華龍一號非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)管道布置優(yōu)化分析

蘭燕華，甘同昌，費(fèi)羅杰

（中核國電漳州能源有限公司，福建 漳州 363300）

自然循環(huán)是在重力作用下，利用流體密度差產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)冷卻劑流動(dòng)。建立長期、穩(wěn)定的自然循環(huán)，關(guān)鍵在于冷熱源之間的高度差和冷熱水之間的密度差。自然循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用減少了對外部電源的依賴，提升了核電機(jī)組的安全性。華龍一號機(jī)組采用“能動(dòng)+非能動(dòng)”技術(shù)，其中非能動(dòng)系列——非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)（PCS）即是利用自然循環(huán)原理導(dǎo)出安全殼熱量，從而實(shí)現(xiàn)安全殼降溫降壓。

圖1 PCS單系列流程簡圖Fig.1 PCS Single series flow chart

1 PCS系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)組成和功能

華龍一號非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)設(shè)置3個(gè)相互獨(dú)立的系列，每個(gè)系列包括兩組換熱器、兩臺(tái)汽水分離器、一臺(tái)換熱水箱、一臺(tái)導(dǎo)熱水箱，以及連接水箱和換熱器的系統(tǒng)管道和閥門等[1]。PCS單系列流程簡圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)設(shè)備布置

PCS換熱器組設(shè)計(jì)運(yùn)行最高溫度為190℃，內(nèi)部設(shè)計(jì)壓力0.65 MPa.a，換熱器本身垂直高度為5.5m；PCS的3個(gè)換熱水箱環(huán)形布置于安全殼外，水箱位于安全殼標(biāo)高50.6m～55.6m處，設(shè)計(jì)壓力0.2MPa.a；用于連通換熱器和換熱水箱的安全殼貫穿件，下降管貫穿件標(biāo)高為40.75m，上升管貫穿件標(biāo)高為39.80m，主管道上重要閥門均位于安全殼外。

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行原理

核電站發(fā)生超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故時(shí)，安全殼內(nèi)壓力、溫度上升。當(dāng)安全殼壓力或者溫度達(dá)到PCS觸發(fā)定值時(shí)，系統(tǒng)下降管（簡稱冷管）上的電動(dòng)隔離閥接受來自主控室或應(yīng)急指揮中心的開啟信號打開。

如果安全殼內(nèi)發(fā)生大量質(zhì)能釋放事故，大量高溫蒸汽或蒸汽-空氣等混合而成的不凝結(jié)氣體，從安全殼下部不斷上升沖刷PCS換熱器外表面。PCS換熱器受高溫混合氣體的加熱，同時(shí)高溫氣體在PCS換熱器外表面冷卻甚至凝結(jié)，放出熱量。這些熱量由換熱器內(nèi)的低溫水吸收，換熱器內(nèi)部低溫水受熱后溫度升高、密度變小，在重力作用下沿?fù)Q熱器出口上升管道（簡稱熱管）上升，進(jìn)入安全殼外的換熱水箱中。換熱水箱中的較低溫度的冷卻水密度較大，從換熱水箱底部的出口沿系統(tǒng)冷管進(jìn)入換熱器，繼續(xù)吸收安全殼內(nèi)的熱量，如此通過冷熱管之間的密度差，建立自然循環(huán)，將安全殼內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移至PCS換熱水箱。

2 原PCS系統(tǒng)管道布置分析

2.1 事故工況下自然循環(huán)壓頭

在事故工況下，假設(shè)PCS由對應(yīng)換熱器出口溫度高（115℃）信號觸發(fā)，PCS換熱器垂直高度5.5m，PCS水箱正常液位下，換熱器出口位置壓力大約為0.186MPa.g。事故時(shí)，在該壓力下液體沸騰前就會(huì)觸發(fā)PCS，不會(huì)造成換熱器和熱管中的水沸騰。在不考慮PCS冷熱管也被安全殼內(nèi)高溫加熱的情況下，PCS自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓頭可以通過公式（1）（柏努利方程）在換熱器底部計(jì)算得到：

其中：P1，P2為冷管和熱管對應(yīng)區(qū)域所在環(huán)境壓力；V1,V2為冷管和熱管內(nèi)流體流動(dòng)速度；ρ1ΔE為形阻和摩擦損失；h1為換熱器高度。

冷熱管最終都通往換熱水箱并與大氣相連：P1=P2。

PCS觸發(fā)初始階段流體靜止：V1=V2=0。

閥門打開瞬間流體靜止，忽略形阻和摩擦損失：ρ1ΔE=0。

理論上，冷管和熱管中存在密度差的高度h1為5.5m。

換熱水箱常溫（選取20℃計(jì)算）情況下，水的密度為ρ1=998kg/m3；而PCS觸發(fā)時(shí)，水溫115℃對應(yīng)的水密度為ρ2=947kg/m3，將以上數(shù)據(jù)代入公式（1）可以得到換熱器底部兩端壓差為2749 Pa。

2.2 原設(shè)計(jì)對自然循環(huán)建立的影響

華龍一號設(shè)計(jì)為雙層安全殼布置，PCS貫穿件區(qū)域水平長度最少4.6m。每個(gè)PCS換熱器有效容積為1.15m3，每個(gè)系列中有2個(gè)PCS換熱器，分析計(jì)算中選其密度從998kg/m3吸熱后變成947kg/m3，且排出的水溫度全部為115℃，那么由于PCS換熱器內(nèi)部冷卻水受熱膨脹排出水體積：

PCS系統(tǒng)熱管內(nèi)徑314.8mm[2]，熱管在安全殼內(nèi)的管道長度為垂直段加上水平段，總長度約9m。保守計(jì)算，將PCS熱管的吸熱膨脹亦考慮在內(nèi)，且吸熱后水溫同樣為115℃，熱管中水吸熱膨脹體積如下：

圖2 原PCS系統(tǒng)管道布置圖Fig.2 Piping layout of original PCS system

PCS熱管貫穿安全殼水平管道段的貯水體積為0.358m3；PCS換熱器組和管道水吸熱膨脹排出水的體積（2）、（3）之和為0.158m3。熱管水平管道貯水量要比PCS換熱器組和管道水吸熱膨脹體積大。該段水平管位于安全殼的環(huán)形空間和混凝土墻中，在正常運(yùn)行工況下管道內(nèi)部水溫不受安全殼溫度變化影響，在PCS受熱膨脹時(shí)，該段水平管道足夠容納PCS換熱器受熱膨脹、殼外垂直段熱管溫度不受膨脹水影響。因此，換熱器內(nèi)水溫升高膨脹對初始自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓頭無影響。

電廠正常運(yùn)行或者瞬態(tài)工況下，安全殼內(nèi)溫度可控且PCS管道在電廠正常工況下為常溫水，PCS在安全殼內(nèi)管道未設(shè)置保溫層。事故工況下，在蒸汽管線和一回路破口較小時(shí)，安全殼溫度和壓力上升速度較慢，此時(shí)蒸汽—不凝結(jié)氣體在PCS冷管和熱管凝結(jié)放熱或者冷卻，對應(yīng)管道內(nèi)水吸熱升溫。

在標(biāo)高39.8m～40.75m中，PCS冷管的溫度比熱管溫度高（該段標(biāo)高處，冷管在安全殼內(nèi)，而熱管已穿出至安全殼外）。由于初始狀態(tài)下PCS系統(tǒng)處于備用狀態(tài)，PCS冷管的隔離閥關(guān)閉，熱管隔離閥開啟，所以安全殼內(nèi)的冷管溫度上升后，冷管段水的膨脹會(huì)使水向下朝PCS換熱器底部流動(dòng)[3]。在上述假定事故工況下，PCS冷管有0.95m垂直高度水的密度低于熱管，該高度區(qū)流體密度差形成的驅(qū)動(dòng)壓頭與PCS換熱器水溫升高驅(qū)動(dòng)PCS壓頭剛好方向相反，即冷管溫度的上升會(huì)造成PCS觸發(fā)時(shí)初始自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)力下降。當(dāng)前PCS現(xiàn)場布置如圖2所示。

3 PCS系統(tǒng)管道布置優(yōu)化建議

由第2節(jié)分析可知，上述假定事故工況會(huì)對PCS系統(tǒng)帶出安全殼內(nèi)熱量產(chǎn)生不利影響。在設(shè)計(jì)上，如果能對PCS系統(tǒng)布置進(jìn)行優(yōu)化，提升其初始自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓頭，將進(jìn)一步降低安全殼峰值壓力，確保安全殼的完整性。華龍一號機(jī)組PCS系統(tǒng)的現(xiàn)場布置，可在以下方面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)：

表1 PCS冷熱管貫穿件互換及高度調(diào)整前后參數(shù)對比Table 1 Comparison of PCs cold and heat pipe penetration parameters before and after interchangeability and height adjustment

圖3 改進(jìn)后的PCS布置圖Fig.3 Layout of improved PCS

1）將PCS冷管和熱管貫穿安全殼的位置進(jìn)行互換，提高熱管的安全殼貫穿件高度并降低冷管安全殼貫穿件的高度。在假定事故下，PCS系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)的自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓頭相對當(dāng)前管道布置將得到進(jìn)一步提升。

2）結(jié)構(gòu)布置允許下，將PCS冷管的安全殼貫穿件布置在32m（該高度為PCS換熱器組下部標(biāo)高）以上，但盡量低的位置；PCS熱管管道安全殼貫穿件設(shè)置于50.6m以下，但盡量高的位置。

PCS管道布置優(yōu)化后，自然循環(huán)初始驅(qū)動(dòng)壓頭見表1；改進(jìn)后的PCS管布置如圖3所示。

由于PCS管道需要貫穿安全殼，實(shí)際布置中PCS管道還需要避開諸多設(shè)備。第1方案由于冷管和熱管管徑不同，但因?yàn)橹皇腔Q貫穿件位置，對安全殼廠房內(nèi)外設(shè)備布置的變動(dòng)影響較小；第2方案對安全殼結(jié)構(gòu)影響較大，需要在電廠設(shè)計(jì)初期進(jìn)行充分考慮，但從長遠(yuǎn)來看，該方案對PCS系統(tǒng)自然循環(huán)建立更為有利[4]。在運(yùn)行機(jī)組中則可以考慮為殼內(nèi)冷管增加保溫層，或者在安全殼溫度和壓力不可控的緩慢上升事故中，考慮提前手動(dòng)觸發(fā)PCS，以保證自然循環(huán)的順利建立。

4 結(jié)語

本文對華龍一號機(jī)組非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)管道布置方案進(jìn)行了深入分析，充分考慮了事故工況下PCS觸發(fā)時(shí)管道實(shí)際布置對PCS建立自然循環(huán)的影響。基于以上分析結(jié)果，提出了非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)管道布置的幾種優(yōu)化方案，以提升事故工況下非能動(dòng)安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)的初始自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓頭，加強(qiáng)安全殼內(nèi)熱量導(dǎo)出效能，降低安全殼內(nèi)峰值壓力和溫度，確保安全殼完整性。