CPR1000機組全廠斷電事故后備模式研究

李 龍,吳震華,許俊俊

(蘇州熱工研究院有限公司 核安全與運行技術(shù)中心,廣東 深圳 518000)

中國廣核集團CPR1000機組使用的狀態(tài)導(dǎo)向法事故規(guī)程(SOP)源于法國M310機組。目前,SOP事故規(guī)程中全廠斷電事故后備模式為一回路冷端溫度190℃,一回路壓力高于45 bar的蒸汽發(fā)生器冷卻的中間停堆狀態(tài)[1]。

該后備模式的選取主要考慮ASG汽動泵和LLS汽輪發(fā)電機組的可用性以及防止中壓安注罐硼酸和N2注入一回路。CPR1000機組對ASG汽動泵和LLS汽輪發(fā)電機組進行了換型,其中ASG汽動泵更換廠家并由一臺增加到兩臺,LLS汽輪發(fā)電機組變更為柴油發(fā)電機組,不再需要使用蒸汽驅(qū)動。這些設(shè)備的換型改造之后,其運行參數(shù)和驅(qū)動方式都發(fā)生了變化,但全廠斷電事故使用的后備模式仍沿用法國M310機組的后備模式。因此,有必要對該后備模式進行論證分析。

目前,核電廠全廠斷電事故的研究主要集中在事故進程分析[2]及事故緩解措施的研究[3-6]上,缺少工程改造對事故處理策略影響方面的研究。

本文通過ASG汽動泵和LLS汽輪發(fā)電機組改造作為切入點,對與之相關(guān)的全廠斷電事故后果及處理策略進行分析,制定事故后備模式確定原則,提出CPR1000機組全廠斷電事故后備模式優(yōu)化方案。該分析方法可為核電廠工程改造對事故處理策略的影響研究提供一定的參考。

1 全廠斷電事故后備模式方法研究

全廠斷電是由于同時失去廠內(nèi)外電源造成的,最可能的情況是外電網(wǎng)發(fā)生共模故障,此后切換至廠用電運行失敗或兩臺柴油發(fā)電機組啟動失敗。[1]

全廠斷電后,主泵失電停運導(dǎo)致緊急停堆,反應(yīng)堆冷卻劑以自然循環(huán)方式運行;堆芯余熱傳遞給蒸汽發(fā)生器,并通過蒸汽排大氣系統(tǒng)(GCTa)導(dǎo)出;蒸汽發(fā)生器由ASG汽動泵供水;水壓試驗泵(由LLS供電)從換料水箱取水向主泵供應(yīng)軸封水。[7]

SOP事故規(guī)程要求將機組后撤至一回路冷端溫度190℃,一回路壓力高于45 bar的蒸汽發(fā)生器冷卻的中間停堆狀態(tài)。

對于反應(yīng)堆冷卻劑冷端溫度高于190℃的初始工況,通過GCTa控制一回路冷卻劑的降溫速率在28℃/h,一回路完整性由應(yīng)急軸封水注入來保證,一回路冷卻劑降溫收縮產(chǎn)生的空間通過軸封水注入補償。由于穩(wěn)壓器存在熱損失,其壓力自然下降,反應(yīng)堆冷卻劑壓力降至45 bar附近時,1號軸封泄漏是有限的,通過調(diào)節(jié)水壓試驗泵流量可使穩(wěn)壓器水位保持恒定。

要將機組過渡并穩(wěn)定在后備模式,需要確保ASG汽動泵、LLS、水壓試驗泵、GCTa的可用性。

另外,為了防止中壓安注罐硼酸及N2注入一回路,一回路壓力必須高于中壓安注罐壓力。

一回路參數(shù)應(yīng)盡可能接近余熱排出系統(tǒng)(RRA)的運行參數(shù)范圍,確保電源恢復(fù)時,可隨時連接RRA。

全廠斷電疊加ASG汽動泵喪失事故,由于冷源完全喪失,一回路冷卻劑溫度越低,達到泡核沸騰時間越久。所以,一回路溫度應(yīng)盡可能低。

2 CPR1000機組全廠斷電事故后備模式優(yōu)化

通過對全廠斷電事故后備模式確立原則逐項分析,對比M310機組和CPR1000機組的差異,提出CPR1000機組全廠斷電后備模式優(yōu)化方案。

(1)ASG汽動泵的可用性

ASG汽動泵由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動,給蒸汽發(fā)生器供水。要驅(qū)動ASG汽動泵汽輪機工作,蒸汽發(fā)生器的飽和壓力不能低于其工作最低壓力。自然循環(huán)狀態(tài)下,一回路冷端溫度基本與蒸汽發(fā)生器壓力對應(yīng)的飽和溫度相同,故要保證ASG汽動泵正常工作,一回路冷端溫度不能低于ASG汽動泵工作最低壓力對應(yīng)的飽和溫度。

根據(jù)表1,汽動泵最低工作壓力由6.6 bar降至5.3 bar,對應(yīng)飽和溫度由168℃降至161℃。在確定全廠斷電后備模式參數(shù)時,保證ASG汽動泵可用性要求的一回路冷端溫度限值可以由168℃下調(diào)至161℃。

(2)LLS的可用性

LLS系統(tǒng)給水壓試驗泵提供380 V應(yīng)急電源,從而在全廠斷電情況下,保證水壓試驗泵向主泵提供應(yīng)急軸封水,確保反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)完整性。

LLS系統(tǒng)還向LLS應(yīng)急風機供電,并給兩臺機組的LNE360CR配電盤提供220 V應(yīng)急電源,向應(yīng)急設(shè)備和機組運行所需的儀表供電。

M310機組的LLS為汽輪發(fā)電機組,驅(qū)動蒸汽來自于蒸汽發(fā)生器,蒸汽壓力應(yīng)高于LLS汽輪機最低工作壓力,對應(yīng)的一回路冷端溫度不能低于LLS汽輪機最低工作壓力對應(yīng)的飽和溫度。根據(jù)表1,LLS汽輪機最低工作壓力為6.6 bar,對應(yīng)的飽和溫度為168℃。但同時,當一回路冷卻劑冷端溫度低于190℃時,LLS汽輪發(fā)電機組將由于功率不足導(dǎo)致啟動失敗(功率不足以供應(yīng)水壓試驗泵、應(yīng)急通風及LNE360CR配電盤)。所以,在確立全廠斷電后備模式參數(shù)時,保證LLS汽輪發(fā)電機組可用性要求的一回路冷端溫度限值不得低于190℃。

CPR1000機組,LLS改造為柴油發(fā)電機組,不再需要蒸汽驅(qū)動。因此,LLS系統(tǒng)的可用性與一回路狀態(tài)無關(guān)。

(3)一回路壓力高于中壓安注罐壓力

中壓安注系統(tǒng)主要由三個安注箱組成,分別與反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)三個環(huán)路的冷管段相連,安注箱內(nèi)存放(2400±100)×10-6的硼水,用壓力約42 bar的N2覆蓋。當RCP壓力降到安注箱壓力以下時,由N2將硼水注入一回路,淹沒堆芯。

根據(jù)表1,運行技術(shù)規(guī)范的要求:中壓安注罐壓力維持在在41.75～44.3 bar之間。所以,要防止中壓安注罐硼水及N2進入一回路,在確定全廠斷電后備模式參數(shù)時,一回路壓力需要高于技術(shù)規(guī)范規(guī)定的中壓安注罐運行壓力上限值44.3 bar。

(4)一回路參數(shù)盡可能接近RRA運行參數(shù)范圍

根據(jù)表1,RRA連接的一回路溫度范圍為160～180℃,一回路壓力范圍為23～29 bar。

其中180℃是RRA設(shè)計的最高運行溫度,29 bar是RRA泵設(shè)計的最高運行入口壓力。一回路壓力高于23 bar是為了保證主泵一號軸封壓差高于19 bar,使一號軸封動靜環(huán)分離。160℃對應(yīng)反應(yīng)堆壓力容器壽期末壓力為161 bar的脆性轉(zhuǎn)變溫度(NDTT)。一回路溫度低于160℃時,若發(fā)生一回路壓力異常升高的事件,可能發(fā)生脆性破裂。

選擇后備模式時,一回路參數(shù)盡量接近RRA運行參數(shù)范圍,這樣可以確保電源恢復(fù)時,隨時連接RRA。

表1 M310和CPR1000機組設(shè)備運行參數(shù)Table 1 Operating parameters of M310 and CPR1000

(5)一回路溫度應(yīng)盡量低

一回路冷卻劑溫度越高,對應(yīng)的焓值越高。全廠斷電后,如果喪失ASG汽動泵,蒸汽發(fā)生器中的余水蒸干后,機組將完全喪失冷源,一回路冷卻劑溫度將在堆芯加熱下逐漸升高,最終達到泡核沸騰。而一回路冷卻劑溫度越低,出現(xiàn)這種工況,達到泡核沸騰時間就會越久,對機組恢復(fù)電源則越有利。

綜合考慮原則(1)～(4)后,得到后備模式為:一回路冷端溫度高于161℃,一回路壓力高于44.3 bar。再加上原則(5),后備模式一回路冷端溫度確定為161℃。

因此,CPR1000機組全廠斷電時,后備模式為一回路冷端溫度161℃,一回路壓力高于45 bar,與M310機組相比,溫度值從190℃下調(diào)到161℃。

3 后備模式參數(shù)優(yōu)化后的安全分析

下調(diào)后備模式溫度參數(shù)后,兩者的區(qū)別在于發(fā)生全廠斷電疊加ASG汽動泵喪失事故時,一回路冷卻劑達到泡核沸騰的時間長短不同。如果將后備模式溫度下調(diào)到161℃,與190℃的后備模式溫度相比,將會為應(yīng)急組織多爭取一段時間,這段時間就是一回路冷卻劑溫度從161℃升高到190℃的時間。

基于TOUTEC Vaporisation and dryingout times程序,分別計算機組后撤到190℃和161℃到SG完全蒸干的時間。

蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水達到飽和狀態(tài)的能量守恒方程式為:

式中:t0——停堆后的時間,min;

tebul——蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水達到飽和狀態(tài)的時間,min;

Pres(t)——熱功率,MW;

M0——蒸汽發(fā)生器內(nèi)的初始水裝量,t;

P——蒸汽發(fā)生器內(nèi)的壓力,bar;

T0——蒸汽發(fā)生器內(nèi)的初始水溫,℃;

Qapp——蒸汽發(fā)生器的給水流量,t/h;

Tapp——蒸汽發(fā)生器的給水溫度,℃;

hliq——液態(tài)水的比焓,J/kg;

a1——蒸汽發(fā)生器給水吸收的能量,J/h;

b1——蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水達到飽和狀態(tài)吸收的能量,J。

蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水蒸干的能量守恒方程式為:

式中:tass——蒸汽發(fā)生器的水蒸干的時間,min;

hvap——水蒸汽的比焓,J/kg;

a2——蒸汽發(fā)生器給水吸收的能量,J/h;

b2——蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水蒸干吸收的能量,J。

使用保守假設(shè),機組初始工況為滿功率運行,全廠斷電后,一回路冷卻劑在自然循環(huán)狀態(tài),操縱員執(zhí)行SOP事故規(guī)程,以28℃/h的速率冷卻一回路,直至達到后備模式要求的溫度190℃或161℃,達到穩(wěn)定狀態(tài)后,ASG汽動泵隨即喪失,蒸汽發(fā)生器失去全部給水。

ASG汽動泵喪失前,蒸汽發(fā)生器水位穩(wěn)定在零功率水位,對應(yīng)的水裝量為66.6 t(見圖1),ASG汽動泵喪失后,蒸汽發(fā)生器中的水裝量逐漸減少直至蒸干。

圖1 SG水裝量-功率對應(yīng)圖Fig.1 The SG water inventory as the function of the load

根據(jù)表2參數(shù),分別計算后備模式溫度參數(shù)190℃和161℃時的蒸汽發(fā)生器蒸干時間。

表2 參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter setting

最終得到計算結(jié)果如表3所示。

表3 計算結(jié)果Table 3 Calculation results

兩者對比,蒸汽發(fā)生器完全蒸干相差的時間為39.02 min。

按保守的假設(shè)計算,將后備模式溫度參數(shù)從190℃下調(diào)到161℃后,計算得到的時間差約40 min,實際時間可能更長。所以下調(diào)全廠斷電事故后備模式溫度參數(shù),將為應(yīng)急組織爭取到更多時間以恢復(fù)電源,有利于機組全廠斷電事故處理。

4 結(jié)論

通過對CPR1000機組全廠斷電后備模式優(yōu)化分析以及相關(guān)的計算,可以得到如下結(jié)論:

(1)CPR1000機組在ASG汽動泵和LLS汽輪發(fā)電機組換型改造后,原M310機組的全廠斷電后備模式仍然適用,能夠通過可用的控制手段將機組過渡并穩(wěn)定在后備模式,但后備模式參數(shù)存在優(yōu)化空間。

(2)后備模式參數(shù)優(yōu)化后,將全廠斷電后備模式溫度參數(shù)從190℃下調(diào)到161℃,對于疊加ASG汽動泵喪失的情況,將為應(yīng)急組織恢復(fù)電源多爭取到至少40 min的時間,有利于提升機組安全水平。