盛美玲，丘錦萌，唐 輝

(華龍國際核電技術(shù)有限公司，北京 100036)

安全注入系統(tǒng)是華龍一號機(jī)組最重要的安全系統(tǒng)，其主要功能是在一回路發(fā)生破口事故時，通過安注箱和安注泵向一回路應(yīng)急注水實(shí)現(xiàn)應(yīng)急堆芯冷卻。特別是在一回路大、中破口事故工況下，當(dāng)一回路壓力降低至安注箱氮?dú)獬跏夹顗簳r，安注箱內(nèi)含硼水通過非能動方式快速充滿壓力容器下封頭，后續(xù)通過能動的安注泵將含硼水注入堆芯，實(shí)現(xiàn)堆芯淹沒和持續(xù)應(yīng)急堆芯冷卻，最終達(dá)到可控狀態(tài)。

傳統(tǒng)安注箱在應(yīng)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(jìn)型的先進(jìn)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(yōu)化低壓安注泵的功能要求，更進(jìn)一步可能可以取消低壓安注功能，減少能動安全設(shè)施[4-5]。但這種先進(jìn)安注箱的設(shè)計對水力學(xué)部件(阻尼器)的依賴性較高，且容積相對傳統(tǒng)安注箱較大，不利于反應(yīng)堆廠房內(nèi)的布置。

常規(guī)安注箱注入方式一般是通過每個環(huán)路的冷管段注入到壓力容器，該設(shè)計的主要缺點(diǎn)是當(dāng)發(fā)生冷段破口時，直接導(dǎo)致一臺安注箱內(nèi)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(yīng)對上述缺點(diǎn)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(shí)踐上，AP1000機(jī)組就是通過直接注入管線連接到安注箱，實(shí)現(xiàn)了壓力容器直接注入的安注方式[6]。但與AP1000采用堆芯補(bǔ)水箱、安注箱、內(nèi)置換料水箱等非能動執(zhí)行應(yīng)急堆芯注入的方式不同，華龍一號機(jī)組的設(shè)計采用能動設(shè)備執(zhí)行安注功能，配置了中壓安注泵、低壓安注泵和安注箱執(zhí)行應(yīng)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(xù)時間相差較大，安注箱和安注泵的注入口一般單獨(dú)設(shè)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(jìn)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(jī)組安全注入系統(tǒng)優(yōu)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(tǒng)安注箱的設(shè)計。通過這種優(yōu)化改進(jìn)，不僅減少安全注入系統(tǒng)與一回路或壓力容器的注入接口數(shù)量，在發(fā)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(xù)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(dú)立設(shè)置的低壓安注泵。

在安全注入系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)的基礎(chǔ)上，本文針對華龍一號機(jī)組安注箱直接注入方式的注入特性進(jìn)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(jìn)行敏感性分析，在滿足安全分析要求的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)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(yōu)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(yīng)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(tǒng)的安注箱是利用氮?dú)饧訅骸⒊溆泻鹚娜萜?，位于反?yīng)堆廠房內(nèi)，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(lián)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(tǒng)進(jìn)行模擬計算，較為精確地分析系統(tǒng)壓力、流量、流速、溫度等參數(shù)，用于指導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、解決電站調(diào)試問題。FLOWMASTER已在核電站設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用，根據(jù)工程實(shí)踐和調(diào)試數(shù)據(jù)對比，能完全模擬實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行情況[9-10]。

本文根據(jù)華龍一號安全注入系統(tǒng)布置參數(shù)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(nèi)的含硼水按不可壓縮的常物性流體處理，安注箱上部氮?dú)獠捎美硐霘怏w的可壓縮模型，壓力容器采用壓力源進(jìn)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(jù)系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)生大破口事故最為惡劣，根據(jù)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(jù)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(guān)系，同樣示于圖3。由圖3可知，華龍一號安全注入系統(tǒng)采用壓力容器直接注入方式，安注箱的注入流量和可持續(xù)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(dú)立設(shè)置的低壓安注泵。

圖3 安注箱注入流量與注入時間的關(guān)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(dá)到優(yōu)化安全注入系統(tǒng)的目的。安注箱的注入特性既與注入方式有關(guān)[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(guān)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(jìn)行敏感性分析，為進(jìn)一步優(yōu)化安注箱和安注泵的設(shè)計提供依據(jù)。

3.1 直接注入管線阻力特性

結(jié)合目前工程實(shí)踐的安注箱設(shè)計，安注箱下游注入管線管徑通常選取DN300，以實(shí)現(xiàn)快速淹沒堆芯的功能。對于華龍一號安全注入系統(tǒng)的優(yōu)化方案中，安注箱下游注入管線管徑也選取DN300，僅優(yōu)化安注箱與安注泵共用管線的管徑，通過最小改進(jìn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，即對大小頭下游的管線管徑進(jìn)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(qiáng)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(jìn)行敏感性分析。分析時其他參數(shù)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(jù)管線布置參數(shù)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(guān)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(guān)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(xù)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(guān)，還與實(shí)際布置的管線長度有關(guān)。當(dāng)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(xù)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(jié)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(jìn)行管線長度的敏感性分析，計算得到3種不同的管徑對應(yīng)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(guān)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(guān)系

由圖5可知，為滿足安全分析的要求和盡量減少改進(jìn)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(jù)布置空間、壓力容器強(qiáng)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(yīng)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(yīng)堆廠房的空間和尺寸，因此有必要對安注箱的容積進(jìn)行敏感性分析，以便選取最優(yōu)的安注箱容積，優(yōu)化反應(yīng)堆廠房布置。本文對安注箱容積選取65、60、55、50 m3進(jìn)行敏感性分析，同時安注箱初始蓄壓設(shè)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(guān)系如圖6所示。

圖6 安注箱注入流量與安注箱容積的關(guān)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(xù)注入的時間越長，對于事故分析越有利，但會增加反應(yīng)堆廠房的布置難度。根據(jù)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(tǒng)安注箱也可發(fā)揮類似先進(jìn)安注箱的注入功能，同時，傳統(tǒng)安注箱的容積與先進(jìn)安注箱的容積相比較小[14-15]，更有利于節(jié)省反應(yīng)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?yàn)橐换芈返膲毫焖傧陆狄鸢沧⑾渑c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?dú)饩S持，氮?dú)鈦碜杂诤藣u氮?dú)夥峙湎到y(tǒng)，因此安注箱的初始蓄壓受到核島氮?dú)夥峙湎到y(tǒng)的限制。本文針對安注箱的初始蓄壓進(jìn)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(guān)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(guān)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(guān)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(shè)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(nèi)初始蓄壓較高時，安注箱注入流量較大，導(dǎo)致安注箱中的水過早過多地排空，安注箱內(nèi)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(nèi)的質(zhì)能釋放量；安注箱內(nèi)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(guān)系，需根據(jù)具體布置參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)計算，以便得到安注箱最優(yōu)的注入性能。華龍一號安全注入系統(tǒng)在安注箱容積設(shè)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(jìn)一步降低安注泵在低壓長期階段的流量需求。

4 結(jié)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(jìn)行分析，在滿足事故分析的基礎(chǔ)上，通過對安注箱注入管系參數(shù)、安注箱容積和蓄壓的優(yōu)化，可進(jìn)一步降低對安注泵的注入要求和節(jié)省反應(yīng)堆廠房內(nèi)的布置空間。本文所得結(jié)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(shù)。

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(jìn)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(tǒng)安注箱不僅可發(fā)揮類似先進(jìn)安注箱的注入功能，較小的容積也有利于節(jié)省反應(yīng)堆廠房的布置空間。

3)安注箱內(nèi)初始蓄壓較高會導(dǎo)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(jìn)一步降低安注泵在低壓長期階段的流量需求。