盛美玲,丘錦萌,唐 輝,楊志義
(1.華龍國際核電技術(shù)有限公司,北京 100036;2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心,北京 100082)
反應(yīng)堆停堆后,堆芯的剩余功率發(fā)出的熱量在很長一段時間內(nèi)仍需要被帶出。在正常停堆冷卻的第二階段,余熱排出系統(tǒng)(RHR)將堆芯熱量傳到設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和重要廠用水系統(tǒng),使反應(yīng)堆堆芯溫度降低至冷停堆溫度。在余熱排出系統(tǒng)接入階段或運行期間,若余排管線發(fā)生破口事故,一回路冷卻劑喪失,在操作人員不及時采取補水、恢復(fù)余熱排出功能及隔離破口等措施的情況下,可能會嚴(yán)重影響反應(yīng)堆的安全[1]。
針對余熱排出系統(tǒng)冷卻劑喪失事故的研究有很多,主要集中在半管運行(主要是在維修冷停堆階段)時余熱排出系統(tǒng)喪失[2-5]的工況。該工況下會出現(xiàn)堆芯熱量無法導(dǎo)出和空氣進入余排泵吸入管線對泵造成損壞的狀況。而針對在單相或兩相冷停堆期間,余熱排出系統(tǒng)接入一回路且主管道滿水運行時,余熱排出系統(tǒng)發(fā)生破口事故導(dǎo)致冷卻劑喪失的影響分析較少?!逗藙恿S設(shè)計安全規(guī)定》(HAF 102—2016)[6]針對設(shè)計基準(zhǔn)事故指出,電廠必須返回到安全狀態(tài),即需要保證堆芯長期導(dǎo)出余熱,這對余熱排出系統(tǒng)的整個運行周期都提出了更高的要求。因此,我們需要全面評估余熱排出系統(tǒng)在接入階段發(fā)生事故時的安全性和可運行性。
根據(jù)國內(nèi)三代核電機組的設(shè)計特性,余熱排出系統(tǒng)故障或失效會造成安全殼外一回路冷卻劑喪失的事故,使放射性物質(zhì)釋放到環(huán)境中[7]。因此,設(shè)計人員需要對余熱排出系統(tǒng)在安全殼外的管線發(fā)生破口進行分析,并使設(shè)計方案有效隔離破口。
本文針對華龍一號的余熱排出系統(tǒng)在停堆期間發(fā)生的破口事故工況進行分析,驗證余熱排出系統(tǒng)在接入階段發(fā)生破口事故時的設(shè)計方案是否滿足要求。
華龍一號的余熱排出系統(tǒng)(RHR)設(shè)置了獨立的兩個系列從一回路的兩個環(huán)路的熱段取水,分別通過一臺泵和一個熱交換器后,返回至一回路的兩個環(huán)路的冷段(交叉環(huán)路取水和回水),RHR流程如圖1所示。
圖1 余熱排出系統(tǒng)流程簡圖Fig.1 Flow diagram of residual heat removal system
在余熱排出系統(tǒng)與一回路熱段相連的取水管線上設(shè)有一回路壓力邊界隔離閥0001VP∕0002VP,以及一回路壓力邊界隔離閥兼安全殼隔離閥0003VP∕0004VP,安全殼外設(shè)置安全殼隔離閥0005VP∕0006VP,這6個閥門均是電動隔離閥。每一列余熱排出管線設(shè)置一臺余排泵0001PO∕0002PO和一臺熱交換器0003RF∕0004RF。在余熱排出系統(tǒng)與一回路冷段相連的回水管線上設(shè)置有安全殼隔離閥0007VP∕0008VP和安全殼內(nèi)的止回閥0009VP∕0010VP。
反應(yīng)堆正常運行時,余熱排出系統(tǒng)與一回路隔離,一回路壓力邊界隔離閥0001VP∕0002VP、一回路壓力邊界隔離閥兼安全殼隔離閥0003VP∕0004VP、安 全 殼 隔 離 閥0005VP∕0006VP和0007VP∕0008VP均處于關(guān)閉狀態(tài)。
余熱排出系統(tǒng)分為兩個互相獨立的系列,即第一列和第二列,分布在兩個獨立的廠房。通常,第一列的電動隔離閥和余排泵由A 列電源供電,第二列的電動隔離閥和余排泵由B列電源供電。
只在停堆期間且達到余熱排出系統(tǒng)接入條件時,如一回路壓力降至3.0 MPa,溫度降至180℃時,RHR系統(tǒng)才投運。
余熱排出系統(tǒng)直接與一回路相連,當(dāng)余熱排出系統(tǒng)管線(尤其是第一道隔離閥上游管線)發(fā)生破裂時,相當(dāng)于一回路發(fā)生了冷卻劑喪失事故(LOCA),而且這種情況下的破口為不可隔離的破口。由于余熱排出系統(tǒng)的能動設(shè)備設(shè)置在安全殼外,當(dāng)安全殼外的余熱排出系統(tǒng)管線發(fā)生破裂時,相當(dāng)于安全殼發(fā)生了旁路事故[8]。本文主要針對這兩種破口位置對余熱排出系統(tǒng)的破口事故進行分析。
RHR 系統(tǒng)與一回路直接相連的第一道隔離閥0001VP∕0002VP 之間的管線破口屬于不可隔離的破口。如果破口尺寸較大,屬于中、大LOCA,則一回路的水裝量會持續(xù)下降,直至下降到主管道標(biāo)高以下。此時,余熱排出系統(tǒng)無法接入,安全注入系統(tǒng)和穩(wěn)壓器安全閥執(zhí)行充—排操作,完成對堆芯的冷卻。如果破口尺寸較小,屬于小LOCA,則一回路的水裝量由安全注入系統(tǒng)保持,達到余熱排出系統(tǒng)的接入條件時,RHR系統(tǒng)完成對堆芯的冷卻。
在RHR 系統(tǒng)與一回路直接相連的第一道隔離閥0001VP∕0002VP 之間的管線發(fā)生小破口時,不同堆型的余熱排出系統(tǒng)采用不同的應(yīng)對策略。AP1000 堆型的余熱排出系統(tǒng)設(shè)計為非安全相關(guān)系統(tǒng),在設(shè)計基準(zhǔn)事故的環(huán)節(jié)中,可以由非能動的余熱排出系統(tǒng)完成堆芯冷卻[9]。WWER堆型的余熱排出系統(tǒng)有4個獨立系列[10],某一列發(fā)生小破口事故,疊加有一列發(fā)生單一故障的情況下,仍然有兩個余熱排出系列可以實現(xiàn)堆芯的冷卻。與上述堆型不同,華龍一號設(shè)置了兩個獨立的余熱排出系列用于應(yīng)對設(shè)計基準(zhǔn)事故,保證了核電廠的經(jīng)濟性和安全性。
當(dāng)RHR 系統(tǒng)與一回路直接相連的第一道隔離0001VP∕0002VP 之間的管線發(fā)生小破口事故,且疊加未發(fā)生破口的余熱排出系列發(fā)生單一故障時,上一節(jié)的余熱排出系統(tǒng)無法正常投運。此時,安全注入系統(tǒng)投入運行,維持一回路水裝量穩(wěn)定,堆芯冷卻需要由帶有小破口的余熱排出系列完成,下面就該工況進行具體分析,事故的初始條件見表1。
表1 事故的初始條件Table 1 The initial condition of the accident
在余排泵上游發(fā)生破口,且達到余熱排出系統(tǒng)接入條件時,一部分流量從破口處流出至安全殼,導(dǎo)致破口位置上游的管線阻力增加,對余排泵的吸入口處的壓力產(chǎn)生影響,進而可能影響泵的有效汽蝕余量[11]。又因為在該工況下,余排泵的上游壓力較大(3.0MPa),不會有空氣進入余排泵的吸入管線。所以,在此工況和初始條件下,我們只需要分析余排泵的汽蝕余量是否滿足要求,就可以判斷余排泵是否能夠有效運行。
當(dāng)安全殼外的余熱排出系統(tǒng)管線發(fā)生破裂時,放射性核素會隨著一回路冷卻劑的排放直接釋放到環(huán)境中。此時,我們需在事故發(fā)生后及時隔離破口,以減少放射性核素向環(huán)境的釋放。隔離時間越早,對環(huán)境造成的放射性后果越?。?]。
AP1000 堆型的余熱排出系統(tǒng)安全殼外隔離閥與一回路之間的部分采用全壓設(shè)計的理念,并引入“破前漏”(Leak Before Break,LBB)的設(shè)計概念。這種設(shè)計可以降低此種冷卻劑喪失事故的發(fā)生[12]。
華龍一號的余熱排出系統(tǒng)的設(shè)計同樣采用了全壓設(shè)計的理念。全壓設(shè)計降低了安全殼外隔離閥上游管線發(fā)生破口事故的概率。因此,本文重點分析安全殼外隔離閥下游區(qū)域的破口事故,即分析破口發(fā)生在安全殼隔離閥0005VP∕0006VP 的下游與余排泵0001PO∕0002PO 的上游之間,且余排泵的停運不能對破口實現(xiàn)隔離時,余熱排出系統(tǒng)方案隔離的有效性。
在一回路與隔離閥0001VP∕0002VP 之間的管線發(fā)生小破口時,由于破口處的背壓為安全殼內(nèi)的環(huán)境壓力(約為一個大氣壓),而上游壓力為一回路壓力,所以,在余熱排出系統(tǒng)整個接入階段,一回路的壓力變化范圍較大,我們需要根據(jù)不同壓力范圍判定破口處是否發(fā)生了阻塞流,進而進行破口流量和余排泵汽蝕余量的計算。
3.1.1 發(fā)生阻塞流時破口分析
在余熱排出系統(tǒng)剛接入一回路時,一回路的壓力為3.0 MPa,溫度為180℃,此時破口上游壓力較大。根據(jù)阻塞流的判斷依據(jù),背壓小于流體的飽和蒸氣壓時,部分流體汽化,此后流量不會再增加,即發(fā)生了阻塞流[13,14]。
阻塞流質(zhì)量流密度G的計算公式:
式中,G——發(fā)生阻塞流的質(zhì)量流密度,kg∕(m2·s);
ρ——流體介質(zhì)的密度,kg∕m3;
p0——破口上游壓力,Pa;
pc——破口下游壓力,Pa。
流經(jīng)破口處的流量W的計算公式:
式中,W——破口處的流量,kg∕s;
D——破口處的直徑,m。
本文根據(jù)表1 的假設(shè)條件、式(1)和式(2),得到發(fā)生破口時的計算結(jié)果,破口處的冷卻劑流量為85.96 kg∕s,見表2。
表2 破口流量計算參數(shù)和結(jié)果Table 2 The parameters and results of break flow rate analysis
在得到破口處的流量后,我們需要對余排泵的有效汽蝕余量(NPSHa)進行計算,公式如下:
式中,NPSHa——余排泵的有效汽蝕余量,m;
pa——一回路絕對壓力,Pa;
psat——一回路冷卻劑溫度對應(yīng)的飽和壓力,Pa;
ρ1——流體介質(zhì)的密度,kg∕m3;
ΔH——一回路熱管段最低液位與余排泵的標(biāo)高的高差,m;
Δp——余排泵吸入管線的阻力,Pa。
根據(jù)系統(tǒng)管道阻力的計算方法[15],每段管道的阻力損失可以表征為阻力系數(shù)與流量平方的乘積。由于破口位置前后的流量不同,因此,本文需要分別計算各自的壓力損失,表3為計算條件及結(jié)果。其中Δp1和Δp2分別為余排泵吸入管線發(fā)生破口位置前、后的管線阻力,Pa;R1和R2分別為余排泵吸入管線發(fā)生破口位置前、后的管線阻力系數(shù);W1和W2分別為余排泵吸入管線發(fā)生破口位置前、后的流量,kg∕s。
表3 余排泵汽蝕余量計算參數(shù)和結(jié)果Table 3 The parameters and results of NPSHafor the residual heat removal pump
由表3 可知,有效汽蝕余量(NPSHa)為224 m,由于現(xiàn)有在役電站余熱排出泵的必需汽蝕余量(NPSHr)一般約為3 m,所以,該設(shè)計滿足有效汽蝕余量大于必需汽蝕余量的要求。
3.1.2 未發(fā)生阻塞流時破口分析
在余熱排出系統(tǒng)對一回路進行冷卻的后期,一回路壓力降至0.1 MPa,溫度降至60℃。此時破口上游壓力較低,根據(jù)阻塞流的判斷依據(jù),背壓大于流體的飽和蒸氣壓時,破口處未發(fā)生阻塞流。
流經(jīng)破口處的流量W的計算公式[15]:
式中,ρ1——流體介質(zhì)的密度,kg∕m3;
根據(jù)式(3)和式(4)可以計算出余排泵汽蝕余量和破口處的流量,相關(guān)結(jié)果見表4。
表4 破口流量及余排泵汽蝕余量計算參數(shù)和結(jié)果Table 4 The parameters and results of break flow rate and NPSHafor the residual heat removal pump
由表4 可知,有效汽蝕余量(NPSHa)為10.03 m。由于現(xiàn)有在役電站的余熱排出泵的必需汽蝕余量(NPSHr)一般約為3 m,所以,該設(shè)計滿足有效汽蝕余量大于必需汽蝕余量的要求。
3.1.3 一回路各類溫度下破口分析
由于余熱排出系統(tǒng)需要把一回路溫度從180℃降至60℃,所以,針對停堆階段一回路處于各類溫度和壓力下的小破口,我們需要進行破口流量和余排泵汽蝕余量分析,結(jié)果見表5。
表5 各類溫度下破口分析Table 5 The analysis of break flow under different temperatures
由表5可知,在停堆階段,余熱排出系統(tǒng)接入一回路后,若余排管線發(fā)生不可隔離的小破口,堆芯狀態(tài)、破口流量和余排泵的汽蝕余量均不同。在一回路壓力較高時,隨著溫度的降低,破口流量不斷增大,但是余排泵的有效汽蝕余量也增加;在一回路溫度降低至冷停堆60℃時,隨著一回路壓力的降低,破口流量不斷減小,但是余排泵的有效汽蝕余量也在減小。余排泵有效汽蝕余量的最低值為10.03 m,仍高于余排泵的必需汽蝕余量。所以,該設(shè)計滿足有效汽蝕余量大于必需汽蝕余量的要求,堆芯熱量可以由帶有小破口的余排列導(dǎo)出。
安全殼隔離閥的狀態(tài)在反應(yīng)堆正常運行和停堆工況下,取決于系統(tǒng)本身的運行要求[16]。本文對余熱排出系統(tǒng)吸入管線在安全殼內(nèi)外設(shè)置的安全殼隔離閥的狀態(tài)考慮如下:一回路壓力邊界隔離閥兼安全殼隔離閥0003VP∕0004VP為常關(guān)狀態(tài),安全殼外隔離閥0005VP∕0006VP的狀態(tài)可以為常關(guān),也可以為常開。因此,本文對安全殼外隔離閥的兩種情況分別進行破口事故分析。
3.2.1 安全殼外隔離閥常開
當(dāng)安全殼外隔離閥0005VP∕0006VP 的狀態(tài)為常開時,本文分析破口發(fā)生在安全殼隔離閥0005VP 或0006VP 的下游,余排泵0001PO∕0002PO 的上游的情況。由于兩列完全獨立,配置相同,分布在兩個安全廠房內(nèi),因此,僅以第一列余熱排出管線為例,即破口發(fā)生在0005VP下游,第二列管線的情況同理可知。
上一節(jié)提到發(fā)生這種破口事故時,操作人員需要快速隔離破口,減少放射性核素的釋放。但在發(fā)生上述事故時,我們需要考慮疊加單一故障要求[17,18]。本文假設(shè)的單一故障是喪失一列電源,對應(yīng)供電列的電動閥保持原位,無法進行控制。
根據(jù)前述章節(jié)的描述,余熱排出系統(tǒng)通常的配電設(shè)計是第一列由A 列電源供電,第二列由B列電源供電。但是,在發(fā)生安全殼外的余排管線破口疊加喪失一列電源時,發(fā)生破口的余排管線無法隔離,放射性核素將持續(xù)釋放到環(huán)境中。
因此,對于安全殼外隔離閥屬于常開的余熱排出系統(tǒng),安全殼內(nèi)外隔離閥的供電方案需進行改進,如圖2所示。其中,第一列的安全殼內(nèi)隔離閥由A列供電,安全殼外隔離閥由B列供電,第二列同理。當(dāng)0005VP 和0001PO 之間的管線發(fā)生破口時,0003VP和0005VP均接收關(guān)閉信號,相應(yīng)廠房的壓力和液位監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到破口并發(fā)出該信號。同時,考慮疊加單一故障,A 列電源喪失(B 列電源喪失同理),0003VP 無法控制,0005VP閥門可以實現(xiàn)隔離功能。
圖2 安全殼外隔離閥常開時的供電示意圖Fig.2 Schematic diagram of power supply when the containment isolation valve is normally open
在停堆、需要余熱排出系統(tǒng)開啟、投入運行的工況下,若考慮疊加單一故障要求(本處也假設(shè)喪失一列電),0003VP 或0004VP 其中一個閥門無法開啟,但是由于0005VP 和0006VP處于常開狀態(tài),只要保證0003VP 和0004VP 其中一個閥門能夠打開,即可投運一列余熱排出系統(tǒng)。
3.2.2 安全殼外隔離閥常關(guān)
當(dāng)安全殼外隔離閥0005VP∕0006VP 的狀態(tài)為常關(guān)時,本文分析破口發(fā)生在安全殼隔離閥0005VP的下游,余排泵0001PO的上游的情況。
若余熱排出系統(tǒng)配電設(shè)計是第一列由A 列電源供電,第二列由B列電源供電,在發(fā)生安全殼外的余排管線破口疊加喪失一列電源時,發(fā)生破口的余排管線無法隔離。若第一列的安全殼內(nèi)隔離閥由A列供電,安全殼外隔離閥由B列供電,第二列的安全殼內(nèi)隔離閥由B列供電,安全殼外隔離閥由A 列供電,在發(fā)生安全殼外的余排管線破口疊加喪失一列電源時,發(fā)生破口的余排管線可以實現(xiàn)隔離。但是,在停堆階段,對于需要余熱排出系統(tǒng)開啟、投入運行的工況,若考慮疊加單一故障要求,假設(shè)喪失A列電,0003VP 和0006VP 無法開啟,由于0005VP和0006VP處于常關(guān)狀態(tài),兩列余熱排出系統(tǒng)均無法投運。
因此,對于安全殼外隔離閥屬于常關(guān)的余熱排出系統(tǒng),安全殼內(nèi)外隔離閥的供電方案需進行改進,如圖3所示。其中,第一列的安全殼內(nèi)隔離閥由A列供電,安全殼外隔離閥由B∕A列交叉供電,即平時由B列供電,如果需要切換供電時,可由操作員手動切換到A 列供電,第二列同理。當(dāng)0005VP 和0001PO 之間的管線發(fā)生破口時,0003VP和0005VP均接受關(guān)閉信號。同時,考慮疊加單一故障,A列電喪失(B列電喪失同理),0003VP 無法控制,0005VP 閥門可以實現(xiàn)隔離功能。
圖3 安全殼外隔離閥常關(guān)時的供電示意圖Fig.3 Schematic diagram of power supply when the isolation valve outside the containment is normally closed
在停堆、需要余熱排出系統(tǒng)開啟、投入運行的工況下,若考慮疊加單一故障要求(假設(shè)喪失一列電),假設(shè)喪失A 列電,0003VP 和0006VP 無法開啟,由于0005VP 和0006VP 處于常關(guān)狀態(tài),兩列余熱排出系統(tǒng)均無法投運,需要操作員手動切換0006VP 為B 列供電,第二列余熱排出系統(tǒng)可以投運。在停堆、需要余熱排出系統(tǒng)投運對堆芯進行冷卻(屬于第二階段冷卻)時,堆芯的熱工參數(shù)較低,由操作員手動切換電源之后,開啟余熱排出系統(tǒng),仍滿足安全分析要求。
通過上述兩節(jié)的分析可知,余熱排出系統(tǒng)與一回路相連的管線發(fā)生不可隔離的小破口時,余熱排出系統(tǒng)可對堆芯進行冷卻,帶有小破口的余熱排出管線的余排泵不會發(fā)生汽蝕風(fēng)險,能夠?qū)崿F(xiàn)堆芯冷卻功能。
余熱排出系統(tǒng)安全殼外的管線發(fā)生破口可能造成安全殼旁通事故,無論是安全殼外隔離閥是常開還是常關(guān)狀態(tài),均能實現(xiàn)自動隔離,且不影響余熱排出系統(tǒng)需要投運時的功能。
本文主要針對華龍一號的余熱排出系統(tǒng)的破口事故導(dǎo)致冷卻劑喪失的工況進行分析,分別論證了在余熱排出系統(tǒng)與一回路相連的管線發(fā)生不可隔離的小破口時,余排泵的汽蝕余量滿足要求。本文通過對余熱排出系統(tǒng)接入階段的破口事故分析,可以進一步為余熱排出系統(tǒng)的工程設(shè)計和優(yōu)化提供參考。