李健 王克成 羅亮 張倬

【摘 要】針對(duì)三代核電關(guān)于低溫水密實(shí)工況超壓保護(hù)的安全要求，ACP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了穩(wěn)壓器安全閥（PSRV）提供低溫超壓保護(hù)的方案，其保護(hù)原理是在低溫工況下通過(guò)保護(hù)系統(tǒng)控制電磁先導(dǎo)裝置進(jìn)而驅(qū)動(dòng)安全閥開(kāi)啟/關(guān)閉。本文針對(duì)ACP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)低溫超壓保護(hù)方案開(kāi)展安全分析研究，首先通過(guò)安全閥鑒定試驗(yàn)的結(jié)果確定了偏保守的閥門(mén)卸壓模型，并建立了瞬態(tài)過(guò)程的閥門(mén)動(dòng)態(tài)模型。然后選取啟/停堆工況下極限的瞬態(tài)事件作為初因假設(shè)，開(kāi)展了反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)瞬態(tài)工況模擬，最終獲得了ACP1000核電廠啟/停堆工況下穩(wěn)壓器安全閥提供低溫超壓保護(hù)的安全性評(píng)價(jià)結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】穩(wěn)壓器安全閥；低溫超壓保護(hù)；水密實(shí)；啟/停堆工況；安全分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TL364 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）05-0015-003

【Abstract】In view of the safety requirements of the third generation nuclear power plant for overpressure protection in low-temperature water-tight conditions，the design of the ACP1000 reactor coolant system uses Pressurizer Safety-valves （PSRV） to provide low-temperature overpressure protection.The principle of protection is that the protection system controls the solenoid pilot to actuate the safety-valves on/off.In this paper，the safety analysis of low temperature overpressure protection solutions of ACP1000 reactor coolant system is carried out.Firstly，the conservative valve relief model is established by the results of the safety valve verification test，and the valve dynamic model of transient process is established.Then，the transient events under the start/shutdown conditions are selected as the initial hypothesis to simulate the transient conditions of the reactor coolant system.Finally，the safety analysis results of the Pressurizer Safety-valves to provide low-temperature overpressure protection is obtained under the start/shutdown condition of the ACP1000 nuclear power plant.

【Key words】Pressurizer Safety-valve；Low-temperature overpressure protection；Water tightness；Start-up and shutdown conditions；Safety analysis

0 前言

ACP1000是我國(guó)自主設(shè)計(jì)的具有三代核電水平的百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水反應(yīng)堆，其反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)在二代核電廠M310堆型基礎(chǔ)上進(jìn)行了諸多改進(jìn)和優(yōu)化，以滿足三代核電設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。我國(guó)核安全導(dǎo)則[1]明確要求“對(duì)于壓水堆，在低溫運(yùn)行時(shí)（如在穩(wěn)壓器處于水密實(shí)工況下的啟動(dòng)和停堆過(guò)程中）提供超壓保護(hù)”。美國(guó)核管會(huì)的技術(shù)見(jiàn)解[2]也指出“特別要關(guān)注低溫水密實(shí)工況下的超壓保護(hù)”。“低溫水密實(shí)工況”是指反應(yīng)堆處于停堆，穩(wěn)壓器滿水的狀態(tài)，此時(shí)冷卻劑溫度一般低于120℃，核電廠必須采取有效的保護(hù)措施以防止冷卻劑系統(tǒng)超壓。在現(xiàn)有的M310核電廠中，低溫超壓保護(hù)功能由接入反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的余熱排出系統(tǒng)（RHRS）的安全閥提供。在啟/停堆工況下由于存在RHRS被誤隔離或者RHRS安全閥出現(xiàn)故障的可能性，旨在應(yīng)對(duì)該卸壓途徑不可用情況下發(fā)生的超壓瞬態(tài)事件，ACP1000核電廠采取了穩(wěn)壓器安全閥（PSRV）提供低溫超壓保護(hù)的改進(jìn)方案。

本文針對(duì)ACP1000穩(wěn)壓器安全閥（PSRV）提供低溫超壓保護(hù)方案開(kāi)展了評(píng)價(jià)模型研究，通過(guò)假設(shè)的極限條件下的超壓事故工況瞬態(tài)分析，評(píng)價(jià)ACP1000核電廠啟/停堆工況下的事故預(yù)防與緩解措施的安全性。

1 ACP1000低溫超壓保護(hù)方案

ACP1000核電廠采用穩(wěn)壓器安全閥（PSRV）提供低溫超壓保護(hù)，該方案的原理可以概括為“手動(dòng)建立，自動(dòng)保護(hù)”。具體來(lái)講，在啟/停堆工況期間，當(dāng)滿足低溫超壓保護(hù)的溫度范圍時(shí)相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)出現(xiàn)，操縱員手動(dòng)將PSRV工作模式由“正常保護(hù)模式”切換到“低溫保護(hù)模式”。當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力超過(guò)閥門(mén)開(kāi)啟整定值時(shí)，由相應(yīng)的控制邏輯和設(shè)備自動(dòng)觸發(fā)PSRV開(kāi)啟，防止冷卻劑系統(tǒng)超壓，確保壓力邊界的完整性。PSRV開(kāi)啟后系統(tǒng)壓力下降到一定水平時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉PSRV，防止過(guò)度卸壓。

低溫超壓保護(hù)方案關(guān)聯(lián)的主要設(shè)備包括PSRV、測(cè)量系統(tǒng)、控制保護(hù)邏輯以及操縱員接口。其中，PSRV采用了SEBIM公司的雙控先導(dǎo)式閥門(mén)，由三組并聯(lián)的先導(dǎo)式安全閥構(gòu)成，每組安全閥除了設(shè)置有功率運(yùn)行工況下執(zhí)行超壓保護(hù)功能的彈簧先導(dǎo)裝置以外，還設(shè)置有用于將安全閥強(qiáng)制開(kāi)啟的電磁先導(dǎo)裝置。在啟/停堆工況下執(zhí)行低溫超壓保護(hù)功能，是通過(guò)系統(tǒng)壓力測(cè)量信號(hào)觸發(fā)PSRV電磁先導(dǎo)裝置動(dòng)作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)安全閥主閥開(kāi)啟/關(guān)閉。

3 穩(wěn)壓器安全閥模型

3.1 閥門(mén)卸壓模型

PSRV為低溫超壓保護(hù)方案的關(guān)鍵設(shè)備，安全閥的啟閉定值和卸壓能力是安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，需建立相適應(yīng)的閥門(mén)卸壓模型。在啟/停堆工況，按照電廠運(yùn)行模式，當(dāng)冷卻劑溫度低于120℃時(shí)，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)處于水密實(shí)狀態(tài)，因此，選取單相水排放模型作為安全閥的卸壓模型。下面對(duì)兩種典型的單相水排放模型進(jìn)行分析。

1）修正的ZALOUDEK模型

修正的ZALOUDEK模型適用于過(guò)冷水臨界流計(jì)算，見(jiàn)公式（1）和（2）：

2）閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)模型

閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)模型見(jiàn)公式（3），其中閥門(mén)排放系數(shù)需要相應(yīng)試驗(yàn)提供。

3. 閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)模型

將以上兩種單相水排放模型的計(jì)算結(jié)果與安全閥鑒定試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖1），在相同壓力范圍內(nèi)，ZALOUDEK模型的計(jì)算值較鑒定試驗(yàn)值偏大，對(duì)超壓分析而言該模型不保守。采用閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)模型，當(dāng)？灼取值為0.441時(shí)，相同壓力下閥門(mén)排放流量計(jì)算值低于鑒定試驗(yàn)值，并且具有10%的分析裕量，因此，低溫水密實(shí)工況超壓分析選取閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)模型。

3.2 閥門(mén)動(dòng)態(tài)模型

在超壓瞬態(tài)分析中利用系統(tǒng)程序?qū)Π踩y在瞬態(tài)過(guò)程中的響應(yīng)動(dòng)作進(jìn)行模擬，擬計(jì)算出穩(wěn)壓器安全閥的開(kāi)啟時(shí)刻、動(dòng)作時(shí)間以及開(kāi)度等，根據(jù)安全閥的開(kāi)度可以獲得閥門(mén)當(dāng)前時(shí)刻的過(guò)水流量，閥門(mén)的動(dòng)作時(shí)間包括閥門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間。針對(duì)瞬態(tài)過(guò)程建立的安全閥動(dòng)作模型如下：

第一步，計(jì)算閥門(mén)達(dá)到開(kāi)啟整定值的時(shí)刻。

由圖2可知，假設(shè)（T-DT，T）時(shí)間范圍內(nèi)系統(tǒng)壓力為線性變化，其中，POLD為T(mén)-DT時(shí)刻測(cè)量點(diǎn)位置的壓力，P為T(mén)時(shí)刻測(cè)量點(diǎn)位置的壓力，計(jì)算閥門(mén)達(dá)到開(kāi)啟整定值PO的時(shí)刻TOUVSPR。如果TOUVSPR在（T-DT，T）范圍內(nèi)，說(shuō)明閥門(mén)在當(dāng)前計(jì)算步長(zhǎng)內(nèi)達(dá)到開(kāi)啟壓力，需進(jìn)一步計(jì)算閥門(mén)開(kāi)度；如果TOUVSPR大于T，說(shuō)明閥門(mén)在當(dāng)前計(jì)算步長(zhǎng)內(nèi)未達(dá)到開(kāi)啟壓力。

第二步，計(jì)算閥門(mén)的開(kāi)度。

1）如果T-DT時(shí)刻閥門(mén)未開(kāi)啟，且閥門(mén)達(dá)到開(kāi)啟整定值的時(shí)刻位于當(dāng)前計(jì)算步長(zhǎng)內(nèi)，則：

式中，OUVSP0為閥門(mén)初始開(kāi)度；TRO為閥門(mén)開(kāi)啟的死區(qū)時(shí)間，也就是TOUVSPR時(shí)刻達(dá)到閥門(mén)的開(kāi)啟整定值，TOUVSPR+TRO時(shí)刻閥門(mén)才開(kāi)始打開(kāi)；DTO為閥門(mén)完全打開(kāi)所需的時(shí)間，等式右邊第二項(xiàng)表示T時(shí)刻閥門(mén)增加的開(kāi)度；

2）如果T-DT時(shí)刻閥門(mén)已開(kāi)啟，且閥門(mén)達(dá)到開(kāi)啟整定值的時(shí)刻小于T-DT，這時(shí)閥門(mén)處于持續(xù)開(kāi)啟狀態(tài)，開(kāi)度計(jì)算方法同1）；

3）如果OUVSPR大于1，則閥門(mén)完全打開(kāi)，置開(kāi)度為1。

需要說(shuō)明的是，由圖3可知曲線I表示程序模擬的閥門(mén)開(kāi)啟是線性的，而曲線II反映了實(shí)際的閥門(mén)開(kāi)啟特性，針對(duì)超壓分析而言，程序模擬的閥門(mén)特性是偏保守的。

4 安全評(píng)價(jià)

系統(tǒng)超壓分析通常選取極限的能量輸入或質(zhì)量輸入工況作為初因事件，經(jīng)論證分析，在ACP1000核電廠啟/停堆工況下，反應(yīng)堆冷卻劑泵誤停后再啟動(dòng)和中壓安注誤動(dòng)作引起的系統(tǒng)超壓是這兩類(lèi)工況中最嚴(yán)重的。因此，通過(guò)對(duì)這兩種工況的瞬態(tài)計(jì)算，以評(píng)價(jià)ACP1000穩(wěn)壓器安全閥提供低溫超壓保護(hù)方案的有效性。

4.1 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則及分析輸入

根據(jù)ACP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力-溫度限制曲線，當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑溫度小于反應(yīng)堆壓力容器材料無(wú)延性轉(zhuǎn)變參考溫度時(shí)，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力超過(guò)低溫狀態(tài)下的壓力限值4.6MPa可能引起壓力容器局部發(fā)生脆性斷裂。因此，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)低溫水密實(shí)工況安全評(píng)價(jià)的壓力限值取4.6MPa。

采用THEMIS程序進(jìn)行計(jì)算，THEMIS程序能夠模擬壓水堆核電站瞬態(tài)工況下的系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程。對(duì)低溫水密實(shí)工況反應(yīng)堆各個(gè)部件的初始狀態(tài)、穩(wěn)壓器安全閥特性、質(zhì)量輸入和能量輸入工況的初因事件進(jìn)行建模。在分析建模時(shí)需全面考慮單一故障、測(cè)量通道的延遲時(shí)間和精度、安全閥的背壓、閥門(mén)動(dòng)作的死區(qū)時(shí)間和行程時(shí)間、閥門(mén)開(kāi)啟/關(guān)閉的壓力整定值等具體參數(shù)值。

4.2 中壓安注誤動(dòng)作

當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)處于單相滿水時(shí)，由于各種原因，如操縱員誤動(dòng)作，中壓安注泵投入運(yùn)行。由于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)處于單相滿水狀態(tài)，這種額外的質(zhì)量注入將迅速引起反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)和余熱排出系統(tǒng)壓力升高，升高的幅度取決于質(zhì)量注入的速率。分析中假設(shè)全部?jī)闪兄袎喊沧⒄`啟動(dòng)且最小流量管線關(guān)閉，三組穩(wěn)壓器安全閥中有兩組有效。

圖4比較了RHRS安全閥和穩(wěn)壓器安全閥分別獨(dú)立應(yīng)對(duì)該事件的卸壓效果，從圖中可見(jiàn)依靠穩(wěn)壓器安全閥卸壓的系統(tǒng)壓力峰值為4.47MPa，沒(méi)有超過(guò)低溫工況下的壓力限值4.6MPa。而單獨(dú)依靠RHRS安全閥卸壓則不能有效緩解壓力瞬態(tài)，瞬態(tài)初期系統(tǒng)壓力峰值達(dá)到4.91MPa。

圖5比較了瞬態(tài)過(guò)程中RHRS安全閥和穩(wěn)壓器安全閥的過(guò)水流量，兩種安全閥的過(guò)水流量基本相當(dāng)。在閥門(mén)動(dòng)作時(shí)間的性能指標(biāo)上，穩(wěn)壓器安全閥優(yōu)于RHRS安全閥，由此可見(jiàn)安全閥的動(dòng)作時(shí)間在緩解系統(tǒng)瞬態(tài)壓力方面起主要作用。

4.3 反應(yīng)堆冷卻劑泵誤啟動(dòng)

在啟/停堆工況，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)處于水密實(shí)狀態(tài)，反應(yīng)堆冷卻劑泵有可能停運(yùn)，系統(tǒng)持續(xù)降溫，蒸發(fā)器二次側(cè)熱量沒(méi)有及時(shí)導(dǎo)出，在一段時(shí)間后一次側(cè)和二次側(cè)間就建立起溫差。當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑泵重新啟動(dòng)后，一回路較冷的冷卻劑流經(jīng)蒸汽發(fā)生器會(huì)被加熱。由于系統(tǒng)處于單相滿水狀態(tài)，冷卻劑被加熱后體積膨脹會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)壓力升高，升高幅度取決于一、二次側(cè)溫差的大小。

分析中考慮一、二次側(cè)最大溫差為160℃，實(shí)際溫差遠(yuǎn)小于該數(shù)值，假設(shè)三組穩(wěn)壓器安全閥中有兩組有效，該工況反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力峰值為4.16MPa（見(jiàn)圖6），小于低溫工況下的壓力限值4.6MPa。總的來(lái)看，對(duì)于ACP1000而言，能量輸入工況瞬態(tài)壓力峰值低于質(zhì)量輸入的工況。

5 結(jié)論

ACP1000系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用穩(wěn)壓器安全閥提供低溫超壓保護(hù)，根據(jù)穩(wěn)壓器安全閥和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)建立了偏保守的安全分析模型，分別針對(duì)中壓安注誤啟動(dòng)和反應(yīng)堆冷卻劑泵誤啟動(dòng)兩種極限的初因事件，利用系統(tǒng)程序開(kāi)展了低溫工況下反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的超壓瞬態(tài)模擬，評(píng)價(jià)了ACP1000低溫超壓保護(hù)方案的有效性。安全分析結(jié)果表明：

（1）針對(duì)啟/停堆工況可能出現(xiàn)極限的質(zhì)量輸入和能量輸入瞬態(tài)工況，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力峰值滿足限值要求，穩(wěn)壓器安全閥提供低溫超壓保護(hù)的方案滿足安全要求。

（2）對(duì)于ACP1000系統(tǒng)而言，質(zhì)量輸入瞬態(tài)工況的壓力峰值比能量輸入工況的峰值大很多，建議加強(qiáng)低溫水密實(shí)工況中壓安注誤動(dòng)作的防范措施及運(yùn)行監(jiān)督要求，例如進(jìn)入低溫工況后打開(kāi)中壓安注泵的最小流量管線，以減小中壓安注啟動(dòng)工況下注入的冷卻劑速率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]HAD102-08，核動(dòng)力廠反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)及其有關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，第4.2.8.3節(jié).

[2]NRC Branch Technical Position 5-2， Overpressure Protection of Pressurized Water Reactors While Operating at Low Temperature，Standard Review Plan，U.S.Nuclear Regulatory Commission，March 2007.