(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

核電廠(chǎng)設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(WCC)的主要功能是冷卻核島各類(lèi)熱交換器，并通過(guò)設(shè)冷熱交換器由重要廠(chǎng)用水系統(tǒng)將其熱負(fù)荷傳至最終熱阱——海水?！叭A龍一號(hào)”WCC系統(tǒng)配置有兩列，每個(gè)系列在事故工況下都能提供100%的應(yīng)急冷卻能力。WCC系統(tǒng)的主要冷卻用戶(hù)包括安全殼噴淋系統(tǒng)、電氣廠(chǎng)房冷凍水系統(tǒng)、安全注入系統(tǒng)、余熱排出系統(tǒng)、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主泵、化學(xué)和容積控制系統(tǒng)等等。核電廠(chǎng)發(fā)生喪失WES事故后，為了延長(zhǎng)WCC系統(tǒng)的工作時(shí)間，根據(jù)電廠(chǎng)操作規(guī)程，可以利用換料水箱中較低溫度的含硼水，對(duì)設(shè)備冷卻水系統(tǒng)實(shí)行反冷操作?！叭A龍一號(hào)”核電廠(chǎng)采用兼作安全殼地坑的內(nèi)置換料水箱，從位置標(biāo)高與體積容量等均與傳統(tǒng)M310堆型的PTR水箱差異較大，有必要對(duì)IRWST在喪失WES事故后的反冷作用進(jìn)行分析。另外，本文計(jì)算分析結(jié)論能夠?yàn)椤叭A龍一號(hào)”核電廠(chǎng)故障操作規(guī)程的開(kāi)發(fā)提供重要依據(jù)。

1 反冷操作系統(tǒng)描述

核電廠(chǎng)在失去重要廠(chǎng)用水功能后，根據(jù)操作規(guī)程，應(yīng)采用安全殼噴淋系統(tǒng)試驗(yàn)管線(xiàn)、安噴泵(CSP)、安噴熱交換器以及IRWST構(gòu)成反冷回路[1](見(jiàn)圖1)，通過(guò)CSP泵從IRWST水箱中抽取低溫的含硼水進(jìn)入安噴熱交換器的CSP側(cè)，WCC泵運(yùn)行使得WCC系統(tǒng)中的流體經(jīng)過(guò)安噴熱交換器的WCC側(cè)，借助于IRWST水箱的大熱容量，可以在一定時(shí)間內(nèi)使得WCC系統(tǒng)中的水得到冷卻，即把IRWST作為WCC系統(tǒng)的熱阱。

圖1 IRWST反冷WCC的系統(tǒng)示意圖Fig.1 The sketch of IRWST cooling WCC

2 反冷操作最晚時(shí)間窗口計(jì)算

根據(jù)“華龍一號(hào)”核電廠(chǎng)WCC系統(tǒng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，在核電廠(chǎng)所有運(yùn)行工況下，當(dāng)海水最高溫度為30.7 ℃時(shí)，WCC的最高溫度為35 ℃。但是下述兩種情況除外：

1)在進(jìn)入冷停堆和次臨界停堆工況下，當(dāng)海水最高溫度為30.7 ℃時(shí)，WCC溫度為40 ℃。

2)在喪失冷卻劑事故(LOCA)工況下，當(dāng)海水最高溫度為35.5 ℃時(shí)，WCC溫度為45 ℃。

喪失重要廠(chǎng)用水事故屬于超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，本文分析中不考慮疊加LOCA的極端不可能工況。而在實(shí)際運(yùn)行中，海水及WCC溫度不會(huì)一直如此之高，因此本文WCC系統(tǒng)初始溫度選用35℃是足夠保守的。

核電廠(chǎng)喪失重要廠(chǎng)用水功能后，設(shè)備冷卻水失去熱阱，設(shè)冷水溫度開(kāi)始升高，當(dāng)水溫達(dá)到55 ℃時(shí)，根據(jù)事故規(guī)程要求，必須停運(yùn)反應(yīng)堆主泵，隔離上充、下泄，并且必須將WCC泵停閉，這是因?yàn)楦哂?5 ℃的WCC水便有可能對(duì)某些終端用戶(hù)進(jìn)行加熱[2]。因此，本文計(jì)算中所采用的限制準(zhǔn)則是WCC水溫不高于55 ℃。

假設(shè)WCC初始水溫為T(mén)0，計(jì)算終止溫度為T(mén)e，由于喪失WES冷卻，WCC的帶熱負(fù)荷全部用于WCC系統(tǒng)水溫的升高，有如下公式：

m×Cp×(Te-T0)=P×t

式中，m——WCC系統(tǒng)除去波動(dòng)箱及系統(tǒng)死管部分的水裝量，計(jì)算取436.8 t左右;

Cp——水的比熱，取4.18 kJ/(kg·℃);

P——WCC系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的總帶熱負(fù)荷，取值為34.57 MW。

由上述公式很容易計(jì)算出，對(duì)于“華龍一號(hào)”核電廠(chǎng)，在發(fā)生喪失WES功能后，如果操作員不采取緩解措施，WCC水溫將于17.6 min后升至55 ℃。

3 反冷操作效果的定量評(píng)價(jià)

3.1 程序與建模

本文計(jì)算使用RELAP5程序。RELAP5程序是美國(guó)愛(ài)達(dá)荷國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(Idaho National Engineering Laboratory (INEL))于20世紀(jì)80年代逐漸開(kāi)發(fā)，專(zhuān)門(mén)用于核電廠(chǎng)事故分析的大型熱工水力最佳估算程序，可用于事故瞬態(tài)和失水事故的計(jì)算分析，是目前最常用的核電廠(chǎng)系統(tǒng)熱工水力分析程序之一。

根據(jù)喪失WES后采用IRWST進(jìn)行反冷的作用原理，使用RELAP5程序進(jìn)行建模，節(jié)點(diǎn)劃分見(jiàn)圖2。其中：控制體160為內(nèi)置換料水箱，115為CSP泵，130為安噴換熱器CSP側(cè)，控制體100、110、120、140、150代表使用安噴試驗(yàn)管線(xiàn)構(gòu)成的反冷回路。250為安噴換熱器WCC側(cè)，205為WCC泵?？刂企w255、200、210、230代表WCC系統(tǒng)管道。300用于模擬WCC系統(tǒng)帶熱負(fù)荷。

圖2 IRWST反冷回路RELAP5程序節(jié)點(diǎn)劃分圖Fig.2 The RELAP5 nodalization of IRWST cooling loop

在計(jì)算之前，首先要確定安噴熱交換器的傳熱面積和傳熱系數(shù)，使其達(dá)到設(shè)計(jì)工作狀態(tài)。表1給出CSP熱交換器工作參數(shù)的調(diào)試結(jié)果。可以看出，本文RELAP5程序?qū)SP換熱器模擬的計(jì)算值與設(shè)計(jì)值偏差很小，能夠滿(mǎn)足計(jì)算需求。

表1 安噴熱交換器工作參數(shù)調(diào)試結(jié)果Table 1 The calculation results of the CSP heatexchanger working values

3.2 工況計(jì)算與分析

根據(jù)“華龍一號(hào)”WCC系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，需要WCC冷卻的熱交換器可以分成3類(lèi)，分別是1)安全相關(guān)的熱交換器，在處理Ⅲ類(lèi)或Ⅳ類(lèi)事故時(shí)起重要作用；2)在正常運(yùn)行和喪失廠(chǎng)外電源時(shí)需要冷卻的重要熱交換器；3)在正常運(yùn)行時(shí)使用，而在喪失廠(chǎng)外電源后不立刻起作用的熱交換器。

根據(jù)電廠(chǎng)操作規(guī)程，在執(zhí)行反冷操作中，為了增加WCC系統(tǒng)的有效工作時(shí)間，應(yīng)逐步切除掉不必要的冷卻用戶(hù)。“華龍一號(hào)”核電廠(chǎng)用于處理正常運(yùn)行工況下喪失WES事故操作規(guī)程的主要?jiǎng)幼魅绫?所示。

表2 喪失WES事故后操作員動(dòng)作

選擇不同IRWST初始水溫，采用RELAP5程序搭建的反冷回路模型進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中假設(shè)設(shè)冷水系統(tǒng)的設(shè)備、管道以及用戶(hù)設(shè)備的金屬材料不考慮散熱、吸熱，為保守起見(jiàn)，也不考慮設(shè)冷水溫度上升造成傳至設(shè)冷水系統(tǒng)的熱負(fù)荷減少。由表3與圖3給出的計(jì)算結(jié)果可以知道，當(dāng)IRWST初始水溫為35 ℃時(shí)，由于反冷回路中安噴熱交換器兩側(cè)流體的溫差較小，并且在事故前期WCC系統(tǒng)的熱負(fù)荷仍然處于較高的水平，因此WCC系統(tǒng)的水溫一直處于上升趨勢(shì)，當(dāng)事故后2 030 s，盡管此時(shí)將WCC的熱負(fù)荷降低至最低水平9.754 MW，WCC系統(tǒng)的升溫趨勢(shì)開(kāi)始減緩，但在此之前1 800 s左右，WCC系統(tǒng)的水溫已經(jīng)超過(guò)55 ℃， 0.5 h對(duì)于操作員恢復(fù)WES系統(tǒng)功能來(lái)說(shuō)是不充分的，因?yàn)榭梢哉J(rèn)為IRWST初始溫度為35 ℃時(shí)的反冷作用是不成功的。對(duì)于IRWST初始溫度低于30 ℃的工況，此反冷作用能夠保證WCC系統(tǒng)維持有效工作的時(shí)間在2.8 h以上，為操作員恢復(fù)WES功能提供了較大的時(shí)間裕量。

表3 IRWST反冷持續(xù)時(shí)間

圖3 WCC與IRWST水溫的變化曲線(xiàn)Fig.3 The water temperature curve of WCC and IRWST

圖3 WCC與IRWST水溫的變化曲線(xiàn)(續(xù))Fig.3 The water temperature curve of WCC and IRWST

4 結(jié) 論

“華龍一號(hào)”核電廠(chǎng)喪失重要廠(chǎng)用水之后，根據(jù)電廠(chǎng)操作規(guī)程，可以采用IRWST水箱、安噴試驗(yàn)管線(xiàn)以及安噴熱交換器構(gòu)成反冷回路，同時(shí)對(duì)WCC系統(tǒng)非必要用戶(hù)的熱負(fù)荷進(jìn)行切除的方式對(duì)WCC系統(tǒng)進(jìn)行反冷。

針對(duì)WCC初始水溫為35 ℃的工況，此反冷操作應(yīng)在17.6 min之內(nèi)投入。在IRWST初始水溫低于30 ℃時(shí)，依靠IRWST水箱的熱慣性，在很大程度上延緩了WCC系統(tǒng)水溫的上升趨勢(shì)，能夠在數(shù)小時(shí)內(nèi)保證WCC系統(tǒng)繼續(xù)有效工作，為操作員恢復(fù)WES系統(tǒng)功能提供了較大的時(shí)間裕量。