紅沿河核電廠VVP／ARE隔室改進(jìn)超壓分析

侯華青，蔣曉華，曹建華，盧向暉

（中科華核電技術(shù)研究院有限公司，廣東 深圳 518026）

在反應(yīng)堆安全殼內(nèi)及周圍廠房中，各區(qū)域均被混凝土結(jié)構(gòu)劃分為多個隔室，各隔室之間及隔室與安全殼之間相互連接。當(dāng)反應(yīng)堆高能管道發(fā)生破口時，因壓力和溫度的非均勻增加，破口所在隔室的壓力和溫度快速上升［1］。

由于CPR1000是按照在溫暖地帶運(yùn)行而設(shè)計(jì)的，為便于事故工況下隔室泄壓，隔室與外界環(huán)境設(shè)計(jì)有相通的孔洞。但在極寒冷地帶，主蒸汽管道及主給水管道（VVP／ARE）隔室與外界環(huán)境之間相通的孔洞可能導(dǎo)致VVP／ARE在冬天出現(xiàn)冷凍，從而導(dǎo)致失效。為避免上述情況發(fā)生，本工作擬對VVP／ARE 隔室采取封堵措施，即采用磚墻、金屬蓋板及泄爆窗對VVP／ARE隔室與外界環(huán)境相連的流道實(shí)施封堵，使隔室內(nèi)溫度冬夏變化相對較小，從而保護(hù)設(shè)備。

1 主蒸汽管道雙端剪切斷裂質(zhì)能釋放數(shù)據(jù)

安全殼外VVP／ARE隔室中有主蒸汽管道穿過［2］，因此對VVP／ARE隔室超壓分析時需考慮主蒸汽管道雙端剪切斷裂（MSLB）工況。

安全殼外的主蒸汽管道斷裂后，蒸汽發(fā)生器（SG）內(nèi)高能量的蒸汽持續(xù)向VVP／ARE 隔室釋放［3-4］。由于VVP／ARE 隔室內(nèi)各子隔室壓差峰值在1s內(nèi)達(dá)到，安全殼外MSLB 質(zhì)能釋放（MER）時間考慮2s，其質(zhì)能釋放數(shù)據(jù)列于表1。

表1 VVP／ARE隔室MSLB質(zhì)能釋放數(shù)據(jù)Table 1 MER for MSLB at VVP／ARE compartment

2 隔室超壓分析程序及主要假設(shè)

2.1 分析程序

采用隔室超壓分析程序CATEM7計(jì)算事故工況下隔室內(nèi)的壓力和溫度瞬態(tài)。應(yīng)用的方法及假設(shè)［5］如下：隔室用節(jié)點(diǎn)模擬；每個節(jié)點(diǎn)給出與時間相關(guān)的質(zhì)量和能量守恒方程；每個控制體的邊界條件由相鄰的節(jié)點(diǎn)互相提供。

對雙組分兩相流采用Moody臨界流模型計(jì)算孔口流量，Moody修正因子取0.6［6］。

2.2 主要假設(shè)

1）破口位置

圖1為VVP／ARE隔室未采用封堵方案的CATEM7程 序 節(jié) 點(diǎn) 圖［7］。對 于VVP／ARE 隔室，MSLB事故可能發(fā)生在圖1中1～9子隔室。

圖1 未封堵方案程序節(jié)點(diǎn)圖Fig.1 Node diagram for no plugging scheme

2）流道阻力系數(shù)

流體在流道中流動時受到的阻力可分為沿程阻力和局部阻力。在計(jì)算隔室壓力時，需考慮的沿程阻力為隔室之間流道中的摩擦阻力；局部阻力為由隔室進(jìn)入流道的局部阻力和流道進(jìn)入隔室的局部阻力［8］。

出口局部阻力計(jì)算公式為：

進(jìn)口局部阻力計(jì)算公式為：

式中：K1為出口局部阻力；K2為進(jìn)口局部阻力；A1為子隔室截面積；A2為流道截面積。

MSLB事故工況下隔室內(nèi)流體流動極為劇烈，其流動形式為湍流，流道沿程摩擦阻力計(jì)算公式采用柏拉修斯公式：

式中，λ為阻力系數(shù)。

3 VVP／ARE隔室封堵方案

VVP／ARE隔室封堵方案如圖1所示。主給水管道經(jīng)過左側(cè)垂直墻面下部的6個孔洞采用磚墻永久封堵，上部的6個與外部相通的孔洞采用金屬活動蓋板封堵，其余6個孔洞用泄爆窗封堵。在發(fā)生MSLB 事故時，若金屬活動蓋板及泄爆窗所在的子隔室與外界環(huán)境的壓差超過其頂開及爆破壓差，金屬蓋板將會被頂開，泄爆窗也會被爆破。此設(shè)計(jì)便于事故發(fā)生后各子隔室泄壓。

圖2 紅沿河核電廠VVP／ARE隔室封堵示意圖Fig.2 Plugging schematic diagram for VVP／ARE compartment

3.1 金屬蓋板布置方式及相關(guān)參數(shù)

1）金屬蓋板布置方式

對VVP／ARE隔室上部與外界環(huán)境相通的孔洞采用金屬蓋板進(jìn)行封堵。VVP／ARE隔室發(fā)生MSLB 事故時，金屬蓋板所在的子隔室壓差迅速升高，如果金屬蓋板平放在洞口，金屬蓋板離開孔洞時的速度很小，有可能掉入隔室中砸壞設(shè)備及管道。因此，本文考慮將金屬蓋板布置在槍膛式流道上：在各子隔室與外界環(huán)境相通的流道上設(shè)置有一定深度的凹槽，金屬蓋板放置在該凹槽上，其示意圖如圖3所示。金屬蓋板離開孔洞的速度與凹槽深度有關(guān)，因此需對凹槽深度進(jìn)行敏感性分析。

圖3 金屬蓋板布置方式Fig.3 Layout for metal plate

2）金屬蓋板的相關(guān)參數(shù)

金屬蓋板所在子隔室與外界環(huán)境間的差壓大于金屬蓋板重量時，金屬蓋板將被頂起，因此需對金屬蓋板的重量進(jìn)行敏感性分析。

3.2 泄爆窗泄爆特性

如圖1所示，VVP／ARE 隔室上部垂直的6個孔洞采用泄爆窗封堵。當(dāng)泄爆窗所在子隔室與外界的壓差大于泄爆窗泄爆壓力（泄爆壓差為200Pa）時，泄爆窗開始泄壓，泄爆窗爆破后的開度決定于泄壓的流道面積，因此需對泄爆窗相關(guān)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 程序節(jié)點(diǎn)圖

根據(jù)圖1 可計(jì)算出各子隔室最小自由體積、各子隔室之間的最小自由流通面積，及其與外界環(huán)境相通孔洞的最小自由流通面積［9］。

圖4為VVP／ARE 隔室采用封堵方案后，泄爆窗未爆破及金屬蓋板未頂開的節(jié)點(diǎn)圖。從事故開始時刻（0s）到事故后極短的一段時間內(nèi)，由于子隔室與外界的壓差未達(dá)到金屬蓋板被頂開及泄爆窗泄爆壓力，所有與外界相通的流道流動面積為零，該時期內(nèi)采用圖4所示的程序節(jié)點(diǎn)圖。由于從破口不斷噴出高能流體，與外界相通的子隔室與外界環(huán)境的壓差逐漸升高，6個金屬蓋板逐步被頂開，6個泄爆窗逐步被爆破。

4.2 相關(guān)假設(shè)的敏感性分析

1）凹槽深度敏感性分析

假設(shè)金屬蓋板質(zhì)量為100kg，MSLB 事故發(fā)生在子隔室1，泄爆窗50%爆破，凹槽深度分別為1、5、10cm，金屬蓋板離開凹槽的速度分別為4、20、35 m／s。在20 m／s的速度下，金屬蓋板可依靠其慣性飛離洞口，且凹槽深度為5cm最適合現(xiàn)場施工，因此，在各子隔室與外界環(huán)境相通的流道上設(shè)置的凹槽深度為5cm。

2）不同金屬蓋板質(zhì)量下隔室與外界環(huán)境的壓差分析

假設(shè)破口發(fā)生在子隔室1，凹槽深度為5cm，泄爆窗50%爆破。金屬蓋板質(zhì)量分別為20、100、500kg時，隔室與外界環(huán)境的壓差分別為0.205、0.211、0.220MPa?？梢姡饘偕w板質(zhì)量越小，子隔室與外界環(huán)境的壓差越小，但由于金屬蓋板封堵的孔洞面積較大，為便于金屬蓋板設(shè)計(jì)及現(xiàn)場管理，采用金屬蓋板質(zhì)量為100kg的方案。

圖4 封堵后程序節(jié)點(diǎn)圖Fig.4 Node diagram for plugging scheme

3）泄爆窗泄爆開度敏感性分析

泄爆窗爆破后的開度決定子隔室與外界相通流道的面積，流道面積大小決定子隔室與外界環(huán)境的最大壓差。假設(shè)破口位置發(fā)生在子隔室1，凹槽深度為5cm，金屬蓋板質(zhì)量為100kg，泄爆窗爆破開度為30%、50%及80%工況下子隔室與環(huán)境的壓差分別為0.219、0.211和0.198 MPa?？梢姡贡靶贡_度越大，子隔室與外界的壓差越小，但考慮到泄爆窗設(shè)計(jì)技術(shù)及VVP／ARE 隔室發(fā)生MSLB事故后的保守假設(shè)，采用泄爆窗泄爆開度為50%。

4.3 采用封堵方案后各子隔室的最大壓差

綜合上述相關(guān)假設(shè)的敏感性分析：金屬蓋板布置在槍膛式流道上，該凹槽流道深度為5cm；每塊金屬蓋板質(zhì)量為100kg；泄爆窗泄爆開度為50%。該封堵方案在工程上切實(shí)可行，且發(fā)生MSLB事故后對墻體的極限承載力最低，因此將其確定為最佳封堵方案。

有3根主蒸汽高能管道從安全殼內(nèi)伸出并穿過VVP／ARE隔室中的子隔室1～9，因此，需分析VVP／ARE隔室中子隔室1～9分別在發(fā)生MSLB 事故后的壓差。采用最佳封堵方案后，各子隔室的壓力分析示于圖5，采用封堵方案前后各子隔室的最大壓差列于表2。

圖5 封堵后各子隔室壓力Fig.5 Pressure of sub-compartment for plugging scheme

表2 采用封堵方案后各子隔室最大壓差Table 2 Max pressure drop for plugging scheme

從圖5可看出，在事故后0.35s，子隔室8和9壓力達(dá)到最大。從表2可看出，采用封堵方案后，最大壓差發(fā)生在子隔室9中，子隔室9與外界環(huán)境最大壓差為0.257MPa。最大壓差升高比例出現(xiàn)在MSLB發(fā)生在子隔室8中時，最大壓差升高比例約70%。該最大壓差在相關(guān)墻體的極限承載力范圍之內(nèi)。

5 結(jié)束語

本文通過對紅沿河核電廠VVP／ARE 隔室進(jìn)行一序列封堵假設(shè)并對封堵后的VVP／ARE隔室超壓進(jìn)行敏感性分析，得到了最佳封堵方案。

1）金屬蓋板布置在槍膛式流道上，槍膛式凹槽深度應(yīng)適中。凹槽深度淺則金屬蓋板離開孔洞速度小，金屬蓋板可能掉入隔室內(nèi)砸壞設(shè)備及管道；凹槽深度深則金屬蓋板離開孔洞時間長，不利于隔室的泄壓。本文建議采用凹槽深度5cm。

2）金屬蓋板質(zhì)量應(yīng)適中，金屬蓋板質(zhì)量過大不利于隔室泄壓，而質(zhì)量過輕則不利于金屬蓋板加工及現(xiàn)場管理。本文建議金屬蓋板質(zhì)量為100kg。

3）泄爆窗爆破后的開度越大越利于隔室的泄壓，但考慮到泄爆窗設(shè)計(jì)技術(shù)要求及VVP／ARE隔室發(fā)生MSLB 事故后的現(xiàn)場環(huán)境，建議采用50%的爆破開度。

目前，該封堵方案已在紅沿河核電廠實(shí)施。

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