壓力容器，該設計的主要缺點是當發生冷段破口時，直接導致一臺安注箱內含硼水無法有效注入堆芯。因此，采用壓力容器直接注入是應對上述缺點的主要措施，且采用直接注入方式，含硼水直接從壓力容器下降段注入堆芯，有效地完成再充水和再淹沒過程。在工程實踐上，AP1000機組就是通過直接注入管線連接到安注箱，實現了壓力容器直接注入的安注方式[6]。但與AP1000采用堆芯補水箱、安注箱、內置換料水箱等非能動執行應急堆芯注入的方式不同，華龍一號機組的設計采用能動設備執行安注功能，配置了中壓安注泵、低壓安注泵和安注箱執行應急堆芯注入的功能[7]，由于安注箱和安注泵的注入流量和持續時間相差較大，安注箱和安注泵的注入口一般單獨設置，即使合并為1條注入管線，也是在與一回路較近的位置進行合并，且注入管線管徑很大，才能同時滿足安注箱和安注泵的注入要求。

華龍一號機組安全注入系統優化方案之一是采用壓力容器直接注入的方式，安注泵和安注箱的注入管線合并，均通過直接注入管線連接至壓力容器，安注箱采用傳統安注箱的設計。通過這種優化改進，不僅減少安全注入系統與一回路或壓力容器的注入接口數量，在發生冷段破口事故時所有安注箱都能有效注入，又能充分利用安注箱可持續注入時間的延長以及中壓安注泵在低壓段的注入流量，取消獨立設置的低壓安注泵。

在安全注入系統優化改進的基礎上，本文針對華龍一號機組安注箱直接注入方式的注入特性進行研究，通過FLOWMASTER軟件建立模型，分別對安注箱下游的直接注入管線的阻力特性、安注箱容積和安注箱初始蓄壓進行敏感性分析，在滿足安全分析要求的基礎上，通過優化直接注入管線的管徑和布置長度、減小安注箱容積、合理選取安注箱初始蓄壓，優化安注箱的注入性能，提升安注箱的安全特性，降低對安注泵在低壓長期階段的容量需求，減少反應堆廠房布置空間。

1 模型建立

1.1 安注箱管線布置

安全注入系統的安注箱是利用氮氣加壓、充有含硼水的容器，位于反應堆廠房內，通過直接注入管線連接至壓力容器，直接注入管線與壓力容器的接管和安注箱出口之間的高度差為8 m，注入管線上串聯布置了1臺常開隔離閥和兩臺止回閥，隔離閥采用阻力較小的閘閥[8]。安注箱出口至壓力容器之間共布置了3個三通、6個彎頭、1個大小頭，安注泵的注入管線連接至安注箱注入管線大小頭的下游。安注箱至壓力容器之間的注入管線布置如圖1所示。

圖1 安注箱注入管線布置示意圖

1.2 建立模型

利用FLOWMASTER對核電站的流體系統進行模擬計算，較為精確地分析系統壓力、流量、流速、溫度等參數，用于指導系統優化設計、解決電站調試問題。FLOWMASTER已在核電站設計中得到廣泛應用，根據工程實踐和調試數據對比，能完全模擬實際的系統運行情況[9-10]。

本文根據華龍一號安全注入系統布置參數建立單臺安注箱注入管系的FLOWMASTER模型，如圖2所示。其中安注箱內的含硼水按不可壓縮的常物性流體處理，安注箱上部氮氣采用理想氣體的可壓縮模型，壓力容器采用壓力源進行模擬。安注箱至大小頭之間的管線管徑選取DN300，大小頭至壓力容器之間的管線管徑選取DN150，安注箱初始蓄壓為5 MPa(絕對壓力)，安注箱容積為65 m3[11]。安注箱至第一道止回閥之間的管線外徑為323.9 mm，壁厚為12.7 mm；第一道止回閥至大小頭之間的管線外徑為323.9 mm，壁厚為28.58 mm；大小頭至壓力容器之間的管線外徑為168.3 mm，壁厚為18.26 mm。根據系統管道的阻力計算方法[12]，閘閥的局部阻力特性等效為管道長度時約為15倍的管道直徑，止回閥的局部阻力特性等效為50倍的管道直徑，彎頭和三通的阻力特性等效為15倍的管道直徑。

圖2 安注箱注入模型

2 安全分析要求

華龍一號安全注入系統發生大破口事故最為惡劣，根據安全分析要求，該事故工況下單臺安注箱需要注入的流量要求如圖3所示。根據上述安注箱注入模型，可計算得到安注箱的注入流量與注入時間的關系，同樣示于圖3。由圖3可知，華龍一號安全注入系統采用壓力容器直接注入方式，安注箱的注入流量和可持續注入時間滿足安全分析的要求，僅用中壓安注泵即可滿足低壓安注的注入需求，可取消獨立設置的低壓安注泵。

圖3 安注箱注入流量與注入時間的關系

3 敏感性分析

安注箱和安注泵采用壓力容器直接注入的方式，可提高安注箱的有效注入性能、簡化安注泵的配置，達到優化安全注入系統的目的。安注箱的注入特性既與注入方式有關[6]，也與安注箱出口注入管線阻力特性、安注箱容積和初始蓄壓等因素有直接關系，本文針對安注箱下游的直接注入管線的阻力特性、安注箱容積和安注箱初始蓄壓進行敏感性分析，為進一步優化安注箱和安注泵的設計提供依據。

3.1 直接注入管線阻力特性

結合目前工程實踐的安注箱設計，安注箱下游注入管線管徑通常選取DN300，以實現快速淹沒堆芯的功能。對于華龍一號安全注入系統的優化方案中，安注箱下游注入管線管徑也選取DN300，僅優化安注箱與安注泵共用管線的管徑，通過最小改進實現系統的功能，即對大小頭下游的管線管徑進行阻力特性敏感性分析。

壓力容器直接注入管線的管徑受到壓力容器強度要求和堆坑布置空間的限制，本文對大小頭下游的直接注入管線選取公稱直徑為DN200、DN150、DN125進行敏感性分析。分析時其他參數如下：安注箱初始蓄壓為5 MPa(絕對壓力)，安注箱容積為65 m3，根據管線布置參數和管件阻力特性的等效長度，大小頭下游的直接注入管線等效長度為9 m。不同直接注入管線管徑下安注箱注入流量與注入時間的關系如圖4所示。

圖4 不同直接注入管線管徑下安注箱注入流量與注入時間的關系

由圖4可知：直接注入管線管徑選取較小時，直接注入管線的阻力增大，可以延長安注箱的注入時間，但注入峰值流量下降，無法滿足快速淹沒堆芯的要求；直接注入管線管徑選取較大時，直接注入管線的阻力較小，安注箱注入峰值流量增大，但會減少安注箱的可持續注入時間，無法滿足緩解低壓安注容量的要求。

管線阻力特性不僅與管線管徑有關，還與實際布置的管線長度有關。當管線管徑不變時，管線長度越長，管系阻力越大，安注箱可持續注入時間越長；管線長度越短，管系阻力越小，安注箱注入峰值流量越高。因此，結合圖4的注入特性曲線，大小頭下游的直接注入管線選取DN200的管徑時需要增加管線長度，以降低注入峰值流量，延長安注箱注入時間；對于管徑選取DN125時，需要減小管線長度，以縮短安注箱注入時間，同時增加注入流量峰值。本文針對大小頭下游的直接注入管線選取DN200、DN150、DN125時，進行管線長度的敏感性分析，計算得到3種不同的管徑對應不同的管線長度，安注箱注入流量與直接注入管線管徑和長度的關系如圖5所示。

圖5 安注箱注入流量與直接注入管線管徑和長度的關系

由圖5可知，為滿足安全分析的要求和盡量減少改進范圍，華龍一號安注箱直接注入管線大小頭上游管線管徑選取DN300，大小頭下游管線可根據布置空間、壓力容器強度等因素選取3組不同的管徑和等效長度，即大小頭下游直接注入管線管徑選取DN150時，管線等效長度布置在9 m左右；大小頭下游直接注入管線管徑選取DN200時，管線等效長度布置在22 m左右；大小頭下游直接注入管線管徑選取DN125時，管線等效長度布置在4 m左右。

3.2 安注箱容積

安注箱布置在反應堆廠房，安注箱的容積不僅影響安注對緩解事故的作用[13]，也直接影響反應堆廠房的空間和尺寸，因此有必要對安注箱的容積進行敏感性分析，以便選取最優的安注箱容積，優化反應堆廠房布置。本文對安注箱容積選取65、60、55、50 m3進行敏感性分析，同時安注箱初始蓄壓設計為5 MPa(絕對壓力)，大小頭下游的直接注入管線管徑為DN150、等效長度為9 m。安注箱注入流量與安注箱容積的關系如圖6所示。

圖6 安注箱注入流量與安注箱容積的關系

由圖6可知，在安注箱初始蓄壓不變的情況下，安注箱容積越大，含硼水的體積越大，安注箱可持續注入的時間越長，對于事故分析越有利，但會增加反應堆廠房的布置難度。根據安全分析的要求，在安注箱初始蓄壓為5 MPa(絕對壓力)、大小頭下游的直接注入管線管徑為DN150時，華龍一號安注箱容積減小至55 m3，滿足安注箱的注入要求。通過壓力容器直接注入的方式及合理選取管線管徑和安注箱容積，傳統安注箱也可發揮類似先進安注箱的注入功能，同時，傳統安注箱的容積與先進安注箱的容積相比較小[14-15]，更有利于節省反應堆廠房的布置空間。

3.3 安注箱初始蓄壓

安注箱向一回路注入時，流量先增后減主要是因為一回路的壓力快速下降引起安注箱與一回路的壓差先大后小[16]，安注箱的初始蓄壓直接影響安全注入的流量峰值。安注箱的初始蓄壓由壓縮氮氣維持，氮氣來自于核島氮氣分配系統，因此安注箱的初始蓄壓受到核島氮氣分配系統的限制。本文針對安注箱的初始蓄壓進行壓力譜分析，得到不同蓄壓下安注箱的注入特性曲線，如圖7所示。安注箱注入峰值流量和可注入時間與初始蓄壓間的關系如圖8所示。

圖7 安注箱注入特性與安注箱初始蓄壓的關系

圖8 安注箱注入峰值流量和可注入時間與安注箱初始蓄壓的關系

由圖7可知：在安注箱容積為65 m3、大小頭下游直接注入管線管徑選取DN150時，安注箱的初始蓄壓設置在4.5～6 MPa(絕對壓力)之間，均滿足安全分析的注入要求。安注箱內初始蓄壓較高時，安注箱注入流量較大，導致安注箱中的水過早過多地排空，安注箱內過多的含硼水注入堆芯之后，會通過一回路破口流向安全殼，不僅削弱了安注的效果，還增加了安全殼內的質能釋放量；安注箱內初始蓄壓較低時，安注箱注入時間雖長，但在一回路破口事故中注入堆芯的流量不足，會造成堆芯裸露。由圖8可知，安注箱注入峰值流量和可注入時間與初始蓄壓之間并非線性關系，需根據具體布置參數和系統設計進行詳細計算，以便得到安注箱最優的注入性能。華龍一號安全注入系統在安注箱容積設計為65 m3、大小頭下游直接注入管線管徑選取DN150時，安注箱的初始蓄壓選取4.5 MPa(絕對壓力)，既可滿足注入流量的要求，又可有效延長安注箱的注入時間，進一步降低安注泵在低壓長期階段的流量需求。

4 結論

本文通過FLOWMASTER建立華龍一號安注箱壓力容器直接注入管系模型，對一回路破口事故工況下的注入特性進行分析，在滿足事故分析的基礎上，通過對安注箱注入管系參數、安注箱容積和蓄壓的優化，可進一步降低對安注泵的注入要求和節省反應堆廠房內的布置空間。本文所得結論如下。

1)在安注箱初始蓄壓為5 MPa(絕對壓力)、容積為65 m3時，大小頭下游直接注入管線管徑選取DN150可滿足安全分析的要求；針對大小頭下游直接注入管線選取DN200或DN125的管徑時，通過合理的管線布置，也可得到滿足安全分析要求的管線參數。

2)在安注箱初始蓄壓不變的情況下，華龍一號安注箱的容積選取55 m3滿足注入要求。與先進安注箱相比，通過壓力容器直接注入的方式及合理選取管線管徑，傳統安注箱不僅可發揮類似先進安注箱的注入功能，較小的容積也有利于節省反應堆廠房的布置空間。

3)安注箱內初始蓄壓較高會導致安注箱注入峰值過高，過早的排空，削弱了安注的效果；初始蓄壓較低，可能在一回路破口事故中注入流量不足，造成堆芯裸露。華龍一號安注箱的初始蓄壓選取4.5 MPa(絕對壓力)，既可滿足安全分析的要求，又可延長安注箱的注入時間，進一步降低安注泵在低壓長期階段的流量需求。