“华龙一号”二回路非能动余热排出系统改进

朱达睿

(中国核电工程有限公司,浙江 海盐 314300)

由于核电安全性要求的提高,新研发堆型在原有设计基础上引入非能动理念。目前在二回路增加非能动余热排出系统的堆型分别有中国设计的AC600、“华龙一号”(HPR1000),韩国设计的APR1400、SMART一体化堆,俄罗斯设计的KLT-40S浮动式发电机组[1]。

在上述堆型的二回路非能动排热设计中,冷却方式主要分为水冷和风冷两种。风冷的代表堆型为AC600,其系统结构如图1所示[2]。水冷的代表为 “华龙一号”及APR1400,系统结构如图2所示。目前在役及在建核电机组均采用水冷的设计方案,本文主要探讨 “华龙一号”的二次侧非能动余热排出系统 (PRS)。

1 系统简介

PRS系统以水池作为最终热阱导出堆芯余热及设备储热。在发生全厂断电事故且辅助给水系统汽动泵失效工况下,PRS系统投入运行,在冷却剂压力边界设计条件内,通过蒸汽发生器导出反应堆冷却剂系统及各设备的储热,降低一回路的温度和压力,在一定时间内维持反应堆处于安全状态[3]。

系统设置方面,每台蒸汽发生器都对应一列非能动余热排出环路,每列换热能力按照0.5%FP设计,即15.3 MW[3]。一个系列包括一台热交换器、两台应急补水箱和一个换热水箱以及相应的温度探头、流量表及液位计。PRS从主蒸汽母管引出蒸汽,蒸汽管道在经过一台电动阀后分为两路,一路连接换热器,另一列连接补水箱。蒸汽在换热器中凝结后通过凝水管线经由主给水管道返回蒸汽发生器二次侧。作为冗余备用,每条凝水管线及补水箱出口管线分别设置两列相互独立的并联电动隔离阀来提高系统可靠性。为避免机组正常向蒸汽发生器充水时给水通过凝水管道旁通,凝水管道在隔离阀下游设置止回阀。

为确保自然循环能尽快建立,PRS在布置上通过增大蒸汽管道与凝水管道的位差来提供更大的势能。为提高热量排出的持续时间,系统配置大容积的热阱水箱并将换热器布置在水箱底部。在换热期间水箱内部由于温度分布不均匀形成冷、热流体的对流,从而提高换热效率。

图1 风冷式非能动设计示意图Fig.1 The sche matic of air-cooled passive design

图2 水冷式非能动设计示意图Fig.2 The schematic of water-cooled passive design

2 系统运行分析

机组正常运行期间及设计基准事故下,PRS系统处于热备用状态:PRS凝水管道隔离阀及应急补水箱出口隔离阀处于关闭状态;其余阀门如蒸汽管道隔离阀、应急补水箱出口隔离阀等阀门处于开启状态;应急补水箱液位维持在高水位和高高水位之间;热阱水箱维持大于900 m3的水装量。

2.1 系统启、停方式

二次侧非能动余热排出系统启动方式分为手动和自动两种。手动启动为主控制操纵员在主控室手动给出凝水管线相应隔离阀的开启命令实现系统投运;自动启动为PRS系统自动启动信号触发后自动开启A列或B列的凝水管线隔离阀及经过设定的保持时间后开启应急补水箱的出口隔离阀。自动启动信号的触发条件有以下4种:

1)一台蒸汽发生器的两块同列液位计出现低低液位报警并持续525 s;

2)一台蒸汽发生器的两块同列液位计出现低低液位报警且主给水流量低并持续45 s;

3)三台蒸汽发生器每台均有两块同列液位计出现低低液位报警;

4)注入蒸汽发生器的辅助给水流量低。

在PRS系统自动信号出发后还会引起主蒸汽系统和辅助给水系统产生以下动作:

1)辅助给水汽动泵入口蒸汽管线隔离;2)主蒸汽管线隔离;

3)蒸汽发生器蒸汽管线疏水隔离;

4)主蒸汽旁通管线隔离。

在二次侧非能动余热排出系统投运后蒸汽从蒸汽发生器经过主蒸汽管管道进入PRS系统蒸汽管道在换热器中冷却为液相进入凝水管线最终回到蒸汽发生器,由于蒸汽冷凝导致的体积收缩产生的抽吸作用使蒸汽不断从蒸汽发生器充入PRS系统,从而实现流体的自然循环。在PRS应急补水箱向蒸汽发生器注水后,为避免蒸汽不经过换热器直接进入凝水管道返回蒸汽发生器,特设计在补水箱液位降到一定水位后补水箱出口隔离阀自动关闭的逻辑动作。

系统的停运只能在系统没有自动启动信号出发的条件下通过手动给出凝水管线上相应隔离阀的关闭命令实现系统的停运。

2.2 系统运行特性分析

从热源储热分析:在系统投入初期由于核回路储热较大,自然循环会迅速升高至一个较高的循环流量。随着换热的持续进行,一回路温度和压力会持续下降带动蒸汽发生器二次侧温度、压力下降,导致循环动力变小即循环流量变小。

从热阱吸热能力分析:试验初期热阱水箱水装量最大、温度最低,换热能力最强,故PRS自然循环放热量较大且能维持一定时间。伴随热阱水箱吸热,水温升高,沸腾换热使部分水被蒸发排往大气导致热阱水箱水装量减少,换热能力进一步下降,故PRS自然循环放热量变小。

通过从热源和热阱两个方面的换热分析,PRS自然循环完全建立后系统换热量曲线应在一段时间内维持在系统的最大换热量,而后随着时间的推移逐渐降低;自然循环流量应伴随系统运行时间的增长而缓慢减小。换热期间,若能对热阱持续注入冷水补偿蒸发损失、降低热阱则可以使一回路参数进一步降低。

系统投运后蒸汽发生器二次侧响应分析:当PRS系统投运时机组已经紧急停堆,汽机停机。此时蒸汽发生器压力上升,二次侧被压缩使水位快速下降,伴随TSA泄压、自然循环建立及应急补水注入,蒸汽发生器压力恢复,水位回升。当PRS系统稳定投入后二次侧参数变化与一回路保持一致。

2.3 系统运行方式的改进建议

通过前文对系统自动启动信号触发条件的阐述可知,蒸汽发生液位低低影响是PRS系统启动的重要因素,每台蒸汽发生器有4台液位传感器,其中2台对应PRS系统A列的设备,另2台对应B列,控制简图如图3所示平均温度。若在蒸汽发生器液位降低过程中4台液位传感器均触发低低液位信号则会导致PRS系统A/B两列同时投入运行,这种情况会导致自然循环过大,增大启动初期对蒸汽发生器的冷冲击;若出发低低液位信号的两块表为A、B列各一块,此种状态又会使系统投入时间延后,导致机组状态在事故工况下进一步恶化。

图3 自动启动信号控制示意图Fig.3 The sche matic of auto matic start up signal control

针对以上两点,对系统自动投运控制逻辑基于以下思路进行优化:将A列作为PRS系统的首选投运列,B列作为备用列仅在A列未完全投入情况下自动运行。将4块液位传感器的信息统一采集后进行4取2选择,再与其他原有逻辑信号进行或门运算来触发AB两列自动启动信号,其中A列自动启动信号直接开启凝水管线隔离阀,B列自动启动信号经过一个延时模块 (时长为凝水隔离阀的设计开启时间)并与对应A列阀门的状态反馈进行运算来控制B列凝水隔离阀,控制简图如图4所示。

图4 优化后自动启动信号控制示意图Fig.4 The sche matic of auto matic start up signal control after opti mization

通过上述优化,PRS在原先控制基础上实现任意两个低低液位信号都能触发PRS系统A/B列自动投运且仅有一列凝水隔离阀开启。在方案实施上,仅需解除独立接入PRS系统的各个蒸汽发生器液位信号,将RRP系统已有蒸汽发生器低低液位4取2信号接入PRS系统,A列阀门状态信号也只需在原先仅采集、显示的基础上通过网络接入逻辑模块来进行运算即可完成相应改造。方案实施难度不大,所需成本也比较低。

3 结 论

本文介绍了 “华龙一号”堆型二次侧非能动余热排出系统的系统组成、运行方式。针对系统投运后换热量、自然循环流量的变化趋势、蒸汽发生器二次侧响应及PRS自动控制逻辑进行了探讨。对现有控制逻辑中重要因子对系统运行的影响进行了分析,并结合工程实际提出了相应逻辑优化方案。