CAP1000與CPR1000機組一回路壓力控制分析

吳愛民　李志軍

【摘要】在電站正常運行和事故工況，一回路壓力控制是機組控制的核心內(nèi)容之一。通過對CAP1000和CPR1000機組在各種工況下一回路壓力控制方式和手段的對比分析，能夠更加全面了解CAP1000和CPR1000機組的設計特點，對CAP1000機組作為第三代壓水堆的安全性和先進性有更深入的理解。

【關鍵詞】壓力控制；水實體；穩(wěn)壓器雙相；事故工況

1.引言

CAP1000和CPR1000機組作為1000MW級壓水堆代表堆型，在一回路壓力控制方面有很多相似之處。本文將分別從一回路水實體工況、一回路雙相運行工況和事故工況三個方面對CAP1000和CPR1000機組的一回路壓力控制進行對比分析。

2.一回路水實體工況

在機組啟動初期和停運后期的一回路水實體工況，主要通過控制流出一回路的冷卻劑的流量控制一回路壓力。

CAP1000機組通過化學與容積控制系統(tǒng)（CVS）的下泄流量控制閥控制一回路的壓力。在一回路水實體工況，控制信號來自下泄管線測量的壓力信號，通常維持在2.15MPa；在下泄控制出現(xiàn)異常時，主控觸發(fā)下泄壓力高/低報警，當壓力低于1.86MPa時，發(fā)出停反應堆冷卻劑泵的信號。

在CPR1000機組中，通過化學容積控制系統(tǒng)（RCV）下泄流量調(diào)節(jié)閥來控制一回路的壓力，控制信號來自RCP037MP測出的壓力信號，壓力整定值由操縱員手動設定，通常維持在2.4MPa至2.8MPa。在主泵運行時，當一回路壓力下降到2.3MPa，主控會觸發(fā)“主泵運行且一回路壓力低低報警”，需要操縱員手動停運主泵。

在CPR1000機組中，運行主泵的1號軸封裝置的壓差必須大于1.4 MPa，對應的一回路壓力必須維持在2.4MPa以上，否則主泵1號軸封的動靜環(huán)的水膜無法建立，可能導致主泵軸封磨損。同時，由于主泵無法調(diào)頻，主泵的汽蝕余量要求較高，因此，在水實體工況，對一回路壓力控制要求更高。

在CAP1000機組中，主泵軸封的動靜環(huán)的水膜建立通過控制主泵轉速或倒轉轉速來保證，同時由于主泵可以調(diào)頻，對汽蝕余量要求相對較低，因此，通過控制下泄管線的壓力，間接控制一回路壓力。

3.一回路雙相工況

在機組運行中發(fā)生的運行瞬態(tài)，將使反應堆產(chǎn)生的功率和二回路的輸出功率之間產(chǎn)生不平衡（不匹配），這將導致環(huán)路中和反應堆內(nèi)的冷卻劑熱脹冷縮。這種由于體積變化而產(chǎn)生的壓力波動通過穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)進行控制[1]。

在正常的運行瞬態(tài)情況下，穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)使穩(wěn)壓器的壓力維持或恢復到額定值，防止壓力超過限值。當壓力升高時，系統(tǒng)將增加噴淋閥的開度，使蒸汽冷凝，降低壓力。當壓力降低時，系統(tǒng)將增加電加熱器的功率，加熱穩(wěn)壓器內(nèi)的水，使其更多地汽化，以升高壓力。

在CAP1000機組中，穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)設置一組比例加熱器，一組備用加熱器和一組（兩只）噴淋閥。穩(wěn)壓器壓力控制通道包括一個比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器將由壓力傳感器測量的穩(wěn)壓器壓力P與設置的整定值Pref（15.4MPa.g）相比較，形成壓力偏差信號。偏差信號經(jīng)PI（比例-積分）調(diào)節(jié)器補償后的信號，用于調(diào)節(jié)比例噴淋閥或電加熱器來抑制冷卻劑系統(tǒng)壓力擾動。當壓力偏差信號大于0.172MPa時，開啟噴淋閥，偏差信號至0.517MPa時，噴淋閥全開；當偏差信號小于0.103 MPa時，投入比例電加熱器，偏差信號小于-0.103MPa時，比例式電加熱器滿功率運行。當偏差信號小于-0.172MPa，用于投入備用電加熱器；當偏差信號大于-0.117MPa時，備用加熱器退出運行。

在CPR1000機組中，控制過程與CAP1000機組基本相同，只是在比例加熱器，通斷加熱器和噴淋閥的控制定值存在差異。

4.事故工況的一回路壓力控制

在事故工況下，通過對一回路的壓力進行控制，維持一回路冷卻劑在欠飽和狀態(tài)，保證堆芯持續(xù)冷卻。由于針對不同的事故工況，一回路的壓力控制的策略和手段不同，在本文中，以冷卻劑喪失事故（LOCA）小破口為例，對CAP1000機組和CPR1000機組的一回路壓力控制進行分析。

在CAP1000機組中，一旦發(fā)生小破口事故，穩(wěn)壓器壓力下降，反應堆緊急停堆，安全驅(qū)動信號啟動堆芯補水箱（CMT）高壓注射，隨著CMT液位降低，自動泄壓系統(tǒng)（ADS）啟動，進行一回路卸壓。當RCS完全卸壓，安全殼內(nèi)換料水箱和安全殼再循環(huán)地坑提供低壓注射，排出堆芯產(chǎn)生的熱量，保持堆芯被淹沒。

對于CPR1000機組，一旦發(fā)生小破口事故，通過高壓安注泵將濃硼水注入堆芯，保證堆芯的持續(xù)冷卻。當高壓安注的補水流量與一回路破口損失流量平衡時，一回路壓力穩(wěn)定。隨著一回路的冷卻劑溫度下降，一回路冷卻劑的飽和裕度余量滿足要求時，允許停運一臺高壓安注泵，并將另一臺高壓安注泵由安注模式轉為上充模式，通過調(diào)節(jié)上充流量控制一回路壓力。在一回路壓力下降到余熱導出系統(tǒng)（RRA）允許投入壓力后，將余熱導出系統(tǒng)投入運行，維持堆芯的持續(xù)冷卻。

CAP1000機組采用非能動安全系統(tǒng)，在事故工況下，主要依靠重力、壓差等作為驅(qū)動壓頭，保證對堆芯反應性控制和堆芯熱量的導出，對廠外電源和應急柴油機的可靠性要求較低。CPR1000機組采用能動安全系統(tǒng)，在事故工況下，只有中壓安注箱可以依靠壓差作為驅(qū)動壓頭，對于高壓安注和低壓安注則需要廠內(nèi)外電源的支持，對廠外電源和應急柴油機可靠性要求較高。

5.結論

通過對CAP1000和CPR1000機組的一回路壓力控制的對比分析可以看出，在一回路水實體工況，CPR1000機組主泵運行對一回路最小壓力有嚴格的要求，一回路水實體壓力控制區(qū)間較小。在穩(wěn)壓器雙相運行工況，CAP1000與CPR1000機組一回路壓力控制方式基本相同。在事故工況，CAP1000機組采用非能動安全系統(tǒng)，通過自動卸壓系統(tǒng)，降低一回路壓力；CPR1000機組采用能動安全系統(tǒng)，通過控制高壓安注泵的運行方式，控制向一回路注入含硼水的流量，來控制一回路的壓力。由于CPR1000機組采用能動安全系統(tǒng)，在發(fā)生LOCA事故疊加全廠失電工況時，CPR1000機組的應對事故的能力存在明顯不足。

參考文獻

[1]西屋公司.三門核電一期工程1&2機組技術規(guī)格書[R].2010，（05）.