M310核電廠高壓安注流量孔板問題研究

高國甫　朱達(dá)睿（中國核電工程有限公司，北京 100840）

M310核電廠高壓安注流量孔板問題研究

高國甫朱達(dá)睿
（中國核電工程有限公司，北京 100840）

M310核電廠安全注入系統(tǒng)是與核安全息息相關(guān)的重要系統(tǒng)，在機組調(diào)試啟動階段和換料大修階段均要對安全注入系統(tǒng)進行定期驗證與調(diào)整。高壓安全注入的流量更是需要在定期試驗和大修時密切關(guān)注的重要數(shù)據(jù)，要求必須滿足安全準(zhǔn)則要求。在某M310堆型核電廠調(diào)試啟動階段執(zhí)行高壓安注流量檢查試驗時，發(fā)現(xiàn)冷、熱段同時注入總流量達(dá)到安全準(zhǔn)則要求，冷段流量之和無法滿足安全準(zhǔn)則的要求。調(diào)試現(xiàn)場共進行了十多次試驗，最終確認(rèn)原因為某供應(yīng)商生產(chǎn)的節(jié)流孔板孔徑過小。本文既是對整個驗證和判定過程的分析和思考，同時也是對高壓安全注入的流量調(diào)整進一步探討，用于指導(dǎo)后續(xù)M310堆型機組和其他核電機組解決此類問題提供方法。

M310 高壓安注 流量準(zhǔn)則 節(jié)流孔板

【Abstract】In M310 nuclear power plant，safety injection system is very important that close ties to nuclear safety，it needs periodic verification and rectification while plant' start-up testing stage and refueling overhaul stage. The flux of high-head safety injection （HHSI） is such an important data which needs to pay close attention to during the regular tests and overhaul，it has to meet the requirements of the safety standards. During the HHSI flux check test at an M310 Plant' start-up testing，it was found that the total flux of which the cold section is injected simultaneous with the hot section reaches the requirements of safety standards while the sum of cold section flux is unable to reach the requirements of safety standards. A dozen times of tests has been carried in the test scene，and finally we confirmed the reason is that the aperture of the throttling orifice plate is too small. This article is not only an analysis and consideration to the whole test，but also a deeply discussion to the flux control of HHSI，and it can be used as a direction to other M310 plant to solve this kind of problem.

【Key words】M310，High-Head Safety Injection（HHSI），flow criteria，throttle orifice.

1　前言

在國內(nèi)緊湊經(jīng)濟型M310堆型核電廠中，安全注入系統(tǒng)（RIS）是在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)發(fā)生失水事故或主蒸汽系統(tǒng)發(fā)生管道破裂事故時，安全注入系統(tǒng)完成堆芯應(yīng)急冷卻功能。RIS系統(tǒng)是核電廠最為重要的核安全系統(tǒng)之一，按照壓力等級劃分為高壓安全注入、中壓安全注入和低壓安全注入。其中高壓安全注入（HHIS）由三臺高壓安注泵（RCV 001 002 003PO）提供動力源，按照設(shè)計要求，高壓安全注入在一回路發(fā)生破口時將高濃度的硼酸溶液注入一回路，以降低反應(yīng)堆堆芯的反應(yīng)性和保證邊界完整。三個環(huán)路在冷熱段注入時流量要相互匹配，并且流量要達(dá)到設(shè)計要求才能保證整個堆芯的安全。

在某M310核電廠調(diào)試啟動階段，在執(zhí)行電廠高壓安注泵流量檢查試驗（TP RIS 52）時，執(zhí)行至冷、熱段同時注入階段，總流量達(dá)到安全準(zhǔn)則要求，熱段流量之和達(dá)到安全準(zhǔn)則要求，冷段流量之和在多次試驗驗證中均無法滿足設(shè)計要求；經(jīng)過近一個月的間隔性試驗驗證，最終確定為某供應(yīng)商生產(chǎn)的RIS015/016DI節(jié)流孔板存在孔徑過小，限流較大導(dǎo)致流量不滿足要求。本文將對此試驗過程進行總結(jié)和梳理，探討與優(yōu)化問題的解決方案，供其他后續(xù)核電廠調(diào)試啟動階段參考。

2　高壓安注泵流量檢查試驗出現(xiàn)的問題

TP RIS 52（高壓安注泵流量檢查）是《核電廠調(diào)試大綱》要求的調(diào)試啟動試驗，一般為國家核安全局必選監(jiān)督的試驗項目。本試驗處于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)和反應(yīng)堆換料水池處于開蓋功能試驗工況下（TP ENS 11）。該試驗合格后機組方可進行“主冷卻劑系統(tǒng)冷態(tài)水壓試驗”等后續(xù)機組調(diào)試啟動工作。

表1

表2

表3

表4

表5

圖1

圖2

2.1本試驗步驟及其驗收準(zhǔn)則（部分）概要如下

按照規(guī)程步驟，啟動RCV001PO（或RCV002/003PO），打開泵下游RIS032/033VP隔離閥，確認(rèn)RIS034/035VP關(guān)閉的情況下打開R I S 0 3 6 V P，保證泵下游流體經(jīng)過R I S 0 1 5 D I所在管線，開啟RIS021VP閥門，關(guān)閉RCV系統(tǒng)小流量閥門，讀取RIS001/099MD流量Q；試驗總流量要求滿足：132.9 m3/h≤Q≤149.7m3/h（準(zhǔn)則一）。此時要求RIS 063 LD和RIS 064 LD上的兩個熱段之間的流量失配是合適的：兩個熱段的流量應(yīng)該基本一樣，熱段流量之和要求：91.5m3/h≤QHL≤108.3m3/h（準(zhǔn)則二）。冷段RIS006/007/008LD流量失配是合適的，冷段流量之和要求：41.4m3/h≤QCL≤58.2m3/h。（準(zhǔn)則三）

在試驗過程中，若準(zhǔn)則一、二、三任何一個不滿足則必須停止試驗并分析查找原因。試驗中以高壓安注泵RCV 001 PO流量檢查試驗為例，高壓安全注入冷、熱段同時注入的流程簡圖如圖1所示。

2.2TP RIS 52首次試驗結(jié)果分析

圖3

按照TP RIS 52調(diào)試規(guī)程要求，首先執(zhí)行完成冷段直接注入部分，在滿足流量安全準(zhǔn)則后將RIS037/038/039VP三個閥門用機械手段固定（固定后在裝料周期內(nèi)不再進行閥門開度調(diào)整）。在冷、熱段同時注入時，通過RIS001/099MD和就地流量計讀取流量數(shù)據(jù)如表1所示（單位：m3/h）：

根據(jù)設(shè)計的要求，流量安全準(zhǔn)則見附表。

附表：“高壓安注泵冷、熱段同時注入”安全準(zhǔn)則（如圖2所示）。

（實線之間的區(qū)域是未修正的試驗范圍。虛線之間的區(qū)域是修正后的試驗范圍，即是在計算中考慮了測量的不確定性因素后（試驗要求的最大值）修正試驗范圍得出。如果試驗中所使用的儀表非常精確，修正后的范圍或操縱員調(diào)節(jié)的范圍可以相應(yīng)地加大。）

那么可以看出執(zhí)行試驗中得到的總流量Q=140.2，滿足準(zhǔn)則一的要求；根據(jù)熱段讀取的流量得出熱段流量之和QHL=97.3，滿足準(zhǔn)則二的要求；但是根據(jù)讀取的冷段流量得出冷段流量之和QCL=30，不能滿足準(zhǔn)則三的要求。

通過對比我們可以明顯看出，Q≠Q(mào)HL+QCL，并且冷段流量之和未達(dá)到安全準(zhǔn)則要求；需要分析找出根本原因。

3　原因分析的驗證過程

為分析高壓安全注入系統(tǒng)在冷、熱段同時注入冷段流量不能達(dá)到安全準(zhǔn)則要求，核電現(xiàn)場先后在一個月內(nèi)進行了十多次小型驗證和5次正式試驗，最終確定了原因，成功解決了冷段流量偏低的問題，為機組后續(xù)的“主冷卻劑系統(tǒng)冷態(tài)水壓試驗”等機組調(diào)試啟動工作奠定了堅實基礎(chǔ)。

第一次驗證：

根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗首先質(zhì)疑閥門開度問題，在進行高壓安全注入流量檢查時，可能存在冷段各閥門未全開導(dǎo)致節(jié)流情況，因此由機械及電儀專業(yè)維修人員對試驗環(huán)路上的電動閥、手動截止閥等進行全線排查。排查中調(diào)整了閥門的限位，保證冷管段的閥門能夠在試驗階段全開。排查完畢再次啟動RCV001PO進行試驗，得到試驗結(jié)果如表2所示。（單位：m3/h）

冷管段的流量之和數(shù)據(jù)有所增加，但是還未達(dá)到準(zhǔn)則三的要求，同時還存在Q≠Q(mào)HL+QCL現(xiàn)象。

第二次驗證：

根據(jù)第一次驗證時的數(shù)據(jù)結(jié)果，試驗人員仔細(xì)分析，閥門開度問題排除后，一直存在的Q≠Q(mào)HL+QCL現(xiàn)象值得引起注意，試驗人員對整本調(diào)試規(guī)程再次復(fù)核，發(fā)現(xiàn)在執(zhí)行TP RIS 52冷段直接注入時的流量失配情況時數(shù)據(jù)滿意，因此初步判定RIS006/007/008LD就地流量儀表存在大流量時精確、小流量時誤差較大的情形，故本次驗證將RIS006/007/008LD遷移為小量程、精度更高的在檢驗期有效內(nèi)的儀表。再次執(zhí)行試驗，試驗中得到結(jié)果如表3所示。（單位：m3/ h）

通過本次驗證，確實發(fā)現(xiàn)RIS063/064/065LD儀表存在低流量精度不夠問題，并且Q-QHL-QCL=7，誤差已在可接受范圍之內(nèi)，但是QCL=37.4還是不能滿足準(zhǔn)則三的要求。

第三次驗證：

根據(jù)第一二次驗證時的數(shù)據(jù)進行仔細(xì)分析，試驗人員在排除了閥門開度、儀表精度等原因后還是未找到解決冷管段流量偏低的癥結(jié)。由此試驗人員質(zhì)疑是否存在冷段的管線存在異物造成管道堵塞的可能。因此試驗人員再次執(zhí)行TP RIS 52（高壓安注泵流量檢查）僅冷段注入步驟，發(fā)現(xiàn)流量滿足安全準(zhǔn)則要求。故排除冷段管線存在異物造成管道堵塞的可能。

第四次驗證：

在排除了前三次驗證時的懷疑對象后，試驗人員對RIS015/ 016DI的孔徑產(chǎn)生了嚴(yán)重質(zhì)疑。對此試驗人員與設(shè)計人員取得聯(lián)系并商討是否可以對孔板進行擴孔，對此設(shè)計人員專門建模進行數(shù)據(jù)分析。設(shè)計人員反饋：根據(jù)Flowmaster建立的RIS系統(tǒng)模型得到，當(dāng)RIS015/016DI如逐漸增加孔徑時，流量曲線如下表2（綠色）所示，流量數(shù)據(jù)向左上方移動，該模型已在多家電廠應(yīng)用證明可以用來預(yù)測流量變化。按照模型來看即使增加孔徑也無法滿足準(zhǔn)則要求。如下表所示，從3點出發(fā)，沿變化趨勢線1和2之間上行，與準(zhǔn)則區(qū)域無交叉。（變化趨勢線1和2的斜率為Flowmaster模型計算的最大、最小值，當(dāng)孔徑變化時，其冷、熱段注入流量只能在這兩條線之間向左上移動）（如圖3所示）。

設(shè)計人員否決了試驗人員的提議，認(rèn)為即使增加孔板孔徑不能解決問題，因此試驗驗證陷入僵局。試驗人員翻閱了大量同行電廠的試驗總結(jié)，經(jīng)過查找發(fā)現(xiàn)中廣核同行電廠存在過高壓安全注入試驗時擴孔孔板的經(jīng)歷，雖然問題出現(xiàn)階段等不同，但是還是有借鑒的意義。故我們抱著對核安全負(fù)責(zé)的態(tài)度，不能簡單按照總流量Q減去熱段流量QHL就認(rèn)為是冷段流量QCL。因此我們準(zhǔn)備了孔板備件，預(yù)防因判斷錯誤造成對其他關(guān)鍵路徑的制約；試驗人員將RIS015DI初步擴孔，由原來的12.5mm擴孔至13.85mm。安裝就位后再次進行驗證得到試驗結(jié)果如表4所示。（單位：m3/h）

由此數(shù)據(jù)可以看出，Q-QHL-QCL=3.3，并且QCL=41.5，該數(shù)據(jù)能夠滿足三個安全準(zhǔn)則要求，并且數(shù)據(jù)總的誤差更小，但是冷段流量之和在安全準(zhǔn)則邊緣范圍。

第五次驗證：

抱著對試驗負(fù)責(zé)，對電廠負(fù)責(zé)，對核安全負(fù)責(zé)的態(tài)度，試驗人員認(rèn)為既然孔板擴孔后試驗數(shù)據(jù)明顯改善，試驗人員與設(shè)計人員溝通，再次進行了流體計算，最終取得一致意見，將RIS015/016DI同時擴孔至13.95mm。經(jīng)過試驗驗證得到試驗結(jié)果如表5所示。（單位：m3/h）

由此電廠現(xiàn)場調(diào)試啟動階段高壓安全注入冷、熱段同時注入流量檢查驗證最終取得滿意結(jié)果，滿足了安全準(zhǔn)則要求，試驗成功。

4　分析與優(yōu)化

根據(jù)以上問題解決的過程，可以明確RIS015/016DI因孔徑過小導(dǎo)致流量驗證多次失敗。后經(jīng)過廠家、設(shè)計、試驗人員分析，在流體建模基礎(chǔ)上得到的數(shù)據(jù)有參考價值，但是在核電現(xiàn)場因管線布置差異、施工安裝偏差等造成流量不足。

核電機組調(diào)試啟動階段和后續(xù)的機組商運及檢修階段均會進行高壓安全注入的流量失配驗證，因此很有必要對此次驗證過程進行優(yōu)化分析，以指導(dǎo)機組后續(xù)在整個壽期和其他相關(guān)電廠遇到類似問題快速分析原因解決問題，解決關(guān)鍵路徑的難題。在本次查找問題原因過程中，對于整個判定過程有較大影響的即為孔板孔徑和儀表精度問題。數(shù)字建模對于流體學(xué)有重要參考價值，但是核電現(xiàn)場的安裝、設(shè)備很可能達(dá)不到建模中的數(shù)據(jù)要求，不能因電子計算而忽略實體本質(zhì)。在后續(xù)問題分析過程中，一定要全面考慮，切忌過早下結(jié)論而導(dǎo)致關(guān)鍵路徑和人力、物力的流失。

5　后續(xù)反饋與建議

（1）本次對高壓安全注入冷、熱段同時注入流量出現(xiàn)的冷段流量偏小問題的處理過程中可以發(fā)現(xiàn)，孔板孔徑的大小直接影響到冷、熱段流量的失配，對于孔板孔徑不能只依賴于建模計算，要針對具體問題進行具體分析，不能過早下結(jié)論；

（2）對于試驗驗證過程中存在的儀表精度問題，建議后續(xù)相同機組采用精度較高的油壓流量表，以保證即使在低流量時也能滿足精度要求；

（3）建議廠家和設(shè)計、采購監(jiān)管部門對同批次、同類型孔板進行普查，對于需要驗證高壓安全注入冷、熱段同時注入流量失配驗證時及早意識到孔板問題，避免關(guān)鍵路徑的無謂浪費。

6　結(jié)語

本文簡要介紹了國內(nèi)緊湊經(jīng)濟型M310堆型核電廠高壓安全注入冷、熱段同時注入試驗出現(xiàn)問題的解決思路和分析思考，希望能夠給后續(xù)調(diào)試啟動階段遇到類似問題提供解決問題的方法。

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高國甫（1985—），男，河南安陽人，本科學(xué)歷，學(xué)士學(xué)位，助理工程師，從事核電廠調(diào)試行業(yè)；朱達(dá)睿（1987—），男，陜西西安人，本科學(xué)歷，學(xué)士學(xué)位，助理工程師，從事核電廠調(diào)試行業(yè)。