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        蒸汽系統(tǒng)管道破裂事故多樣性保護(hù)驗(yàn)證研究

        2022-11-24 02:49:52陳宏霞吳廣皓方紅宇邱志方蔣孝蔚
        科技視界 2022年23期
        關(guān)鍵詞:故障系統(tǒng)

        陳宏霞 吳廣皓 方紅宇 邱志方 蔣孝蔚

        (核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610213)

        0 引言

        多樣性保護(hù)系統(tǒng)(Diverse Actuation System,DAS)是田灣5、6號(hào)機(jī)組重要改進(jìn)項(xiàng)之一,用以應(yīng)對(duì)數(shù)字化控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)發(fā)生軟件共模故障。當(dāng)DCS系統(tǒng)發(fā)生軟件共模故障時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致不能觸發(fā)緊急停堆功能、專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)功能等緩解事故后果的保護(hù)功能,從而危及反應(yīng)堆的安全。DAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)獨(dú)立于DCS系統(tǒng)的另一套保護(hù)系統(tǒng)。DAS保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能為:在正常情況下,由DCS系統(tǒng)為反應(yīng)堆提供保護(hù);在DCS系統(tǒng)發(fā)生軟件共模故障的情況下,由DAS系統(tǒng)為反應(yīng)堆提供保護(hù)。

        蒸汽系統(tǒng)管道破裂屬于IV類工況極限事故[1],存在著放射性物質(zhì)大量釋放的潛在后果。發(fā)生蒸汽系統(tǒng)管道破裂后,蒸汽從破口排放,最初使蒸汽流量增加,之后由于蒸汽壓力下降,蒸汽流量減小。從一回路導(dǎo)出能量增加導(dǎo)致冷卻劑的溫度和壓力下降。在慢化劑負(fù)溫度系數(shù)的作用下,冷卻劑降溫導(dǎo)致正反應(yīng)性引入,威脅核電廠的安全。本文對(duì)蒸汽系統(tǒng)管道破裂事故疊加軟件共模故障進(jìn)行了分析研究,驗(yàn)證田灣5、6號(hào)機(jī)組多樣性保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否能夠確保反應(yīng)堆裝置的安全。

        1 多樣性保護(hù)設(shè)計(jì)

        DAS系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)是兩套獨(dú)立的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)。在核電廠正常運(yùn)行時(shí),DAS系統(tǒng)作為DCS系統(tǒng)的備用保護(hù)系統(tǒng),因此DAS系統(tǒng)設(shè)計(jì),既要滿足安全性的要求,又要有較高的經(jīng)濟(jì)性。DAS系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)是以DCS系統(tǒng)為基礎(chǔ),從核電廠始發(fā)事件出發(fā),對(duì)DAS系統(tǒng)保護(hù)的事故工況進(jìn)行了篩選,其篩選原則如下:

        (1)只考慮單一始發(fā)事件后再疊加軟件共模故障,不考慮再發(fā)生其他故障。

        (2)對(duì)于事故進(jìn)程中本身不會(huì)觸發(fā)自動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的事故,由于不受軟件共模故障的影響,因此在保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)不予以考慮,如二回路蒸汽流量過度增加等。

        (3)對(duì)于疊加軟件共模故障后,可以由原有的多樣性保護(hù)措施(如ATWT緩解系統(tǒng))進(jìn)行保護(hù)的事故,不在特定事故工況中考慮,如正常給水流量喪失等。

        (4)其他事故的驗(yàn)證分析結(jié)果表明可以被包絡(luò),因此不在特定事故中考慮的事故,如疊加軟件共模故障時(shí),主蒸汽系統(tǒng)事故卸壓可以被蒸汽系統(tǒng)管道破裂事故后果包絡(luò)。

        表1 田灣5、6號(hào)機(jī)組DAS保護(hù)信號(hào)及其定值

        2 蒸汽系統(tǒng)管道破裂事故驗(yàn)證

        2.1 驗(yàn)收準(zhǔn)則

        蒸汽系統(tǒng)管道破裂同時(shí)出現(xiàn)DCS軟件共模故障,DCS系統(tǒng)失效,由DAS系統(tǒng)觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆、安注注入以及主蒸汽管道的隔離。

        蒸汽系統(tǒng)管道破裂同時(shí)出現(xiàn)軟件共模故障,原則上屬于設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況。根據(jù)NUREG-0800/BTP7-19[2]和NUREG/CR-6303[3]中有關(guān)的DAS驗(yàn)證分析準(zhǔn)則,結(jié)合多樣性保護(hù)設(shè)計(jì)原則和DAS驗(yàn)證分析的目的,確定IV類工況疊加軟件共模故障驗(yàn)證準(zhǔn)則如下:

        (1)允許堆芯內(nèi)較多燃料元件包殼發(fā)生DNB。

        (2)燃料元件包殼溫度:對(duì)于大、中LOCA要求包殼溫度低于1 204℃;其他事故要求包殼溫度低于包殼脆化限值(1 482℃)。

        (3)允許熱點(diǎn)燃料芯塊發(fā)生較多的熔化。

        (4)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力不超過22 MPa。

        (5)安全殼壓力低于98%置信水平下安全殼極限承載壓力。

        蒸汽系統(tǒng)管道破裂事故疊加軟件共模故障,從堆芯后果和安全殼壓力響應(yīng)兩方面進(jìn)行了DAS系統(tǒng)的驗(yàn)證。

        2.2 蒸汽系統(tǒng)管道破裂堆芯后果驗(yàn)證

        2.2.1 主要假設(shè)

        蒸汽系統(tǒng)管道破裂堆芯后果驗(yàn)證,采用最佳估算的分析方法,分析了兩種工況,100%FP功率水平和熱停堆工況,初始狀態(tài)參數(shù)取名義值。

        假設(shè)0 s發(fā)生蒸汽系統(tǒng)管道雙端剪切斷裂。主蒸汽系統(tǒng)隔離之前,三條環(huán)路從破口的排放受蒸汽發(fā)生器限流器的限制;主蒸汽隔離后,受影響環(huán)路繼續(xù)排放蒸汽,未受影響環(huán)路主蒸汽隔離。通過破口的蒸汽流量用Moody關(guān)系式計(jì)算。安全殼背壓假設(shè)始終為0.1 MPa。

        假設(shè)主給水流量為額定流量。假設(shè)主給水隔離前,向三臺(tái)蒸汽發(fā)生器提供的總的輔助給水流量為520 m3/h;主給水隔離后,向受影響蒸汽發(fā)生器提供的復(fù)制給水流量為250 m3/h。

        其余假設(shè)見表2。

        表2 主要假設(shè)值

        2.2.2 主要結(jié)果

        熱停堆工況的事件序列見表3。發(fā)生蒸汽系統(tǒng)管道破裂疊加軟件共模故障,如果未設(shè)置DAS保護(hù),堆芯會(huì)重返臨界,堆芯熱流密度峰值為21.71%FP,高于DCS系統(tǒng)保護(hù)下的蒸汽管道破裂堆芯后果分析結(jié)果,燃料元件有發(fā)生DNB的風(fēng)險(xiǎn)。如果設(shè)置DAS保護(hù),由蒸汽流量高與補(bǔ)償蒸汽壓力低符合信號(hào)觸發(fā)主蒸汽隔離,防止蒸汽排放導(dǎo)致反應(yīng)堆進(jìn)一步冷卻;此外,由穩(wěn)壓器壓力低低信號(hào)觸發(fā)安注動(dòng)作,向反應(yīng)堆引入負(fù)反應(yīng)性,從而使得瞬態(tài)過程中反應(yīng)堆不會(huì)重返臨界,堆芯熱流密度峰值為2.41%FP,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于由DCS系統(tǒng)保護(hù)下的蒸汽管道破裂堆芯后果分析,因此堆芯不會(huì)發(fā)生DNB,燃料元件不會(huì)燒毀。瞬態(tài)過程中由于蒸汽管道破裂,蒸汽從破口排放導(dǎo)致一回路冷卻劑降溫降壓,穩(wěn)壓器壓力下降較低,因此冷卻劑系統(tǒng)壓力不會(huì)超過22 MPa。

        表3 熱停堆事件序列

        100%FP功率水平下的事件序列見表4,DNBR變化見圖2,穩(wěn)壓器壓力變化見圖3。在100%FP功率水平發(fā)生蒸汽系統(tǒng)管道破裂疊加軟件共模故障,6.3 s達(dá)到DAS保護(hù)功率量程中子注量率高信號(hào)觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆,7.4 s控制棒開始下插,8.1 s出現(xiàn)最小DNBR,其值為1.86,高于限值1.20,因此燃料包殼沒有發(fā)生DNB的危險(xiǎn),燃料元件不會(huì)燒毀。瞬態(tài)過程中由于蒸汽管道破裂,蒸汽從破口排放導(dǎo)致一回路冷卻劑降溫降壓,穩(wěn)壓器壓力下降較低,因此冷卻劑系統(tǒng)壓力不會(huì)超過22 MPa。

        2.3 蒸汽系統(tǒng)管道破裂安全殼壓力驗(yàn)證

        2.3.1 主要假設(shè)

        蒸汽系統(tǒng)管道破裂安全殼壓力驗(yàn)證,采用最佳估算的分析方法,對(duì)功率譜進(jìn)行了分析,包括100%FP、75%FP、50%FP、25%FP和熱停堆五種工況,初始狀態(tài)參數(shù)取名義值。

        假設(shè)0 s發(fā)生蒸汽系統(tǒng)管道雙端剪切斷裂。受影響環(huán)路的蒸汽排放受限流器的影響,未受影響環(huán)路的蒸汽經(jīng)蒸汽聯(lián)箱通過從破口排放。

        通過破口的蒸汽流量用Moody關(guān)系式計(jì)算。安全殼背壓假設(shè)始終為0.1 MPa。

        假設(shè)主給水流量為210%的額定流量,使得向安全殼排放的蒸汽質(zhì)量更多。

        假設(shè)向受影響蒸汽發(fā)生器提供的輔助給水流量為250 m3/h。

        其余假設(shè)見表5。

        表5 安全殼壓力評(píng)價(jià)事件序列

        2.3.2 主要結(jié)果

        蒸汽管道破裂事故疊加軟件共模故障后,安全殼壓力驗(yàn)證的主要結(jié)果見表5。在初始功率水平為50%FP、75%FP和100%FP功率水平下將會(huì)由DAS系統(tǒng)功率量程中子注量率高信號(hào)觸發(fā)緊急停堆,在初始功率水平為25%FP功率水平下將會(huì)由DAS系統(tǒng)穩(wěn)壓器壓力低低觸發(fā)緊急停堆。這五種工況下均會(huì)觸發(fā)主蒸汽隔離和安注動(dòng)作,并且初始反應(yīng)堆功率水平越高,其安全殼峰值壓力越高。在100%FP功率水平下,安全殼壓力峰值壓力最大,其值為0.518MPa,低于98%置信水平下的安全殼極限承載壓力0.772MPa,滿足安全殼壓力準(zhǔn)則要求。

        3 結(jié)語

        田灣5、6號(hào)機(jī)組DAS系統(tǒng)設(shè)置4個(gè)停堆保護(hù)、1個(gè)主蒸汽隔離保護(hù)和1個(gè)安注保護(hù)。蒸汽系統(tǒng)管道破裂疊加DCS軟件共模故障分析結(jié)果表明,在DAS系統(tǒng)的保護(hù)下,堆芯不會(huì)發(fā)生DNB,燃料元件不會(huì)燒毀,冷卻劑系統(tǒng)壓力不會(huì)超過22 MPa,安全殼壓力低于98%置信水平下的安全殼極限承載壓力,從而保證了反應(yīng)堆的安全。

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