閔凡

【摘 要】針對(duì)方家山核電廠在RRA未接入時(shí)失去重要廠用水的事故，本文闡述了操作員在該事故下所應(yīng)該進(jìn)行的退防操作，并初步計(jì)算分析了用換料水箱通過安全殼噴淋系統(tǒng)管線、噴淋泵和噴淋熱交換器構(gòu)成冷卻回路反冷設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的有效性。結(jié)果表明：對(duì)于方家山核電廠，即使在最惡劣的情況下只要操縱員能在8.6分鐘內(nèi)投入 EAS熱交換器以及安全殼噴淋泵的試驗(yàn)回路反冷設(shè)備冷卻水并且同時(shí)采取在RRI回路減少負(fù)荷的措施，即可利用PTR水箱中的熱慣性，延緩RRI失效的時(shí)間，給恢復(fù)熱阱爭(zhēng)取更多的時(shí)間，減輕事故后果。

【關(guān)鍵詞】核電廠；設(shè)備冷卻水；安全殼噴淋；反冷；換料水箱

0 概述

本文討論方家山核電在RRA未接入時(shí)失去重要廠用水（SEC）后操作員應(yīng)該執(zhí)行的必要操作。重點(diǎn)關(guān)注了使用換料水箱內(nèi)的換料水通過安全殼噴淋系統(tǒng)（EAS）實(shí)驗(yàn)管線、安全殼噴淋泵和安全殼噴淋系統(tǒng)熱交換器構(gòu)成的冷卻回路來反冷設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI）時(shí)進(jìn)行的必要操作以及操作步驟。在本文最后對(duì)反冷時(shí)不同熱負(fù)荷下RRI系統(tǒng)、EAS系統(tǒng)溫度隨時(shí)間的變化情況做了粗略的估算。

1 完全喪失熱阱時(shí)的退防模式及操作步驟

1.1 正常運(yùn)行時(shí)RRI的介紹

設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI）的主要功能是冷卻核島內(nèi)各種熱交換器并通過重要廠用水系統(tǒng)二次冷卻將熱負(fù)荷傳送給最終熱阱——海水（重要廠用水系統(tǒng)SEC）。設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI）是處在重要廠用水系統(tǒng)SEC與核島設(shè)備中間的一個(gè)封閉回路，其包括兩個(gè)獨(dú)立的安全系列和一個(gè)公用環(huán)路，公用環(huán)路由兩個(gè)安全系列中的任一系列供水。設(shè)備冷卻水系統(tǒng)中與反應(yīng)堆安全設(shè)施和冷停堆有關(guān)的部分具有100%的冗余度。其供水回路由兩個(gè)獨(dú)立的安全系列組成，在事故情況下兩條管線中的每一個(gè)都能100%地保證設(shè)備冷卻，每一條管線都是由SEC的一列冷卻。每個(gè)安全系列由兩臺(tái)100%容量的離心泵，兩臺(tái)50%容量的RRI/SEC熱交換器，一個(gè)波動(dòng)箱和相應(yīng)的管道和儀表組成。此外，這兩個(gè)獨(dú)立的安全系列分別由電源A系列和B系列供電，并由應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)作備用電源。公用環(huán)路的冷卻對(duì)象是指在事故工況下不需要提供冷卻水的熱交換器，它們可以通過任一安全系列供水，并可通過電動(dòng)閥門（A系列041VN和058VN，B系列040VN和059VN）與系統(tǒng)的安全系列隔離。這部分中還有兩臺(tái)機(jī)組的公用設(shè)備，它們可以由一臺(tái)機(jī)組或者另一機(jī)組的設(shè)備冷卻水系統(tǒng)提供冷卻。

1.2 事故退防模式及注意事項(xiàng)

當(dāng)有報(bào)警“SEC021KA（053KS）SEC完全喪失”出現(xiàn)時(shí)，表示已經(jīng)出現(xiàn)了完全失去熱阱事故。SEC完全喪失是一種超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況，針對(duì)該工況所采取的退防模式是一回路溫度在160～170℃，壓力低于絕對(duì)壓力3.0～4.5MPa的中間停堆狀態(tài)。該退防狀態(tài)的160～170℃的反應(yīng)堆冷卻劑溫度，保證了RRA未投入狀態(tài)所要求的最低溫度（160℃）的溫度裕量。維持3.0～4.5MPa的壓力以保持有合適的裕量，防止在壓力容器上封頭出現(xiàn)飽和工況。

在退防模式的溫度、壓力下，即使冷卻完全喪失，反應(yīng)堆冷卻劑泵軸封泄漏流量幾乎為零，這種狀態(tài)只要求向反應(yīng)堆冷卻劑回路提供非常少的補(bǔ)水，補(bǔ)水是由兩個(gè)機(jī)組共用的試驗(yàn)泵間斷運(yùn)行來保證的。需要注意的是由于SEC不可用，熱阱喪失導(dǎo)致RRA不可能啟動(dòng)，因而反應(yīng)堆冷卻和余熱排出必須由蒸汽發(fā)生器來完成。如果APA或者APD可用，則應(yīng)使用正常給水維持蒸汽發(fā)生器水位在正常值。若正常給水喪失，則需要使用ASG泵維持蒸汽發(fā)生器的液位，在此種情況下向ASG水箱重新充水非常重要，必須盡快的冷卻反應(yīng)堆并需要采取各種可行的方法向ASG水箱供水。

1.3 過渡到退防模式的主要操作

當(dāng)發(fā)生完全喪失熱阱的事故時(shí)，操作員的主要操作步驟如下：

1）通知兩個(gè)機(jī)組的運(yùn)行人員發(fā)生了失去全部熱阱事故。因?yàn)槿绻挥幸粋€(gè)機(jī)組受到影響，事故處理能夠簡(jiǎn)化，未受影響的機(jī)組能夠供水給：RRI機(jī)組間公用回路熱交換器和受影響機(jī)組的乏燃料水池冷卻系統(tǒng)。一旦SEC功能恢復(fù)，將中斷正在進(jìn)行的操作。在RRI和其他輔助系統(tǒng)恢復(fù)狀態(tài)之前核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定在當(dāng)時(shí)所處的狀態(tài)。

2）如果RCV系統(tǒng)有兩個(gè)下泄孔板投入運(yùn)行應(yīng)該立即隔離RCV第2個(gè)下泄孔板，以減少RRI熱負(fù)荷，基于相同原因如果APG的非再生熱交換器在運(yùn)行則應(yīng)該立即隔離APG的非再生熱交換器。

3）啟動(dòng)RRI運(yùn)行系列上的EAS熱交換器并運(yùn)行噴淋泵，打通噴淋泵的試驗(yàn)管線，以利用PTR水箱約1600m3高濃度硼水中的熱慣性。此時(shí)PTR水箱成為RRI回路的熱阱，如果該RRI系列第二臺(tái)泵可以運(yùn)行，則必須啟動(dòng)。同時(shí)必須連續(xù)的監(jiān)測(cè)RRI溫度，任何時(shí)候若RRI水溫高于55℃，操作員必須停運(yùn)反應(yīng)堆冷卻劑泵，隔離RCV下泄和上充，并停運(yùn)RRI泵。因?yàn)楫?dāng)RRI水溫達(dá)到55℃時(shí)，就可能對(duì)某些終端用戶加熱。

4）SEC喪失的如果同時(shí)發(fā)生CRF海水喪失則很快將觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆，但是在CRF站可用的情況下，反應(yīng)堆可能仍處于功率運(yùn)行的情況下，此時(shí)應(yīng)以運(yùn)行的最大速度降負(fù)荷，負(fù)荷降至10%負(fù)荷時(shí)應(yīng)手動(dòng)停堆，停堆后如果一臺(tái)反應(yīng)堆冷卻劑泵（001PO）提供的穩(wěn)壓器噴霧足夠則關(guān)閉RCP001VP閥門，停運(yùn)另兩臺(tái)反應(yīng)堆冷卻劑泵。保持一回路壓力在絕對(duì)壓力3.0MPa左右，以保持有合適的裕量，防止在壓力容器上封頭出現(xiàn)飽和工況，如果在退防狀態(tài)之前所有的反應(yīng)堆冷卻劑泵已經(jīng)停運(yùn)，則溫度的降低不超過18℃/h（反應(yīng)堆運(yùn)行在自然循環(huán)狀態(tài)）。

5）為了最大限度的利用RRI回路的熱慣性，要求盡可能快的隔離非優(yōu)先排熱用戶的供水，這通過在主控室隔離所有的機(jī)組間公用回路熱交換器來實(shí)現(xiàn)。需要注意的為如果DEG沒有因RRI溫度高停運(yùn)，停運(yùn)一套DEG裝置并隔離REN熱交換器，以減小RRI熱負(fù)荷，這些操作能夠在控制室內(nèi)實(shí)現(xiàn)（但是應(yīng)盡量維持用來測(cè)量硼濃度的REN 系列的運(yùn)行，以控制硼濃度）。當(dāng)反應(yīng)堆停運(yùn)后，應(yīng)切除輔助設(shè)備負(fù)荷，重點(diǎn)是減少熱負(fù)荷以及流量以減少運(yùn)行在EAS的RRI泵數(shù)量，從而使所需導(dǎo)出的熱功率小于10MWe。為節(jié)省所有可用的熱阱，也允許下泄流量隨著一回路壓力下降而降低。

6）降功率或者降模式期間，向反應(yīng)堆冷卻劑注入7000ppm濃度的硼酸，以補(bǔ)償反應(yīng)堆冷卻劑收縮，并確保所要求的負(fù)反應(yīng)性。但需要注意的是由于軸封水注入流量稍大于泄漏流量，穩(wěn)壓器水位慢慢上升，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，為了避免穩(wěn)壓器完全滿水，應(yīng)停止軸封水注入。且一旦水壓試驗(yàn)泵替代RCV泵，以一個(gè)非常低的流量提供軸封水以防止反應(yīng)堆冷卻劑進(jìn)入軸封區(qū)時(shí)，應(yīng)停運(yùn)由RRI提供的輔助設(shè)備，接著停運(yùn)RRI。

7）如果SEC喪失沒有對(duì)兩臺(tái)機(jī)組都產(chǎn)生影響，則PTR熱交換器可以由另一機(jī)組供水，否則存放在乏燃料池中的燃料元件的余熱導(dǎo)出已經(jīng)中斷，一段時(shí)間后乏燃料池中的水開始沸騰，對(duì)于長(zhǎng)期熱阱喪失，必須補(bǔ)償這些蒸發(fā)掉的水。

2 失去熱阱后設(shè)冷水溫度上升的估算

2.1 設(shè)冷水各用戶的熱負(fù)荷

設(shè)冷水在不同工況下運(yùn)行的熱交換器以及熱負(fù)荷有所不同，本文只分析正常運(yùn)行工況下的情況，在正常運(yùn)行工況下設(shè)冷水系統(tǒng)各用戶的熱負(fù)荷如下表1：

2.2 失去熱阱后設(shè)冷水溫度上升的估算

在SEC喪失情況下，RRI系統(tǒng)的熱慣性使得各RRI用戶及其功能不會(huì)立即喪失。為了最大限度地利用RRI回路的熱慣性，要求盡快切除非優(yōu)先用戶的供水。這通過在主控制室隔離所有的機(jī)組間公用回路熱交換器來實(shí)現(xiàn)。然后啟動(dòng)正在運(yùn)行的RRI系列中的EAS熱交換器，用換料水箱內(nèi)的換料水通過安全殼噴淋系統(tǒng)（EAS）實(shí)驗(yàn)管線、安全殼噴淋泵和安全殼噴淋系統(tǒng)熱交換器構(gòu)成的冷卻回路來反冷設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI）。以充分利用換料水箱的熱慣性（換料水箱貯存了約1600m3的含硼水）；換料水箱也就成為RRI回路的熱阱。

安全殼噴淋系統(tǒng)冷卻設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的流程如圖2所示：

圖2 安噴系統(tǒng)冷卻設(shè)冷水系統(tǒng)示意圖

根據(jù)事故規(guī)程要求 “任何時(shí)候若RRI水溫高于55℃，操作員必須停運(yùn)反應(yīng)堆冷卻劑泵，隔離RCV下泄和上充，并停運(yùn)RRI泵。因?yàn)楫?dāng)RRI水溫達(dá)到55℃時(shí)，就可能對(duì)某些終端用戶加熱”。即需要在RRI水溫升高到55℃之前就一定要啟動(dòng)EAS系統(tǒng)試驗(yàn)管線以冷卻RRI系統(tǒng)，否則就需要停運(yùn)RRI系統(tǒng)，反冷將不能建立，將需要執(zhí)行完全失去RRI的事故規(guī)程導(dǎo)致事故嚴(yán)重化。所以分析事故后設(shè)冷水溫度多久會(huì)達(dá)到55攝氏度就非常必要了，設(shè)冷水溫度達(dá)到55攝氏度的時(shí)間即為操作員的響應(yīng)時(shí)間。

事故的初始階段，還沒有建立反冷的工況下設(shè)冷水所有的熱負(fù)荷都用來了讓設(shè)冷水溫度上升，下面初步分析在各種熱負(fù)荷的情況下設(shè)冷水溫度升高到55℃所需要的時(shí)間，分析所選取的幾個(gè)重要參數(shù)如下：

RRI系統(tǒng)水裝量：MRRI=200t=200000kg（RRI系統(tǒng)總水裝量為300t左右，除去波動(dòng)箱及APG系統(tǒng)死管部分，本文中以200t計(jì)算。）

水的比熱：Cp=4.18 kJ/（kg·℃）

設(shè)冷水初始溫度：T0=35℃。需要說明的是，方家山工程的設(shè)計(jì)工況即RRI初始溫度為35℃（對(duì)應(yīng)海水最高溫度31.7℃）進(jìn)行的，而實(shí)際運(yùn)行中，海水及RRI系統(tǒng)溫度不會(huì)一直如此高，但是為了保守分析還是取設(shè)計(jì)溫度為35℃來計(jì)算。

事故初始時(shí)刻（t0），失去SEC系統(tǒng)，RRI不能得到冷卻，但所有熱負(fù)荷（Wth）仍繼續(xù)對(duì)RRI系統(tǒng)傳熱，RRI系統(tǒng)溫度逐漸升高?？杀硎緸椋?/p>

MRRI·Cp■=Wth？圳■=■

故t時(shí)刻RRI系統(tǒng)溫度

T（t）=T0+■×t

下面分別對(duì)幾種不同工況下，設(shè)冷水對(duì)應(yīng)的熱負(fù)荷下溫度上升到55℃所需要的時(shí)間進(jìn)行的計(jì)算：

1）如在正常運(yùn)行工況下設(shè)冷水各用戶的熱負(fù)荷表所示，在正常運(yùn)行工況下設(shè)冷水的滿負(fù)荷為32.52 Mwe，在這樣滿負(fù)荷的情況下設(shè)冷水溫度T（t）達(dá)到55℃的時(shí)間t約為：8.6min。這樣的情況是最惡劣的，實(shí)際的運(yùn)行中出現(xiàn)這樣的情況可能性比較小。

2）在實(shí)際運(yùn)行中RRI 兩機(jī)組共用部分的熱負(fù)荷并不是一直運(yùn)行的，而是間斷運(yùn)行的。這部分熱負(fù)荷包括TEP、TEU、SVA、DWL的熱負(fù)荷。如果考慮到這部分熱負(fù)荷不存在，設(shè)冷水系統(tǒng)的熱負(fù)荷為21.16 Mwe，在這樣的負(fù)荷情況下設(shè)冷水溫度T（t）達(dá)到55℃的時(shí)間t約為：13.2min。

3）最有利的情況為最終熱阱喪失事故發(fā)生在不承擔(dān)兩機(jī)組公用部分設(shè)備冷卻水熱負(fù)荷的機(jī)組時(shí)，即兩機(jī)組公用部分的熱負(fù)荷在事故一開始就切換，這部分負(fù)荷主要包括PTR系統(tǒng)的熱負(fù)荷，除去PTR系統(tǒng)的熱負(fù)荷，此時(shí)設(shè)冷水系統(tǒng)的熱負(fù)荷為16.96 Mwe。在這樣的負(fù)荷情況下設(shè)冷水溫度T（t）達(dá)到55℃的時(shí)間t約為：16.4min。

4）假設(shè)操縱員很快切除不必要的熱負(fù)荷并作好反冷準(zhǔn)備的工況，這是一種理想工況，假設(shè)操作員很快的切除了DEG、REN、RCV的熱負(fù)荷，在這樣的工況下設(shè)冷水的熱負(fù)荷將大大減小，設(shè)冷水系統(tǒng)在這種工況下的熱負(fù)荷僅為9.5 Mwe，在這樣的負(fù)荷情況下設(shè)冷水溫度T（t）達(dá)到55℃的時(shí)間t約為：29.3min。

由上面的計(jì)算可以看出，即使在最惡劣的工況下只要操縱員在8.6分鐘以前切除不必要的熱負(fù)荷并連接和啟動(dòng)EAS系統(tǒng)試驗(yàn)管線以利用PTR水箱中水以冷卻RRI系統(tǒng)，PTR水箱中水的熱慣性即可利用，反冷也可以成功實(shí)現(xiàn)。為給恢復(fù)熱阱贏得了更多的時(shí)間。

當(dāng)連接并啟動(dòng)EAS系統(tǒng)試驗(yàn)管線以冷卻RRI系統(tǒng)、并切除部分負(fù)荷后，被冷卻設(shè)備繼續(xù)傳遞熱量給RRI系統(tǒng)。對(duì)RRI側(cè)：RRI系統(tǒng)從其他熱交換器得到熱量Wth，一部分傳遞到EAS系統(tǒng)，另一部分用于本身溫度的升高。而對(duì)于EAS側(cè)：EAS側(cè)從RRI系統(tǒng)得到的熱量全部用作本身溫度的升高，PTR水箱中的水溫逐漸升高。RRI系統(tǒng)與EAS系統(tǒng)通過EAS熱交換器的傳熱計(jì)算比較復(fù)雜，達(dá)到平衡的過程與 EAS熱交換器管側(cè)熱阻、管壁熱阻、總污垢熱阻、殼側(cè)熱阻、管側(cè)流量、殼側(cè)流量均有關(guān)系，不在本文中做量化的計(jì)算，只給出一個(gè)RRI水溫度與EAS水溫度的總體的趨勢(shì)圖，如圖3所示：

3 結(jié)論和分析

SEC喪失的情況下，RRI回路中的熱慣性使得輔助設(shè)備及其功能不會(huì)立即喪失，但應(yīng)盡快啟動(dòng)EAS熱交換器以及安全殼噴淋泵的試驗(yàn)回路以反冷設(shè)備冷卻水以利用PTR水箱中的熱慣性，并且同時(shí)采取在RRI回路減少負(fù)荷的措施，這項(xiàng)操作只要在8.6分鐘之前完成，即可保證重要設(shè)備及熱交換器運(yùn)行，給恢復(fù)熱阱提供更多時(shí)間，或平穩(wěn)過渡至退防模式。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]