“華龍一號”核電廠喪失WES后采用IRWST反冷分析

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

核電廠設備冷卻水系統(tǒng)(WCC)的主要功能是冷卻核島各類熱交換器，并通過設冷熱交換器由重要廠用水系統(tǒng)將其熱負荷傳至最終熱阱——海水?！叭A龍一號”WCC系統(tǒng)配置有兩列，每個系列在事故工況下都能提供100%的應急冷卻能力。WCC系統(tǒng)的主要冷卻用戶包括安全殼噴淋系統(tǒng)、電氣廠房冷凍水系統(tǒng)、安全注入系統(tǒng)、余熱排出系統(tǒng)、反應堆冷卻劑系統(tǒng)主泵、化學和容積控制系統(tǒng)等等。核電廠發(fā)生喪失WES事故后，為了延長WCC系統(tǒng)的工作時間，根據(jù)電廠操作規(guī)程，可以利用換料水箱中較低溫度的含硼水，對設備冷卻水系統(tǒng)實行反冷操作。“華龍一號”核電廠采用兼作安全殼地坑的內置換料水箱，從位置標高與體積容量等均與傳統(tǒng)M310堆型的PTR水箱差異較大，有必要對IRWST在喪失WES事故后的反冷作用進行分析。另外，本文計算分析結論能夠為“華龍一號”核電廠故障操作規(guī)程的開發(fā)提供重要依據(jù)。

1 反冷操作系統(tǒng)描述

核電廠在失去重要廠用水功能后，根據(jù)操作規(guī)程，應采用安全殼噴淋系統(tǒng)試驗管線、安噴泵(CSP)、安噴熱交換器以及IRWST構成反冷回路[1](見圖1)，通過CSP泵從IRWST水箱中抽取低溫的含硼水進入安噴熱交換器的CSP側，WCC泵運行使得WCC系統(tǒng)中的流體經過安噴熱交換器的WCC側，借助于IRWST水箱的大熱容量，可以在一定時間內使得WCC系統(tǒng)中的水得到冷卻，即把IRWST作為WCC系統(tǒng)的熱阱。

圖1 IRWST反冷WCC的系統(tǒng)示意圖Fig.1 The sketch of IRWST cooling WCC

2 反冷操作最晚時間窗口計算

根據(jù)“華龍一號”核電廠WCC系統(tǒng)設計基準，在核電廠所有運行工況下，當海水最高溫度為30.7 ℃時，WCC的最高溫度為35 ℃。但是下述兩種情況除外：

1)在進入冷停堆和次臨界停堆工況下，當海水最高溫度為30.7 ℃時，WCC溫度為40 ℃。

2)在喪失冷卻劑事故(LOCA)工況下，當海水最高溫度為35.5 ℃時，WCC溫度為45 ℃。

喪失重要廠用水事故屬于超設計基準事故，本文分析中不考慮疊加LOCA的極端不可能工況。而在實際運行中，海水及WCC溫度不會一直如此之高，因此本文WCC系統(tǒng)初始溫度選用35℃是足夠保守的。

核電廠喪失重要廠用水功能后，設備冷卻水失去熱阱，設冷水溫度開始升高，當水溫達到55 ℃時，根據(jù)事故規(guī)程要求，必須停運反應堆主泵，隔離上充、下泄，并且必須將WCC泵停閉，這是因為高于55 ℃的WCC水便有可能對某些終端用戶進行加熱[2]。因此，本文計算中所采用的限制準則是WCC水溫不高于55 ℃。

假設WCC初始水溫為T0，計算終止溫度為Te，由于喪失WES冷卻，WCC的帶熱負荷全部用于WCC系統(tǒng)水溫的升高，有如下公式：

m×Cp×(Te-T0)=P×t

式中，m——WCC系統(tǒng)除去波動箱及系統(tǒng)死管部分的水裝量，計算取436.8 t左右;

Cp——水的比熱，取4.18 kJ/(kg·℃);

P——WCC系統(tǒng)正常運行時的總帶熱負荷，取值為34.57 MW。

由上述公式很容易計算出，對于“華龍一號”核電廠，在發(fā)生喪失WES功能后，如果操作員不采取緩解措施，WCC水溫將于17.6 min后升至55 ℃。

3 反冷操作效果的定量評價

3.1 程序與建模

本文計算使用RELAP5程序。RELAP5程序是美國愛達荷國家工程實驗室(Idaho National Engineering Laboratory (INEL))于20世紀80年代逐漸開發(fā)，專門用于核電廠事故分析的大型熱工水力最佳估算程序，可用于事故瞬態(tài)和失水事故的計算分析，是目前最常用的核電廠系統(tǒng)熱工水力分析程序之一。

根據(jù)喪失WES后采用IRWST進行反冷的作用原理，使用RELAP5程序進行建模，節(jié)點劃分見圖2。其中：控制體160為內置換料水箱，115為CSP泵，130為安噴換熱器CSP側，控制體100、110、120、140、150代表使用安噴試驗管線構成的反冷回路。250為安噴換熱器WCC側，205為WCC泵?？刂企w255、200、210、230代表WCC系統(tǒng)管道。300用于模擬WCC系統(tǒng)帶熱負荷。

圖2 IRWST反冷回路RELAP5程序節(jié)點劃分圖Fig.2 The RELAP5 nodalization of IRWST cooling loop

在計算之前，首先要確定安噴熱交換器的傳熱面積和傳熱系數(shù)，使其達到設計工作狀態(tài)。表1給出CSP熱交換器工作參數(shù)的調試結果?？梢钥闯?，本文RELAP5程序對CSP換熱器模擬的計算值與設計值偏差很小，能夠滿足計算需求。

表1 安噴熱交換器工作參數(shù)調試結果Table 1 The calculation results of the CSP heatexchanger working values

3.2 工況計算與分析

根據(jù)“華龍一號”WCC系統(tǒng)功能設計，需要WCC冷卻的熱交換器可以分成3類，分別是1)安全相關的熱交換器，在處理Ⅲ類或Ⅳ類事故時起重要作用；2)在正常運行和喪失廠外電源時需要冷卻的重要熱交換器；3)在正常運行時使用，而在喪失廠外電源后不立刻起作用的熱交換器。

根據(jù)電廠操作規(guī)程，在執(zhí)行反冷操作中，為了增加WCC系統(tǒng)的有效工作時間，應逐步切除掉不必要的冷卻用戶?！叭A龍一號”核電廠用于處理正常運行工況下喪失WES事故操作規(guī)程的主要動作如表2所示。

表2 喪失WES事故后操作員動作

選擇不同IRWST初始水溫，采用RELAP5程序搭建的反冷回路模型進行計算，在計算過程中假設設冷水系統(tǒng)的設備、管道以及用戶設備的金屬材料不考慮散熱、吸熱，為保守起見，也不考慮設冷水溫度上升造成傳至設冷水系統(tǒng)的熱負荷減少。由表3與圖3給出的計算結果可以知道，當IRWST初始水溫為35 ℃時，由于反冷回路中安噴熱交換器兩側流體的溫差較小，并且在事故前期WCC系統(tǒng)的熱負荷仍然處于較高的水平，因此WCC系統(tǒng)的水溫一直處于上升趨勢，當事故后2 030 s，盡管此時將WCC的熱負荷降低至最低水平9.754 MW，WCC系統(tǒng)的升溫趨勢開始減緩，但在此之前1 800 s左右，WCC系統(tǒng)的水溫已經超過55 ℃， 0.5 h對于操作員恢復WES系統(tǒng)功能來說是不充分的，因為可以認為IRWST初始溫度為35 ℃時的反冷作用是不成功的。對于IRWST初始溫度低于30 ℃的工況，此反冷作用能夠保證WCC系統(tǒng)維持有效工作的時間在2.8 h以上，為操作員恢復WES功能提供了較大的時間裕量。

表3 IRWST反冷持續(xù)時間

圖3 WCC與IRWST水溫的變化曲線Fig.3 The water temperature curve of WCC and IRWST

圖3 WCC與IRWST水溫的變化曲線(續(xù))Fig.3 The water temperature curve of WCC and IRWST

4 結 論

“華龍一號”核電廠喪失重要廠用水之后，根據(jù)電廠操作規(guī)程，可以采用IRWST水箱、安噴試驗管線以及安噴熱交換器構成反冷回路，同時對WCC系統(tǒng)非必要用戶的熱負荷進行切除的方式對WCC系統(tǒng)進行反冷。

針對WCC初始水溫為35 ℃的工況，此反冷操作應在17.6 min之內投入。在IRWST初始水溫低于30 ℃時，依靠IRWST水箱的熱慣性，在很大程度上延緩了WCC系統(tǒng)水溫的上升趨勢，能夠在數(shù)小時內保證WCC系統(tǒng)繼續(xù)有效工作，為操作員恢復WES系統(tǒng)功能提供了較大的時間裕量。