于 沛，李 博，王廣飛，韓 旭

(中國(guó)核電工程有限公司，北京100840)

壓水堆核電廠乏池冷卻系統(tǒng)擴(kuò)容改進(jìn)研究

于 沛，李 博，王廣飛，韓 旭

(中國(guó)核電工程有限公司，北京100840)

在分析國(guó)內(nèi)二代改進(jìn)型百萬(wàn)千瓦核電機(jī)組成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)Flowmaster軟件計(jì)算及設(shè)計(jì)優(yōu)化等手段，針對(duì)目前已運(yùn)行和在建核電站的乏燃料水池冷卻系統(tǒng)的冷卻能力進(jìn)行評(píng)估，提出改進(jìn)方案增加電站的乏燃料水池冷卻系統(tǒng)的冷卻能力，并提出滿(mǎn)足第三代核電技術(shù)對(duì)性能及安全性的要求的乏燃料水池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

冷卻能力；乏燃料水池冷卻系統(tǒng)；乏燃料冷卻泵；換熱計(jì)算

核電廠在整個(gè)壽期內(nèi)需要不斷更換新的核燃料并卸出已使用過(guò)的乏燃料。乏燃料有放射性并持續(xù)放出衰變熱，在特定情況下還可能重返臨界。因此，對(duì)于乏燃料的貯存、冷卻等問(wèn)題亟待解決。最近二十年，我國(guó)的核能事業(yè)迅速發(fā)展，核電裝機(jī)總量不斷提升，乏燃料的產(chǎn)量及累積量持續(xù)增加，這直接對(duì)乏燃料在廠內(nèi)間貯存構(gòu)成了壓力。一方面多個(gè)核電廠采取了乏燃料密集貯存方式，另一方面對(duì)于乏燃料在廠內(nèi)貯存的設(shè)計(jì)時(shí)限已從7至10年提升至最高20年，這意味著一座電廠最高的乏燃料元件貯存量可達(dá)幾千件[1]。另外，隨著燃料裝卸機(jī)的改進(jìn)，目前核電廠換料方式和換料周期相對(duì)于原設(shè)計(jì)基準(zhǔn)出現(xiàn)了很大變化。換料方式由原設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的三分之一換料方式改為全裝全卸-堆外倒料的換料方式，換料時(shí)間由設(shè)計(jì)基準(zhǔn)考慮的14天縮短為6～8天，這樣可能導(dǎo)致乏燃料水池冷卻系統(tǒng)冷卻能力不足的問(wèn)題。在福島核事故中，由于乏池冷卻水喪失導(dǎo)致多根組件面臨熔毀風(fēng)險(xiǎn)[2]。福島核事故的教訓(xùn)凸顯了乏燃料貯存安全和冷卻的重要性，我國(guó)核安全局對(duì)該問(wèn)題也格外重視，也曾多次在安全審查對(duì)話中被提出。因此，本文在分析國(guó)內(nèi)二代改進(jìn)型百萬(wàn)千瓦核電機(jī)組成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前已運(yùn)行和在建核電站的乏燃料水池冷卻系統(tǒng)的冷卻能力進(jìn)行計(jì)算，提出改進(jìn)方案增加電站的乏燃料水池冷卻系統(tǒng)的冷卻能力；通過(guò)分析、計(jì)算及設(shè)計(jì)優(yōu)化，提出滿(mǎn)足第三代核電技術(shù)對(duì)性能及安全性要求的乏燃料水池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 乏燃料熱負(fù)荷計(jì)算

對(duì)于已運(yùn)行和在建核電廠一般按照年換料周期的燃料管理方案進(jìn)行換料。乏燃料水池的熱負(fù)荷包括停堆卸入乏池的整個(gè)堆芯和已卸入乏池超過(guò)一個(gè)循環(huán)的乏燃料的熱負(fù)荷。

對(duì)于停堆卸入乏池的整個(gè)堆芯的衰變熱如圖1所示。

圖1 停堆卸入乏池的堆芯衰變熱曲線Fig.1 Core Decay Heat Curve

假設(shè)乏燃料水池20年能夠存滿(mǎn)，采用年換料方式一個(gè)換料周期為305天。對(duì)于之前已卸入乏池的超過(guò)一個(gè)循環(huán)的19批乏燃料組件，考慮到計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)性，不考慮過(guò)渡循環(huán)的乏燃料組件，全部按照進(jìn)入平衡換料循環(huán)的乏燃料組件考慮，19批乏燃料組件全部卸入乏池的熱負(fù)荷為1.115MW。由于不同批次卸出的組件經(jīng)過(guò)的冷卻時(shí)間不同，不同批次換料的衰變熱占總衰變熱的比例如圖2 所示。

圖2 對(duì)于超過(guò)一個(gè)循環(huán)的不同換料批次的衰變熱比例Fig.2 Decay heat for different refueling batches over one cycle

由圖2可知，越早卸入乏池的燃料組件對(duì)乏池?zé)嶝?fù)荷的影響程度較低。因此，出于計(jì)算簡(jiǎn)化，對(duì)于已卸入乏池的乏燃料組件熱負(fù)荷考慮19批乏燃料組件都卸入乏池的情況，即為1.115MW。

由于換料時(shí)間由14天縮短為6～8天，因此，需要分析不同換料時(shí)間乏燃料水池的熱負(fù)荷，該負(fù)荷包括整個(gè)堆芯換料時(shí)的衰變熱和乏池中已存儲(chǔ)的乏燃料熱負(fù)荷，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同換料完成時(shí)間的乏池中乏燃料組件衰變熱

2 二代改進(jìn)型壓水堆系統(tǒng)冷卻能力評(píng)估

二代改進(jìn)型壓水堆乏燃料水池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況為：采用1/3堆芯換料方式，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的溫度為35℃時(shí)，乏燃料水池冷卻系統(tǒng)單列運(yùn)行(由于乏池冷卻為安全功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要保證單一故障原則，因此系統(tǒng)運(yùn)行一備一用)，設(shè)備冷卻水側(cè)串聯(lián)運(yùn)行，保證乏燃料水池的溫度低于50℃。流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 二代改進(jìn)型壓水堆乏燃料水池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Fig.3 Concept flow diagram of generation two Reactor Spent Fuel Pit Cooling System

然而，隨著換料技術(shù)改進(jìn)，采用全堆芯換料方式導(dǎo)致熱負(fù)荷提高，需要對(duì)系統(tǒng)冷卻能力進(jìn)行重新評(píng)估。熱交換器熱效率計(jì)算方法有4種，常用的是ε-NTU法和對(duì)數(shù)平均溫差(LMTD)法。FLOWMASTER軟件中熱交換器計(jì)算單元采用的是ε-NTU法，具體方法如下[3]：

q=εCmin(thi-tci)

(1)

式中：h——熱側(cè)；c——冷側(cè)；i——入口；o——出口；Cmin——兩側(cè)流體最小熱容率(MCp)；ε——換熱器效率；

當(dāng)忽略換熱器對(duì)周?chē)h(huán)境的散熱損失時(shí)，根據(jù)能量平衡，熱流體所放出的熱量應(yīng)等于冷流體所吸收的熱量。即：

q=Cc(tco-tci)

(2)

q=Ch(thi-tho)

(3)

本文應(yīng)用FLOWMASTER軟件建立系統(tǒng)模型，如圖4所示。

圖4 乏燃料水池冷卻系統(tǒng)模型圖Fig.4 Spent Fuel Pit Cooling System mode

每臺(tái)熱交換器乏池側(cè)流量為361.5m3/h、設(shè)備冷卻水側(cè)流量為542.25m3/h，計(jì)算得出在保證乏燃料水池的溫度低于50℃的要求下，不同換料時(shí)間對(duì)應(yīng)的設(shè)備冷卻水溫度如表2所示。

表2 不同換料時(shí)間設(shè)冷水溫度要求

根據(jù)上表分析：在考慮污垢系數(shù)的情況下，如果在停堆冷卻后第7天完成，按照目前的乏燃料水池冷卻系統(tǒng)單列運(yùn)行方式，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)溫度需要低于20℃可以滿(mǎn)足乏燃料水池溫度低于50℃的要求。針對(duì)目前核電站的廠址分布，上述要求在夏季換料時(shí)很難滿(mǎn)足，如圖5所示為國(guó)內(nèi)某核電廠址不同月份設(shè)備冷卻水溫度。

圖5 不同月份設(shè)備冷卻水溫度Fig.5 Sea temperature with different months

因此，本文針對(duì)已運(yùn)行電站和在建電站布置條件固化和進(jìn)度要求受限等特點(diǎn)，分別提出滿(mǎn)足工程進(jìn)度和冷卻能力要求改進(jìn)方案。

3 已運(yùn)行和在建電站改進(jìn)方案分析

3.1 已運(yùn)行電站改變系統(tǒng)運(yùn)行方式

針對(duì)已運(yùn)行的電站，乏燃料水池冷卻系統(tǒng)的主要設(shè)備包括乏燃料冷卻水泵和管殼式換熱器，它們布置在燃料廠房，廠房布置十分緊湊，增加設(shè)備和修改管路都會(huì)對(duì)電廠運(yùn)行造成很大影響。因此，本文提出在不修改現(xiàn)有管路的情況下，修改乏燃料水池冷卻系統(tǒng)和設(shè)備冷卻水側(cè)的運(yùn)行方式增強(qiáng)系統(tǒng)的冷卻能力。

圖6 修改運(yùn)行方式簡(jiǎn)圖Fig.6 Concept flow diagram of the amended operation mode

如圖6所示，由于系統(tǒng)中能動(dòng)部件泵需要滿(mǎn)足單一故障原則，只有一臺(tái)泵可投入運(yùn)行，因此只能采用一泵兩熱交換器的運(yùn)行方式提高冷卻能力。運(yùn)行時(shí)開(kāi)啟列間隔離閥，并調(diào)整設(shè)備冷卻水系統(tǒng)管路閥門(mén)將供水由串聯(lián)改為并聯(lián)，既增加了換熱器換熱面積，又降低了每臺(tái)換熱器的設(shè)備冷卻水入口溫度。即每臺(tái)熱交換器乏池側(cè)流量為180 m3/h、設(shè)備冷卻水側(cè)流量為542.25 m3/h，經(jīng)過(guò)計(jì)算在保證乏燃料水池的溫度低于50℃的要求下不同換料時(shí)間對(duì)應(yīng)的設(shè)備冷卻水溫度，如表3所示。

表3 改變運(yùn)行方式后不同換料時(shí)間設(shè)冷水溫度要求

根據(jù)上表分析：在考慮污垢系數(shù)的情況下，如果在停堆冷卻后第7天完成，按照目前的乏燃料水池冷卻系統(tǒng)一臺(tái)泵兩臺(tái)換熱器的運(yùn)行方式，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)溫度需要低于22℃可滿(mǎn)足乏燃料水池溫度低于50℃的要求。根據(jù)圖5中海水溫度，如果在夏季換料，保守考慮需要停堆后第11天完成換料可以滿(mǎn)足乏池的溫度要求。該改進(jìn)方案對(duì)于緩解現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行困難提供了很大幫助。

3.2 在建電站增加一臺(tái)冷卻泵

如圖7所示在原有乏燃料水池冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一臺(tái)泵(006PO)以及相應(yīng)的連接管道、儀表和閥門(mén)。新增一臺(tái)泵的類(lèi)型和參數(shù)性能與現(xiàn)有泵相同(臥式軸流泵，流量為421.5m3/h)換料運(yùn)行時(shí)， 002PO-002RF和006PO-001RF投入運(yùn)行， 001PO作為兩個(gè)系列的備用，設(shè)備冷卻水側(cè)并聯(lián)運(yùn)行，同4.1節(jié)。每臺(tái)熱交換器乏池側(cè)流量為361.5 m3/h、設(shè)備冷卻水側(cè)流量為542.25 m3/h，經(jīng)過(guò)計(jì)算在保證乏燃料水池的溫度低于50℃的要求下，不同換料時(shí)間對(duì)應(yīng)的設(shè)備冷卻水溫度如表4所示。

圖7 增加一臺(tái)泵流程簡(jiǎn)圖Fig.7 Concept flow diagram of increasing one pump

天數(shù)121110987654Tci/℃353535353535343231

根據(jù)上表分析，乏燃料冷卻系統(tǒng)通過(guò)增加一臺(tái)泵即三臺(tái)泵中的兩臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行的方式，如果7天完成換料，設(shè)備冷卻水溫度35℃就能滿(mǎn)足乏燃料水池溫度低于50℃的要求。即使4天完成換料要求的設(shè)備冷卻水溫度低于31℃即可。該方案可以大幅提高乏燃料水池冷卻系統(tǒng)的冷卻能力，但對(duì)于在建電站來(lái)說(shuō)，需要對(duì)燃料廠房泵房間重新布置，增加的泵和儀表及閥門(mén)等需要追加費(fèi)用，另外也會(huì)導(dǎo)致各個(gè)節(jié)點(diǎn)的滯后。

4 新堆型中系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

目前，我國(guó)自主研發(fā)的第三代核電機(jī)組是以國(guó)內(nèi)60萬(wàn)及100萬(wàn)千瓦核電機(jī)組成熟技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合二代改進(jìn)型核電廠的重要技術(shù)革新，吸收國(guó)際已有第三代核電系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)技術(shù)而形成的。該堆型中對(duì)于乏燃料水池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了全新的策劃[4]，如圖8所示。

圖8 三代核電機(jī)組下乏池冷卻系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖Fig.8 For third generation nuclear power unit spent fuel pit cooling system flow diagram

第一，采用了板式換熱器，與管殼式換熱器相比其具有更好的傳熱效果，在相同阻力損失的前提下，其傳熱系數(shù)一般是后者的2～4倍；板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，占空間小，在相同熱負(fù)荷條件下金屬耗量是管殼式換熱器的20%～50%；板式換熱器還具有較小的污垢系數(shù)，相同條件下其污垢系數(shù)要比管殼式換熱器小一個(gè)數(shù)量級(jí)。采用板式換熱器，在有限的布置空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的換熱功率，從而顯著提升系統(tǒng)單個(gè)系列的冷卻能力。

第二，增加完整冷卻系列，乏燃料水池冷卻系統(tǒng)的第一及第二冷卻系列由設(shè)備冷卻水系統(tǒng)安全系列供水，第三系列由設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的公用系列供水，三個(gè)換熱器在設(shè)備冷卻水系統(tǒng)一側(cè)并聯(lián)供水。

上述方案從根本上提高了乏燃料水池冷卻系統(tǒng)的冷卻能力，提高了系統(tǒng)安全性和運(yùn)行的靈活性。

5 結(jié)論

1) 本文通過(guò)FLOWMASTER計(jì)算所得的乏燃料水池?zé)嶝?fù)荷對(duì)應(yīng)的設(shè)備冷卻水溫度要求可以用于指導(dǎo)核電現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。

2) 通過(guò)對(duì)二代改進(jìn)型壓水堆乏燃料水池冷卻系統(tǒng)的冷卻能力評(píng)估，在設(shè)備冷卻水系統(tǒng)溫度低于20℃時(shí)可滿(mǎn)足7天換料的乏燃料水池的溫度要求。

3) 通過(guò)分析表明對(duì)于已運(yùn)行電站通過(guò)改變乏燃料水池冷卻系統(tǒng)和設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行方式提高系統(tǒng)冷卻能力的方案和對(duì)于在建核電站通過(guò)增加一臺(tái)乏燃料水池冷卻泵提高系統(tǒng)冷卻能力的方案可行。

4) 本文給出了我國(guó)自主研發(fā)的第三代核電機(jī)組中乏燃料水池冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案徹底解決了冷卻能力不足的問(wèn)題，該設(shè)計(jì)方案更為先進(jìn)。

[1] 核電廠乏燃料貯存設(shè)施的安全研究總結(jié)報(bào)告，A 2014年12月出版.

[2] 韓旭，常猛，翁方檢.壓水堆核電廠乏燃料冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較研究[J]. 核安全，2012.1：42-44.

[3] T.Kuppan 《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》[D]. 北京.中國(guó)石化出版社.

[4] 常猛，翁方檢，韓旭. 淺析乏燃料水池冷卻和處理系統(tǒng)(PTR)的設(shè)計(jì)改進(jìn)[J]. 核安全，2012.2.72-75.

Study on Improvement of Capacity Expansion of Spent Fuel Pit Cooling System in PWR Nuclear Power Plants

YU Pei，LI Bo，WANG Guang-fei，HAN Xu

(China nuclear power engineering CO.LTD,100840, China)

Based analysis of domestic two generation modified million kilowatt class nuclear power generating mature technology, by means of Flowmaster software calculation and design optimization, cooling capacity of spent fuel pit cooling system is evaluated, improved scheme is put forward to increase cooling capacity of spent fuel pit cooling system, and the design scheme meet the three generation nuclear power technology is put forword.Key words: Cooling capacity; Spent fuel pit cooling system; Spent fuel pit cooling pump; Heat calculation

2016-07-12

于 沛(1985—)，女，工程師，現(xiàn)主要從事核電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作

TL371

A

0258-0918(2016)06-0729-05