朱達睿

(中國核電工程有限公司,浙江 海鹽 314300)

由于核電安全性要求的提高,新研發(fā)堆型在原有設(shè)計基礎(chǔ)上引入非能動理念。目前在二回路增加非能動余熱排出系統(tǒng)的堆型分別有中國設(shè)計的AC600、“華龍一號”(HPR1000),韓國設(shè)計的APR1400、SMART一體化堆,俄羅斯設(shè)計的KLT-40S浮動式發(fā)電機組[1]。

在上述堆型的二回路非能動排熱設(shè)計中,冷卻方式主要分為水冷和風(fēng)冷兩種。風(fēng)冷的代表堆型為AC600,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。水冷的代表為 “華龍一號”及APR1400,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。目前在役及在建核電機組均采用水冷的設(shè)計方案,本文主要探討 “華龍一號”的二次側(cè)非能動余熱排出系統(tǒng) (PRS)。

1 系統(tǒng)簡介

PRS系統(tǒng)以水池作為最終熱阱導(dǎo)出堆芯余熱及設(shè)備儲熱。在發(fā)生全廠斷電事故且輔助給水系統(tǒng)汽動泵失效工況下,PRS系統(tǒng)投入運行,在冷卻劑壓力邊界設(shè)計條件內(nèi),通過蒸汽發(fā)生器導(dǎo)出反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)及各設(shè)備的儲熱,降低一回路的溫度和壓力,在一定時間內(nèi)維持反應(yīng)堆處于安全狀態(tài)[3]。

系統(tǒng)設(shè)置方面,每臺蒸汽發(fā)生器都對應(yīng)一列非能動余熱排出環(huán)路,每列換熱能力按照0.5%FP設(shè)計,即15.3 MW[3]。一個系列包括一臺熱交換器、兩臺應(yīng)急補水箱和一個換熱水箱以及相應(yīng)的溫度探頭、流量表及液位計。PRS從主蒸汽母管引出蒸汽,蒸汽管道在經(jīng)過一臺電動閥后分為兩路,一路連接換熱器,另一列連接補水箱。蒸汽在換熱器中凝結(jié)后通過凝水管線經(jīng)由主給水管道返回蒸汽發(fā)生器二次側(cè)。作為冗余備用,每條凝水管線及補水箱出口管線分別設(shè)置兩列相互獨立的并聯(lián)電動隔離閥來提高系統(tǒng)可靠性。為避免機組正常向蒸汽發(fā)生器充水時給水通過凝水管道旁通,凝水管道在隔離閥下游設(shè)置止回閥。

為確保自然循環(huán)能盡快建立,PRS在布置上通過增大蒸汽管道與凝水管道的位差來提供更大的勢能。為提高熱量排出的持續(xù)時間,系統(tǒng)配置大容積的熱阱水箱并將換熱器布置在水箱底部。在換熱期間水箱內(nèi)部由于溫度分布不均勻形成冷、熱流體的對流,從而提高換熱效率。

圖1 風(fēng)冷式非能動設(shè)計示意圖Fig.1 The sche matic of air-cooled passive design

圖2 水冷式非能動設(shè)計示意圖Fig.2 The schematic of water-cooled passive design

2 系統(tǒng)運行分析

機組正常運行期間及設(shè)計基準(zhǔn)事故下,PRS系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài):PRS凝水管道隔離閥及應(yīng)急補水箱出口隔離閥處于關(guān)閉狀態(tài);其余閥門如蒸汽管道隔離閥、應(yīng)急補水箱出口隔離閥等閥門處于開啟狀態(tài);應(yīng)急補水箱液位維持在高水位和高高水位之間;熱阱水箱維持大于900 m3的水裝量。

2.1 系統(tǒng)啟、停方式

二次側(cè)非能動余熱排出系統(tǒng)啟動方式分為手動和自動兩種。手動啟動為主控制操縱員在主控室手動給出凝水管線相應(yīng)隔離閥的開啟命令實現(xiàn)系統(tǒng)投運;自動啟動為PRS系統(tǒng)自動啟動信號觸發(fā)后自動開啟A列或B列的凝水管線隔離閥及經(jīng)過設(shè)定的保持時間后開啟應(yīng)急補水箱的出口隔離閥。自動啟動信號的觸發(fā)條件有以下4種:

1)一臺蒸汽發(fā)生器的兩塊同列液位計出現(xiàn)低低液位報警并持續(xù)525 s;

2)一臺蒸汽發(fā)生器的兩塊同列液位計出現(xiàn)低低液位報警且主給水流量低并持續(xù)45 s;

3)三臺蒸汽發(fā)生器每臺均有兩塊同列液位計出現(xiàn)低低液位報警;

4)注入蒸汽發(fā)生器的輔助給水流量低。

在PRS系統(tǒng)自動信號出發(fā)后還會引起主蒸汽系統(tǒng)和輔助給水系統(tǒng)產(chǎn)生以下動作:

1)輔助給水汽動泵入口蒸汽管線隔離;2)主蒸汽管線隔離;

3)蒸汽發(fā)生器蒸汽管線疏水隔離;

4)主蒸汽旁通管線隔離。

在二次側(cè)非能動余熱排出系統(tǒng)投運后蒸汽從蒸汽發(fā)生器經(jīng)過主蒸汽管管道進入PRS系統(tǒng)蒸汽管道在換熱器中冷卻為液相進入凝水管線最終回到蒸汽發(fā)生器,由于蒸汽冷凝導(dǎo)致的體積收縮產(chǎn)生的抽吸作用使蒸汽不斷從蒸汽發(fā)生器充入PRS系統(tǒng),從而實現(xiàn)流體的自然循環(huán)。在PRS應(yīng)急補水箱向蒸汽發(fā)生器注水后,為避免蒸汽不經(jīng)過換熱器直接進入凝水管道返回蒸汽發(fā)生器,特設(shè)計在補水箱液位降到一定水位后補水箱出口隔離閥自動關(guān)閉的邏輯動作。

系統(tǒng)的停運只能在系統(tǒng)沒有自動啟動信號出發(fā)的條件下通過手動給出凝水管線上相應(yīng)隔離閥的關(guān)閉命令實現(xiàn)系統(tǒng)的停運。

2.2 系統(tǒng)運行特性分析

從熱源儲熱分析:在系統(tǒng)投入初期由于核回路儲熱較大,自然循環(huán)會迅速升高至一個較高的循環(huán)流量。隨著換熱的持續(xù)進行,一回路溫度和壓力會持續(xù)下降帶動蒸汽發(fā)生器二次側(cè)溫度、壓力下降,導(dǎo)致循環(huán)動力變小即循環(huán)流量變小。

從熱阱吸熱能力分析:試驗初期熱阱水箱水裝量最大、溫度最低,換熱能力最強,故PRS自然循環(huán)放熱量較大且能維持一定時間。伴隨熱阱水箱吸熱,水溫升高,沸騰換熱使部分水被蒸發(fā)排往大氣導(dǎo)致熱阱水箱水裝量減少,換熱能力進一步下降,故PRS自然循環(huán)放熱量變小。

通過從熱源和熱阱兩個方面的換熱分析,PRS自然循環(huán)完全建立后系統(tǒng)換熱量曲線應(yīng)在一段時間內(nèi)維持在系統(tǒng)的最大換熱量,而后隨著時間的推移逐漸降低;自然循環(huán)流量應(yīng)伴隨系統(tǒng)運行時間的增長而緩慢減小。換熱期間,若能對熱阱持續(xù)注入冷水補償蒸發(fā)損失、降低熱阱則可以使一回路參數(shù)進一步降低。

系統(tǒng)投運后蒸汽發(fā)生器二次側(cè)響應(yīng)分析:當(dāng)PRS系統(tǒng)投運時機組已經(jīng)緊急停堆,汽機停機。此時蒸汽發(fā)生器壓力上升,二次側(cè)被壓縮使水位快速下降,伴隨TSA泄壓、自然循環(huán)建立及應(yīng)急補水注入,蒸汽發(fā)生器壓力恢復(fù),水位回升。當(dāng)PRS系統(tǒng)穩(wěn)定投入后二次側(cè)參數(shù)變化與一回路保持一致。

2.3 系統(tǒng)運行方式的改進建議

通過前文對系統(tǒng)自動啟動信號觸發(fā)條件的闡述可知,蒸汽發(fā)生液位低低影響是PRS系統(tǒng)啟動的重要因素,每臺蒸汽發(fā)生器有4臺液位傳感器,其中2臺對應(yīng)PRS系統(tǒng)A列的設(shè)備,另2臺對應(yīng)B列,控制簡圖如圖3所示平均溫度。若在蒸汽發(fā)生器液位降低過程中4臺液位傳感器均觸發(fā)低低液位信號則會導(dǎo)致PRS系統(tǒng)A/B兩列同時投入運行,這種情況會導(dǎo)致自然循環(huán)過大,增大啟動初期對蒸汽發(fā)生器的冷沖擊;若出發(fā)低低液位信號的兩塊表為A、B列各一塊,此種狀態(tài)又會使系統(tǒng)投入時間延后,導(dǎo)致機組狀態(tài)在事故工況下進一步惡化。

圖3 自動啟動信號控制示意圖Fig.3 The sche matic of auto matic start up signal control

針對以上兩點,對系統(tǒng)自動投運控制邏輯基于以下思路進行優(yōu)化:將A列作為PRS系統(tǒng)的首選投運列,B列作為備用列僅在A列未完全投入情況下自動運行。將4塊液位傳感器的信息統(tǒng)一采集后進行4取2選擇,再與其他原有邏輯信號進行或門運算來觸發(fā)AB兩列自動啟動信號,其中A列自動啟動信號直接開啟凝水管線隔離閥,B列自動啟動信號經(jīng)過一個延時模塊 (時長為凝水隔離閥的設(shè)計開啟時間)并與對應(yīng)A列閥門的狀態(tài)反饋進行運算來控制B列凝水隔離閥,控制簡圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后自動啟動信號控制示意圖Fig.4 The sche matic of auto matic start up signal control after opti mization

通過上述優(yōu)化,PRS在原先控制基礎(chǔ)上實現(xiàn)任意兩個低低液位信號都能觸發(fā)PRS系統(tǒng)A/B列自動投運且僅有一列凝水隔離閥開啟。在方案實施上,僅需解除獨立接入PRS系統(tǒng)的各個蒸汽發(fā)生器液位信號,將RRP系統(tǒng)已有蒸汽發(fā)生器低低液位4取2信號接入PRS系統(tǒng),A列閥門狀態(tài)信號也只需在原先僅采集、顯示的基礎(chǔ)上通過網(wǎng)絡(luò)接入邏輯模塊來進行運算即可完成相應(yīng)改造。方案實施難度不大,所需成本也比較低。

3 結(jié) 論

本文介紹了 “華龍一號”堆型二次側(cè)非能動余熱排出系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、運行方式。針對系統(tǒng)投運后換熱量、自然循環(huán)流量的變化趨勢、蒸汽發(fā)生器二次側(cè)響應(yīng)及PRS自動控制邏輯進行了探討。對現(xiàn)有控制邏輯中重要因子對系統(tǒng)運行的影響進行了分析,并結(jié)合工程實際提出了相應(yīng)邏輯優(yōu)化方案。