乏燃料水池冷卻泵倒換操作優化

羅 泳，盧 昀，趙智超

（中核核電運行管理有限公司 運行四處，浙江 海鹽 314300）

0 引言

核電廠反應堆換料水池、乏燃料水池冷卻和處理系統（以下簡稱PTR 系統）是為燃料廠房的乏燃料水池和反應堆廠房的反應堆換料水池服務的。PTR 系統主要功能為保證乏燃料元件貯存池的持久冷卻以及反應堆換料水池的注水、排水和凈化[1]。本文主要研究的是涉及PTR 系統，保證儲存在乏燃料水池（以下簡稱乏池）中的受輻照后的燃料組件的冷卻功能。其冷卻功能的實現由系統中設置的兩臺100%容量的乏燃料冷卻水泵、兩臺100%容量的熱交換器以及相應的管道閥門等完成的[2]。PTR 系統乏燃料水池冷卻部分系統簡圖如圖1 所示。

圖1 PTR系統乏燃料水池冷卻部分系統簡圖Fig.1 Schematic diagram of the cooling part of the spent fuel pool in the PTR system

乏燃料水池的水通過浸入水下的管道，打開閥門PTR001VB 進入泵PTR001PO 或PTR002PO 的吸入口，經熱交換器PTR001RF 或PTR002RF 冷卻，再經過PTR024VB、PTR010VB 返回水池。正常運行時，都是經泵PTR001PO，熱交換器PTR001RF 這個系列，流量為360m3/h（其中，60m3/h 的流量通過除鹽過濾回路）；另一系列的泵PTR002PO，熱交換器PTR002 RF 作為備用。乏燃料水池的凈化是利用跨接在冷卻水泵（PTR001PO 或PTR002PO）進出口兩端的凈化回路進行的，凈化回路由過濾器和除鹽器組成。進口過濾器去除水中的顆粒狀雜質（＞5μm），出口過濾器防止碎樹脂進入系統，由除鹽器去除離子狀態的腐蝕雜質和裂變產物[2]。

乏燃料水池水溫的運行控制標準是小于50℃。乏燃料水池水溫保持在50℃以下，可使PTR 系統正常運行，防止乏燃料水池中的水過多地蒸發，以及增大水蒸發的余量，一旦乏燃料冷卻功能不能得到保證，必須立即采取補救措施。另一方面，乏燃料水池全部失去冷卻或溫度超過50℃，將影響碘捕捉器的效率（碘捕捉器運行的極限溫度為60℃）[2]。碘捕捉器用于在發生燃料裝卸料事故時，防止放射性物質向廠房外釋放。此外，用于乏燃料水池凈化的樹脂的溫度上限為60℃，超過60℃必須切換凈化回路以避免損壞除鹽床中的樹脂。

乏燃料水池中的溫度受到PTR 系統運行狀態的影響，同時也與乏燃料水池中貯存的乏燃料組件的多少有關。在兩次換料期間，若乏燃料貯存池中已有15/4 個堆芯，而又要進行壓力殼檢查時，將整個堆芯元件存入乏燃料水池中，便出現了15/4 個堆芯+一個整堆芯的情況。在最不利情況下，需要排的衰變熱為6692kW。在正常運行時，由一臺泵和一臺熱交換器來進行冷卻，以保持水池的最高溫度為60℃[4]。

日本福島核事故后，各國對乏池冷卻的可靠性提出了更高的要求。秦山核電二廠單元3、4 號機組的運行技術規格書對此乏燃料水池的冷卻以及乏燃料水池的溫度有嚴格限定。技術規范規定在乏燃料水池水溫超過50℃情況下，機組需要記錄一個隨機性的第一組I0，并且要求任何情況下乏池水溫不應大于60℃[5]。

由于機組狀態控制、定期試驗的需要，乏燃料冷卻泵（以下簡稱PTR 泵）時常要進行泵的倒換操作。泵的倒換操作參考電廠的經驗，采用的是先停止運行泵后，啟動備用泵的方式。這種切換方式已持續約10 年時間，10 年間按此種切換操作方式，乏燃料水池的水溫較50℃的要求裕量較大。但隨著乏燃料水池中存儲的乏燃料隨機組運行年限的增加而增加，乏燃料內的衰變熱隨之增加。特別是在大修期間，乏燃料水池中除存儲有乏燃料以外，還卸入了一個完整堆芯，此時乏池中的衰變熱相對較大。在這種情況下實施乏燃料泵的倒換，乏燃料水池水溫切換期間溫升也較大。如在某廠3 號機組OT308 的年度大修期間，在反應堆停堆后8 天時，以“先停運行泵后啟動備用泵”的方式執行乏燃料水池冷卻泵的切換操作。在正常切換操作持續的6min 內，乏池水溫U3PTR032MT 短時上漲至48℃，如圖2 所示。

圖2 OT308期間乏池水溫上升趨勢圖Fig.2 Trend of rising water temperature in the spent fuel pool during OT308

在隨后的309 大修期間，在反應堆停堆后12.5 天實施PTR 泵的切換，切換操作持續約3min 內，乏燃料水池的溫度U3PT032MT 從初始34.11℃上漲至38.202℃。通過兩次倒換操作的對比發現縮短切換過程中的停泵時間可顯著降低泵切換期間乏池溫升。基于上述理由，如能對現有PTR泵切換操作方式進行優化，實現泵切換由“先停后啟”到“先啟后停”的操作優化，將有利于提高PTR 泵倒換操作的安全性，如圖3 所示。

圖3 OT309期間乏池水溫上升趨勢圖Fig.3 Trend of rising water temperature in the spent fuel pool during OT309

1 操作優化可行性分析與驗證

為實現PTR 泵切換方式由“先停后啟”到“先啟后停”的操作優化，對操作方式改變后可能引入的風險進行了分析與討論。操作方式優化的風險主要有以下3 個方面：首先，兩臺PTR 泵并列運行導致的泵出口壓力上升，由此對PTR 系統安全運行的影響；其次，在泵停運瞬間，因停運泵的出口逆止閥不回座導致的停運泵反轉和入口超壓問題；此外，PTR 泵并列運行期間系統流量上升對除鹽床的影響也需要考慮。本文將從這3 個方面對PTR 倒換操作的可行性進行評估與驗證。

1.1 兩臺PTR泵并列運行導致泵出口壓力上升問題

為避免兩臺PTR 泵并列運行期間系統壓力上升可能導致的超壓問題，對PTR 系統各設備的設計壓力進行了校核。通過檢索確認PTR 冷卻回路熱交換器3PTR001RF 在PTR側設計壓力為1MPa，設備冷卻水側設計壓力為1.2Mpa；系統的膨脹節設計壓力為1.6MPa，系統中的閥門大部分設計壓力為1.6MPa，部分為2MPa。從設計壓力來看，熱交換器是最薄弱的，只要確保熱交換器處的壓力能滿足并列運行需要即可。另通過查詢熱交換器出廠記錄，熱交換器PTR 側打壓1.5MPa。根據PTR 泵的性能曲線，選擇其出口壓力最高的工況即泵零流量時出口壓力為0.9Mpa，低于熱交換器的設計壓力和打壓壓力。因此，兩臺泵短時并列運行并不會對系統的安全運行帶來影響。

1.2 停運泵的出口逆止閥不回座導致的停運泵反轉和入口超壓問題

PTR 泵倒換時兩臺泵并列運行后，停運一臺PTR 泵。如停運泵的出口逆止閥不嚴密，將導致運行泵的出口壓力直接引至泵入口，引起泵入口壓力上升或者停運泵反轉。為避免泵入口超壓，泵入口管線段設置有安全閥，動作壓力為0.2Mpa。系統日常運行入口壓力為0.175Mpa 左右，與安全閥動作值接近。根據電廠以往的運行經驗，曾發生過逆止閥關閉不嚴疊加入口憋壓，導致泵入口超壓安全閥動作的問題。為避免入口段超壓，一方面要提高逆止閥回座的成功率，另一方面需要避免泵入口的憋壓。要避免泵入口憋壓，只需保證切換過程中始終將泵入口連接在乏池，利用乏池水的開式的特點維持入口壓力穩定。為避免逆止閥不嚴導致的反轉，在PTR 泵倒換過程中可保守考慮將待停運泵的出口閥關閉。通過上述兩方面措施，可避免停運泵逆止閥不回座引發的泵反轉或泵入口超壓問題。

1.3 泵并列運行期間除鹽床超流量問題

在兩臺PTR 泵出口并聯有除鹽床回路，其流量通過手動流量調節閥設定在60m3/h 左右。兩臺泵并列運行期間壓力上漲，將導致通過除鹽床的流量增加。通過除鹽床的流速增加有可能導致除鹽床的樹脂被沖出，為防止除鹽床樹脂沖出，系統現有設計已有冗余設防。比如，除鹽床內設置有濾斗防止樹脂沖出；除鹽床后設置有過濾器，保證捕捉被沖出的碎樹脂，以避免進入乏燃料水池。鑒于樹脂沖出后，要去除進入乏池的樹脂比較困難。保守起見，在泵倒換前將除鹽床隔離，泵倒換完成后，恢復除鹽床回路運行。

1.4 泵先啟后停倒換方式驗證試驗

為驗證泵“先啟后停”方式對乏池溫度的影響以及實際驗證操作可行性，編制了專門的驗證方案，對PTR 泵倒換“先啟后停”方式進行操作驗證。驗證時，乏池的除鹽床不切除以觀察泵出口壓力增加對除鹽流量的影響。初始停運PTR 泵啟動后，出口閥開度保持在30%開度以及待停運泵的出口閥在泵停運前關閉，以防停運泵反轉。驗證期間記錄的數據見表1。

表1 PTR泵“先啟后停”驗證運行期間參數記錄表Table 1 Parameter record of PTR pump during "start stop" verification operation

PTR 泵“先啟后停”倒換操作過程中，乏池冷卻流量從初始300m3/h 上漲至并列運行期間的409m3/h；乏池溫度切換過程中溫度上漲幅度較小，只有約0.3℃，實現了優化操作的預期目標。

PTR 泵“先啟后停”倒換操作過程中，PTR 泵入口壓力保持在0.175MPa 左右，泵入口超壓問題沒有發生；PTR泵出口壓力在兩臺泵并列運行期間最高，記錄的壓力值為0.88Mpa。此壓力低于熱交換器PTR001RF 的PTR 側設計壓力，所以PTR 泵“先啟后停”方式下系統壓力未超過系統要求值，符合預期目標。

PTR 泵“先啟后停”倒換操作過程中，除鹽床流量從初始60m3/h 最大增加到81.2m3/h，超過了系統手冊推薦的除鹽流量值。同時，因除鹽流量增加引起除鹽床壓差的增加，除鹽床壓差值由初始的134Kpa 上漲到220Kpa。因此，為避免對除鹽床運行造成影響，在正式的操作規程中，在PTR 泵倒換操作前先將除鹽床回路隔離，倒換結束后恢復到初始流量。

PTR 泵兩臺泵并列運行期間對泵的振動情況進行了監測，圖4、圖5 是兩臺泵運行期間測振記錄表明振動沒有明顯變化，振動值最高點為2.6mm/s，遠低于國標4.5mm/s的要求。泵運行期間，維修部門、技術部門和運行部門共同對PTR 泵的運行情況進行了現場檢查，檢查情況表明，并列運行對泵的運行未產生不利影響。同時并列運行持續時間在10min 以內，時間較短，并列運行對泵的影響較小。

圖4 PTR001PO運行期間振動參數Fig.4 Vibration parameters during PTR001PO operation

圖5 PTR002PO運行期間振動參數Fig.5 Vibration parameters during PTR002PO operation

通過表1、圖4、圖5 的數據分析表明：①PTR 泵“先啟后停”倒換方式能有效降低乏池切換期間的溫升；②PTR泵“先啟后停”倒換方式未對系統運行產生不利影響。

操作驗證結束后，對運行操作票進行了升版，正式將PTR 泵的倒換方式從原“先停后啟”方式改為“先啟后停”方式。操作票升版后，實施的多次PTR 泵倒換操作均證明了操作改進的有效性，也未發現對系統的運行造成任何不利影響。特別是在電廠OT409 大修期間，在卸料后第6天，此時乏池內衰變熱相對較大的情況下，按優化后的操作方式，PTR 泵倒換期間乏池溫度從初始37.619℃上漲至38.149℃，僅上漲0.53℃。

2 結論

通過實施PTR 泵倒換方式由“先停后啟”改為“先啟后停”的優化改進方案，能有效降低PTR 泵在倒換期間乏池的溫升幅度，提升了乏池冷卻的可靠性，提升了運行操作的安全性。同時，多次優化后的多次切換操作結果表明，優化后的操作不會對系統自身的安全運行造成不利影響。綜上所述，鑒于核電廠對乏池冷卻方面的嚴苛要求，實施PTR 泵倒換方式優化是必要的、安全的，在采用類似設備配置的核電廠乏池冷卻系統中具有推廣應用價值。