AP1000核電廠真空充水操作分析

郭東海

摘要：與以往核電廠采用充水、排氣的方法不同，非能動(dòng)核電廠采用抽真空后對(duì)一回路進(jìn)行充水。與傳統(tǒng)操作相比，真空沖水可以避免因主泵動(dòng)態(tài)趕氣而產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，簡(jiǎn)化了充水、趕氣過程。但真空充水操作較為復(fù)雜，如操作不當(dāng)，后果是嚴(yán)重的，本文將對(duì)非能動(dòng)核電廠的真空充水過程及注意點(diǎn)進(jìn)行深入探討。

關(guān)鍵字：真空充水；噴射泵；啟動(dòng)時(shí)間；一回路空氣含量

1.引言

核電廠充水排氣操作是反應(yīng)堆調(diào)試及換料后重啟運(yùn)行中所必須經(jīng)歷的過程，特別是AP1000首堆真空充水操作尤為重要，將為后續(xù)核電廠啟動(dòng)運(yùn)行提供鋪墊和保障。以往核電廠一般采用靜態(tài)放氣和動(dòng)態(tài)排氣相結(jié)合的方式，排氣結(jié)束后還必須加聯(lián)氨除氧，待反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)氧含量合格后才允許升溫升壓，而AP1000采用真空充水?？珊?jiǎn)化核電廠的啟動(dòng)過程，但真空充水是一項(xiàng)復(fù)雜人操作程序，必須對(duì)AP1000真空充水模塊的設(shè)計(jì)性能、工作流程、操作風(fēng)險(xiǎn)等進(jìn)行梳理探討，為AP1000核電廠的調(diào)試啟動(dòng)、運(yùn)行做準(zhǔn)備。

2. AP1000主系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1 AP1000主回路系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)由兩條傳熱環(huán)路組成，每條環(huán)路上有一臺(tái)蒸汽發(fā)生器、兩臺(tái)反應(yīng)堆冷卻劑泵，一個(gè)熱段以及兩個(gè)冷段，用以反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)。此外，系統(tǒng)還包括穩(wěn)壓器、內(nèi)部連接管道、閥門，以及用于運(yùn)行控制和觸發(fā)安保的儀表。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的所有設(shè)備均布置在反應(yīng)堆安全殼內(nèi)。

主泵驅(qū)動(dòng)冷卻劑通過堆芯被加熱。，然后經(jīng)蒸汽發(fā)生器將其熱量傳遞給二回路蒸汽系統(tǒng)后，又回到主泵入口，如此返復(fù)循環(huán)，將核能轉(zhuǎn)化為熱能，最后轉(zhuǎn)變成電能。

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界作為一道屏障，防止在堆芯內(nèi)產(chǎn)生的放射性向外釋放，同時(shí)設(shè)計(jì)保證電站運(yùn)行的全過程中壓力邊界的完整性。

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的壓力控制通過穩(wěn)壓器的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)。在穩(wěn)壓器內(nèi)，通過電加熱器或噴霧動(dòng)作，或二者共同動(dòng)作使水、汽處于平衡態(tài)。蒸汽通過加熱器形成或通過噴霧冷凝，以控制因反應(yīng)堆冷卻劑膨脹及收縮而導(dǎo)致的壓力變化。

彈簧式安全閥安裝在穩(wěn)壓器頂上，并與穩(wěn)壓器相連，為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)提供超壓保護(hù)。安全閥向安全殼大氣排放。穩(wěn)壓器還連接有反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的三級(jí)自動(dòng)卸壓閥。這些閥門通過鼓泡器將蒸汽和水排放至非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)（PXS）的安全殼內(nèi)換料水箱（IRWST）中。第4級(jí)自動(dòng)卸壓閥通過兩條冗余路徑連接到每條反應(yīng)堆冷卻劑環(huán)路熱段，并直接排向安全殼大氣。

支持反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)包括：化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（CVS），非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)（PXS），正常余熱排出系統(tǒng)（RNS），蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)（SGS），一回路取樣系統(tǒng)（PSS），放射性液體廢物處理系統(tǒng)（WLS）以及設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（CCS）。

3. AP1000主要設(shè)備簡(jiǎn)介（與真空充水有關(guān)的設(shè)備）

AP1000蒸汽發(fā)生器為立式，傳熱管為倒U形管，一般充水方法會(huì)使大量空氣積聚在倒U形管內(nèi)和控制棒導(dǎo)向管上部，排氣十分困難，必須通過多次動(dòng)態(tài)排氣，才能使一回路游離在水中空氣排出。動(dòng)態(tài)趕氣需多次啟停主泵、開關(guān)閥門，過程繁復(fù)，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，還要考慮便于組織氣流的管道布置。AP1000設(shè)計(jì)了真空充水模塊來完成RCS系統(tǒng)充水排氣，縮短了一回路充水排氣時(shí)間。采用真空充水在理想情況下，RCS系統(tǒng)不需要加聯(lián)氨除氧，就可以升溫升壓。

AP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中己考慮真空充水相關(guān)固定設(shè)施。

3.1 屏蔽電機(jī)泵

AP1000反應(yīng)堆冷卻劑泵是高慣性、高可靠性、低維護(hù)的屏蔽電機(jī)泵，反應(yīng)堆冷卻劑泵與蒸汽發(fā)生器管側(cè)封頭整合在一起。

泵吸入口與蒸汽發(fā)生器管側(cè)封頭底部直接相連，取消冷卻劑環(huán)路的過渡段，減少環(huán)路壓降，簡(jiǎn)化蒸汽發(fā)生器、泵和管道的基礎(chǔ)和支撐系統(tǒng)，并且通過取消環(huán)路密封需求來降低在小失水事故下堆芯裸露的可能性。

每臺(tái)反應(yīng)堆冷卻劑泵都是立式單級(jí)離心泵，在高溫、高壓下泵送大流量反應(yīng)堆冷卻劑。電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都包容在能承受系統(tǒng)全壓的抗腐蝕的屏蔽套中。

AP1000主泵通過采用變頻驅(qū)動(dòng)控制轉(zhuǎn)速，降低泵冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)的電機(jī)功率，將泵的電機(jī)尺寸做到最小。變頻驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于泵運(yùn)行的各種模式，為反應(yīng)堆冷卻劑泵提供所需的電壓和頻率。在反應(yīng)堆冷卻劑低溫時(shí)，泵在啟動(dòng)和運(yùn)行中受變頻驅(qū)動(dòng)控制低速運(yùn)行。

3.2 壓力殼入口接管嘴與出口接管嘴布置與半管運(yùn)行（mid-loop）

AP1000反應(yīng)堆熱段主管道（出口接管嘴）和冷段主管道（入口接管嘴）布置在兩個(gè)標(biāo)高不同的平面上，如此布置下，停堆換料時(shí)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)疏水到半管運(yùn)行（mid-loop）工況，水位在出口接管嘴中心線附近，一方面保持堆芯淹沒，正常余熱排出系統(tǒng)得以正常運(yùn)行；另一方面，冷段主管道排空，保持蒸汽發(fā)生器到穩(wěn)壓器等處排氣通道的暢通，便于停堆換料結(jié)束后進(jìn)行真空充水操作，便于蒸汽發(fā)生器倒U形管疏水放氣后維修蒸汽發(fā)生器、主泵等設(shè)備。為避免半管運(yùn)行期間余熱排出泵吸入空氣的可能性，熱段主管道與RNS吸入母管連接處設(shè)置梯級(jí)變徑管嘴，見圖。

圖2 冷熱接管嘴偏移布置與RNS梯級(jí)變徑管嘴

4.穩(wěn)壓器建立汽腔和RCS升溫升壓過程簡(jiǎn)述

AP1000核電廠啟動(dòng)過程中優(yōu)先采用穩(wěn)壓器先建立汽腔，然后啟動(dòng)主泵的運(yùn)行方式，這可以降低主泵啟動(dòng)過程中的壓力波動(dòng)。目前國內(nèi)核電廠啟動(dòng)過程絕大部分是在水實(shí)體或穩(wěn)壓器充氮?dú)夂髥?dòng)之泵的運(yùn)行方式，

AP1000核電廠啟動(dòng)過程首先壓力殼加蓋密閉，然后RCS充水到熱管段半水位（mid-loop）。RCS抽真空達(dá)到要求后，RCS進(jìn)行真空自流充水，當(dāng)穩(wěn)壓器寬量程水位達(dá)92%（窄量程水位88%）時(shí)，隔離正常余熱排出熱交換器（抽真空過程中RNS保持運(yùn)行），投入穩(wěn)壓器電加熱器。RCS依靠堆芯衰變熱（有核燃料情況）和穩(wěn)壓器的電加熱（開啟全部電加熱器）緩緩升溫。當(dāng)穩(wěn)壓器飽和水溫度達(dá)到105℃左右時(shí)，通過ADS閥門進(jìn)行排放氣、汽混合物，放氣結(jié)束后關(guān)閉ADS閥門，繼續(xù)升溫升壓，當(dāng)RZP水溫達(dá)到215℃～220℃，”相應(yīng)飽和蒸汽壓力為2～2.5MPa）時(shí)，為主泵提供足夠凈正吸入壓頭。然后啟動(dòng)主泵，穩(wěn)壓器恢復(fù)電加熱，用主泵加熱RCS。加熱過程中注意控制升溫升壓速率及穩(wěn)壓器和RCS溫差。反應(yīng)堆真空充水操作啟動(dòng)的升溫升壓曲線見圖3。

圖3 RCS升溫升壓過程

5.AP1000真空充水模塊

5.1功能要求

AP1000停堆換料完成后.采用真空充水啟動(dòng)方法，將整個(gè)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)，包括反應(yīng)堆頂蓋處、蒸汽發(fā)生器倒U形傳熱管頂部和穩(wěn)壓器內(nèi)空氣排出，使一回路達(dá)到盡可能高的真空度，降低反應(yīng)堆冷卻劑中氧含量。AP1000真空充水模塊設(shè)計(jì)可使RCS壓力最低可達(dá)0.01 MPa，此時(shí)相應(yīng)的飽和溫度約45.2℃，理論上可抽出RCS內(nèi)>90%的空氣。

RCS冷卻劑溫度與真空度和抽出氣體比例關(guān)系見表2。

表2 RCS冷卻劑溫度與真空度和抽出氣體比例

飽和溫度（℃/℉） 45.2/113.3 52.3/126.1 6.9/134.4 60.1/140.1 100/212

RCS壓力（psia） 1.4 2 52.5 2.9 14.7

抽出空氣比例（%） 90 86 83 80 0

備注 RCS壓力=0.01MPa RCS壓力=大氣壓

5.2設(shè)計(jì)方案

真空充水模塊核心裝置是兩個(gè)系列的真空泵，容積式電動(dòng)真空泵和2級(jí)空氣噴射泵模塊。容積式真空泵為臨時(shí)裝置，單獨(dú)配備電源，用后移去，用于抽主泵定子腔真空。2級(jí)噴射泵為永久裝置，安裝在屏蔽廠房和安全殼廠房（鋼制安全殼）之間，具有非能動(dòng)特性（無能動(dòng)部件），操作簡(jiǎn)單，由廠用氣系統(tǒng)提供的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)。真空充水模塊還設(shè)有主泵定子腔回充氮?dú)馄康?，以及與其它支持系統(tǒng)的接口，一起完成抽真空操作。

真空充水操作流程原理見圖4，操縱員根據(jù)電廠運(yùn)行狀態(tài)，估計(jì)RCS可以達(dá)到的最低溫度，然后確定真空充水目標(biāo)真空度，即最低溫度下的飽和壓力。

5.3主要性能參數(shù)

表3 真空充水模塊主要性能參數(shù)

容積式真空泵 數(shù)量 1

流量 8.5～10.2m3/hr

最小可達(dá)真空度 0.01MPa

2級(jí)噴射泵 數(shù)量 2

吸入流量 8.1 m3/min [286scfm]

排放流量 27.5 m3/min [970scfm]

入口壓力 0.62MPa[90psig]

模塊總體工作指標(biāo) 一回路真空度 9.65kPa[1.4psia]

對(duì)應(yīng)飽和溫度 45.2℃[113.3℉]

抽出空氣比例（%） 90

6. AP1000核電廠的真空充水操作

充水排氣為反應(yīng)堆在水壓試驗(yàn)、換料停堆期間必須經(jīng)歷的過程，AP1000核電廠真空充水操作即在相應(yīng)情況下進(jìn)行。

6.1 真空充水運(yùn)行過程描述及分析

6.1.1 RCS抽真空前系統(tǒng)初始狀態(tài)

（1）確認(rèn)RCS平均溫度已低于45℃；

（2）RCS熱管段水位已下降到半水位，以確保一回路各設(shè)備氣空間相連接。

（3）切斷ADS與IRWST的連接，防止IRWST水在抽真空過程中回流。

（4）閉鎖真空破壞閥。

6.1.2主泵定子腔和RCS抽真空

參照 RCS抽真空操作系統(tǒng)流程原理圖（見如下面RCS抽真空操作系統(tǒng)流程原理圖）進(jìn)行RCS抽真空操作

（1）啟動(dòng)容積式真空泵對(duì)四臺(tái)主泵定子腔抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到要求以后，觀察真空表指示變化趨勢(shì)，確認(rèn)該系統(tǒng)是否密封，發(fā)現(xiàn)有泄漏點(diǎn)，應(yīng)立即處理，否則RCS不允許抽真空。

（2）啟動(dòng)2級(jí)噴射泵一回路進(jìn)行抽真空，當(dāng)一回路壓力稍高于定子搶壓力后，用2級(jí)噴射泵同時(shí)給RCS和主泵定子腔抽真空。

（3）當(dāng)RCS壓力達(dá)到0.015MPa～0.01MPa后，維持RCS真空。

①整個(gè)過程中容積式真空泵繼續(xù)運(yùn)行，作為主泵定子腔抽真空備用。

②在抽空過程中監(jiān)視RNS運(yùn)行工況，防止RNS入口水汽化，造成流量不穩(wěn)定。

6.1.3 RCS充水操作程序

當(dāng)RCS壓力達(dá)到0.01 MPa左右，可取下述兩類水源對(duì)RCS充水：放射性廢液系統(tǒng)流出物暫存箱（EHT）中水或CVS硼酸制備箱和除鹽水儲(chǔ)存箱混合來水。

以第一種水源為例說明充水操作流程：

（1）開啟CVS補(bǔ)水泵（單泵運(yùn)行），將流出液暫存箱水注入一回路；

（2）當(dāng)排出液暫存箱A低水位報(bào)警時(shí)，轉(zhuǎn)向液暫存箱B取水；當(dāng)液暫存箱B低水位報(bào)警時(shí)而RCS水量仍未滿足要求時(shí)，取CVS硼酸制備箱和除鹽水儲(chǔ)存箱混合來水為水源繼續(xù)充水；

（3）當(dāng)PRZ基本充滿后，關(guān)閉CVS補(bǔ)水泵，停止充水；關(guān)閉容積式真空泵、2級(jí)噴射泵模塊并連通大氣，平衡后關(guān)閉。

（4）關(guān)閉ADS系統(tǒng)A列閥門和堆頂放氣閥門。

（5）穩(wěn)壓器加熱建立汽腔。

（6）主泵定子腔回充氮?dú)狻?/p>

6.2 真空充水操作風(fēng)險(xiǎn)分析

（1）主泵定子屏蔽套鼓包

主泵定子屏蔽套厚度約為0.381mm，主泵正常運(yùn)行時(shí)RCS壓力載荷由屏蔽套背部支撐部件承受，屏蔽套不承壓。如果主泵定子腔側(cè)壓力高于RCS側(cè)壓力超過10kPa（1.5psig），屏蔽套將變形，主泵將損壞。為確保一回路側(cè)壓力始終大于主泵定子腔側(cè)壓力，一回路抽真空前必須先對(duì)四臺(tái)主泵定子腔抽真空，待主泵定子腔建立真空并穩(wěn)定在規(guī)定值時(shí)才允許抽RCS真空。

為進(jìn)一步保證定子屏蔽套的安全，可設(shè)計(jì)2級(jí)噴射泵模塊與主泵定子腔壓力的連鎖。

（2）失去RNS冷卻

停堆換料情況下RCS余熱由RNS排出，必須時(shí)刻關(guān)注RNS正常運(yùn)行，以維持RCS溫度在要求限值內(nèi)。任何時(shí)候失去RNS冷卻，必須立即停閉抽真空設(shè)備并破壞RCS真空，以升高一回路壓力（相應(yīng)升高冷卻劑沸點(diǎn)），提高安全裕度。

此外還應(yīng)保證真空降低過程中RNS泵有足夠的凈正吸入壓頭，保持其流量穩(wěn)定正常運(yùn)行。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明當(dāng)壓力降低到0.068～0.05MPa范圍內(nèi)時(shí)部分溶解在水是空氣會(huì)分離出來導(dǎo)致RNS流量瞬時(shí)波動(dòng)，屬正?，F(xiàn)象，真空度進(jìn)一步提高后將消失。

7. 結(jié)論

AP1000核電廠設(shè)計(jì)有真空充水模塊，可在無核燃料水壓試驗(yàn)前、有核燃料首次啟動(dòng)及有核燃料換料停堆后對(duì)反應(yīng)堆一回路進(jìn)行真空充水操作，無需主泵點(diǎn)動(dòng)排氣、動(dòng)態(tài)趕氣，減低了操作難度，同時(shí)其縮短了聯(lián)氨除氧時(shí)間，提高了電廠經(jīng)濟(jì)性。