端屏蔽冷卻系統(tǒng)堆腔最大補(bǔ)水速率估算

秦川 張曉暉 曾博文 章鵬華

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2101-5640-1497

摘? 要：立足秦山三廠重水堆核電站經(jīng)濟(jì)高效地運(yùn)行，本文介紹了端屏蔽冷卻系統(tǒng)的功能與流程，分析了二號機(jī)組端屏蔽滲漏和一號機(jī)組108大修端屏蔽充水時間長的原因和結(jié)果，由此引出了對端屏蔽系統(tǒng)堆腔的最大補(bǔ)水速率的估算。

關(guān)鍵字：重水堆核電站? 端屏蔽冷卻系統(tǒng)? 補(bǔ)水速率。

中圖分類號：TL48? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）03（c）-0001-4

Estimation of Maximum Makeup Water Rate in Reactor Cavity of End Shield Cooling System

QIN? Chuan? ZHANG Xiaohui? ZENG Bowen? ZHANG Penghua

（China National Nuclear Power Co.， Ltd.， Jiaxing， Zhejiang Province， 314300 China）

Abstract： Based on high efficient and effective operation of Qinshan 3rd heavy water reactor， introducing the function and process of end shield cooling system， analyzing the reason and outcome of the leakage of unit 2 end shield and as well as 108 outage of unit 1 long time charging. Thus， the estimation of maximum water make-up rate of shield cavity has been brought up.

Key Words： Heavy water reactor nuclear power plant; End shield cooling system; Water make-up rate

1? 概述

端屏蔽冷卻系統(tǒng)是一個低溫、低壓的半封閉式輕水再循環(huán)系統(tǒng)，目的是排出堆腔和端屏蔽產(chǎn)生的熱量，降低在反應(yīng)堆周圍的劑量率，以保護(hù)人員和設(shè)備。因此，維持系統(tǒng)裝量、循環(huán)與冷卻對保證核電站安全、可靠運(yùn)行具有重要現(xiàn)實(shí)意義。通過估算端屏蔽系統(tǒng)堆腔的最大補(bǔ)水速率，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對今后運(yùn)行人員相關(guān)操作具有一定的指導(dǎo)作用。

2? 系統(tǒng)簡述[1-3]

本系統(tǒng)是一條封閉的除鹽水環(huán)路，由2臺100 %容量的冷卻泵驅(qū)動循環(huán)。在泵的出口，一部分流量流經(jīng)2臺各50 %容量的熱交換器，與RCW換熱后變成49 ℃的冷水，其中約342 m3/h流入堆腔，排出溫度為54 ℃，約34.2 m3/h（每端）流過端屏蔽環(huán)并以54 ℃的溫度進(jìn)入堆腔。第二部分流量（340 m3/h）（每端）是熱水和冷水的混合物，它以60 ℃供給端屏蔽，并以66 ℃排出。另外，有一小部分流量通過凈化回路，然后返回到泵的入口。流量通過設(shè)在每條供水管線上的經(jīng)過校準(zhǔn)的孔板予以控制。冷卻端屏蔽和堆腔后水流經(jīng)一個40 s延遲箱，使短壽期的放射性同位素得到衰變。然后，水靠重力返回泵吸入口，而且在泵的吸入口有一個膨脹箱，以調(diào)節(jié)液位變化。

3? 事件描述

3.1 事件一

2012年2月19日首次發(fā)現(xiàn)R2-112房間地漏有端屏蔽系統(tǒng)水連續(xù)流出，隨即保持疏水閥7173-V30開啟，引漏流進(jìn)入7173-SUMP#5。可以確定襯里缺陷點(diǎn)位于貫穿件10092周邊即15090襯里板區(qū)域，尤其是貫穿件和襯里的連接出現(xiàn)問題的可能性大。

2012年6月小修，對貫穿件10092周邊進(jìn)行灌漿堵漏;在堆腔B側(cè)底部安裝不銹鋼圍堰引流;在B側(cè)墻面上覆蓋鋁板。

2012年12月大修，實(shí)施完成9802-QY-71730-DMR-02516（將TMOD轉(zhuǎn)為正式變更，并增加兩個容積為2.1立方米的水箱）;將B側(cè)墻上覆蓋的鋁板更換為氟橡膠板;在氟橡膠板、圍堰、墻體及地面縫隙處進(jìn)行封堵，僅余氟橡膠板上部與墻的連接處保持敞口。圖1所示為堵漏引流示意圖。

最終滲漏量控制在了20L/h，該缺陷也導(dǎo)致了2#機(jī)組需要定期將泄露的除鹽水排出和通過高位水箱向系統(tǒng)補(bǔ)水以維持堆腔的液位。

3.2 事件二

2015年5月13日，一號機(jī)組處于108大修期間。大修值根據(jù)計劃，按照34110-OM 4.1.1節(jié)進(jìn)行端屏蔽系統(tǒng)充水啟動操作。按照OM第17步要求：“密切監(jiān)視堆腔覆蓋氣體壓力（AI2743）。調(diào)節(jié)除鹽水補(bǔ)水隔離閥3411-V62 的開度，維持堆腔覆蓋氣體壓力（AI2743）不超過12kPa?！庇捎谙到y(tǒng)高于一定液位后，爆破盤排氣閥3411-V811/812處不會有氣體排出，堆腔覆蓋氣只能通過排氣閥PCV19#1排出，此時運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)：哪怕補(bǔ)水閥3411-V62開度極小，覆蓋氣上升的速度也比較快，無法穩(wěn)定在OM要求的12kPa以下。為了確保覆蓋氣壓力不超過OM要求，運(yùn)行人員只能以很低的速率補(bǔ)水。根據(jù)日志記錄，2015年5月13日中班開始注水，5月16日14：45聯(lián)系維修人員拆開平衡管線加快排氣，當(dāng)天中班20：00結(jié)束，持續(xù)時間長達(dá)3天以上。

通過查看日志發(fā)現(xiàn)，2015年4月7日14：28：大修值根據(jù)98-34110-OM-001[4]第4.4.1節(jié)停運(yùn)端屏蔽冷卻系統(tǒng)和覆蓋氣，隨后建立34110屏蔽冷卻系統(tǒng)檢修的安措（EG14081077-1）。安措要求對3411-P1和3411-TCV15疏水。參考圖2所示，安措建立期間，現(xiàn)場反饋TCV15所在管線的疏水點(diǎn)3411-V96處有少量水流，由于安措的前后隔離閥V26和V27為蝶閥，無法隔離嚴(yán)密，雖經(jīng)多次調(diào)整隔離閥并長時間觀察，但水流仍然存在。維修人員反饋少量漏水不影響工作的開展，因此生效安措并許可工作。

由于3411-V96的少量漏水，造成安措建立至解除期間，端屏蔽裝量持續(xù)減少，使得端屏蔽系統(tǒng)啟動前堆腔的實(shí)際液位比歷屆大修都要低，這是108大修端屏蔽系統(tǒng)啟動時充水時間長于歷屆大修的主要原因。

由于在端屏蔽系統(tǒng)停運(yùn)期間覆蓋氣停運(yùn)，堆腔液位無法準(zhǔn)確監(jiān)測，而膨脹箱TK3至系統(tǒng)的隔離閥3411-V45在端屏蔽系統(tǒng)停運(yùn)期間要求關(guān)閉，此時TK3液位不能反映系統(tǒng)水裝量，因此端屏蔽系統(tǒng)停運(yùn)期間，操縱員沒有直接可靠的途徑監(jiān)測堆腔液位的具體值，不能及時發(fā)現(xiàn)堆腔裝量的持續(xù)減少，也無法根據(jù)堆腔液位值預(yù)估系統(tǒng)啟動時補(bǔ)水所需時間。

4? 堆腔最大補(bǔ)水速率估算

根據(jù)圖3端屏蔽堆腔標(biāo)高圖，正常3411-TK3液位2m，標(biāo)高110.620+2=112.620（m）。堆腔正常液位310±150mm，標(biāo)高115.17±0.15m。堆腔液位標(biāo)高高于膨脹箱是因?yàn)槎似帘伪眠\(yùn)行時提供了壓頭。

對堆腔補(bǔ)水期間，堆腔液位上升，擠壓氣空間，使得覆蓋氣壓力上升。如果需要維持覆蓋氣壓力不上漲，則補(bǔ)水的體積速率≤覆蓋氣最大排氣體積速率。覆蓋氣的排氣通道有兩路，這兩路排氣通道可以將堆腔補(bǔ)水分為兩個階段：

1、當(dāng)堆腔液位高于EL112.446m（堆腔出口）時，覆蓋氣排氣途徑為排氣閥PCV19#1。當(dāng)覆蓋氣壓力升高后，控制器63411-PC19關(guān)閉進(jìn)氣閥PCV19#2，增大排氣閥PCV19#1的開度，維持覆蓋氣壓力在設(shè)定值（12kPa）。端屏蔽系統(tǒng)的補(bǔ)水閥3411-V62所在管線管徑為2英寸，對于堆腔，其進(jìn)水管為兩根6英寸水管，但排氣管為一根1/2英寸管線，且排氣管線布置復(fù)雜，彎頭較多，沿程阻力大，故當(dāng)堆腔液位高于EL112.446m后，端屏蔽系統(tǒng)的補(bǔ)水能力遠(yuǎn)大于覆蓋氣排氣能力，因此注水速率受到排氣速率限制，在保證覆蓋氣壓力穩(wěn)定的前提下，最大注水體積速率約等于排氣閥PCV19#1全開時排氣管線能夠達(dá)到的最大排氣體積速率。

2、當(dāng)堆腔液位低于EL112.446m時，覆蓋氣除了通過排氣閥PCV19#1排氣外，還可以通過排水管上連接的至覆蓋氣排氣管線的兩根4英寸管徑連接管排氣（根據(jù)運(yùn)行手冊，此時1#/2#爆破盤排氣閥3411-V811/V812都已打開，參見圖4[5]）。該排氣管線管徑遠(yuǎn)大于正常排氣管線的管徑（只有一根管線，1/2英寸），充水時可以達(dá)到很快的速率。由于這個階段的充水速率缺乏經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，目前無法估算。

由此可見，端屏蔽堆腔補(bǔ)水速率主要受限于堆腔液位高于EL112.446m、堆腔覆蓋氣僅靠排氣閥PCV19#1排氣這一階段。本文僅討論這一階段的最大補(bǔ)水速率[6]。

堆腔液位高于EL112.446m后，補(bǔ)水的最大體積速率約等于排氣閥PCV19#1全開時所能達(dá)到的最大排氣體積速率，這也是二號機(jī)組正常運(yùn)行期間執(zhí)行堆腔補(bǔ)水操作（由300mm補(bǔ)水至400mm）的理論最大速率，排氣速率可以通過以下方式粗略估算：

假定端屏蔽覆蓋氣為理想氣體，初始壓力為P1、氣腔體積為V1、溫度穩(wěn)定無變化。然后全開排氣閥PCV19#1對覆蓋氣卸壓，目標(biāo)壓力為P2，則根據(jù)公式P1V1=P2V2，則到達(dá)目標(biāo)壓力P2時，覆蓋氣體積膨脹為V2=P1V1/P2，增加的這部分體積ΔV=V2-V1通過PCV19#1排至73120系統(tǒng)，ΔV除以壓力由P1下降至P2花費(fèi)的時間t，即可得到這段時間內(nèi)PCV19#1的排氣速率，也就是PCV19#1在此階段的最大排氣速率。

利用此方法估算的一個前提，是要保證初始壓力P1和目標(biāo)壓力P2明顯高于設(shè)定值（12kPa），這樣才能確保整個排氣卸壓期間PCV19#1都處于全開狀態(tài)。大修期間端屏蔽系統(tǒng)啟動階段的參數(shù)是一個比較理想的樣本。在端屏蔽泵啟動時，由于3411-TK3中的水被打入堆腔，導(dǎo)致堆腔液位急劇上升，覆蓋氣壓力短時間大幅升高，此時進(jìn)氣閥PCV19#2全關(guān)（僅鼓泡液位計向內(nèi)補(bǔ)充氣體），排氣閥PCV19#1全開，等堆腔液位穩(wěn)定后，覆蓋氣壓力會隨著排氣閥排氣而緩慢下降，因此這個階段覆蓋氣壓力的變化趨勢可以估算排氣閥最大排氣量[7]。

以圖5所示的2014年5月2日207大修啟動數(shù)據(jù)為例：

當(dāng)端屏蔽泵啟動后，覆蓋氣壓力迅速上升至20kPa。在堆腔液位穩(wěn)定在295mm（EL115.155m）、覆蓋氣壓力下降階段（紅色方框）取兩個樣本點(diǎn)：P1=18kPa（g），P2=13kPa（g），壓力由18kPa（g）下降至13kPa（g）用時20min，此時氣腔體積V1為（4.255×5.779）×（115.440-115.155）=7m3=7000L（通過“圖6：端屏蔽堆腔碳鋼襯里示意圖”估算），代人公式P1V1=P2V2，V2=P1V1/P2=（118×7000）/ 113=7309.73L，則堆腔壓力由18kPa降至13kPa的過程中，排氣管線的平均排氣速率為（7309.73-7000）/20×60=929L/h。

如果堆腔壓力高，則排氣速率會相應(yīng)變快，例如同一組數(shù)據(jù)，由19kPa降至15kPa的平均速率為974L/h。

二號機(jī)組由于端屏蔽系統(tǒng)堆腔存在泄漏，需要定期執(zhí)行堆腔補(bǔ)水操作，補(bǔ)水速率取決于執(zhí)行人員的具體操作[8]。調(diào)取二號機(jī)組2013年和2015年幾次堆腔補(bǔ)水的數(shù)據(jù)，分別選擇一個最大值：

由表1中數(shù)據(jù)可見實(shí)際操作時能夠嘗試達(dá)到的最大充水速率與理論最大充水速率接近[9]。由于在端屏蔽充水初期覆蓋氣系統(tǒng)未投運(yùn)，除去鼓泡流量計的注入流量（約90L/h），端屏蔽系統(tǒng)啟動時充水初期，如果維持覆蓋氣壓力穩(wěn)定在12kPa，則最大理論補(bǔ)水速率為1020L/h[10]。

通過圖8可以推算，從EL112.446m補(bǔ)水至OM要求的堆腔目標(biāo)液位200mm（對應(yīng)標(biāo)高EL115.06m），需要補(bǔ)水量為：（10.046×5.372）×（113.366-112.446）+（5.779×4.255）×（115.06-113.366） =91.3m3。因此如果補(bǔ)水時維持覆蓋氣壓力穩(wěn)定在12kPa，取1020L/h的補(bǔ)水速率，得出理論最短補(bǔ)水時間為89.5小時（約3.7天）。

5? 結(jié)論

通過計算和實(shí)際操作中的數(shù)據(jù)最終得出，端屏蔽的最大補(bǔ)水量在1000L/h左右。由于設(shè)計上排氣管線管徑較細(xì)，長度比較長且彎頭較多，排氣速率無法太大，而端屏蔽系統(tǒng)補(bǔ)水速率又受排氣閥排氣速率影響，因此除非對排氣管線進(jìn)行變更改造，否則在當(dāng)前實(shí)際工況下，該補(bǔ)水流量無法再增大。

目前2#機(jī)組端屏蔽系統(tǒng)滲漏量是20L/h，公司相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜遗c728院討論的出的滲漏限值為50L/h，因此1000L/h的補(bǔ)水速率是完全可以滿足對2#機(jī)組端屏蔽堆腔裝量損失的補(bǔ)充。

當(dāng)機(jī)組停堆大修，端屏蔽冷卻系統(tǒng)有開口工作時，對系統(tǒng)設(shè)備的疏水或者由于隔離不嚴(yán)導(dǎo)致的泄露，最終使端屏蔽系統(tǒng)裝量損失較多，可能會增長補(bǔ)水時間。

因此在大修期間端屏蔽系統(tǒng)設(shè)備如果疏水檢修，考慮到系統(tǒng)中大量隔離閥為蝶閥，可能存在隔離不嚴(yán)、疏水不凈的情況。如果大修期間端屏蔽系統(tǒng)安措執(zhí)行過程中出現(xiàn)疏水不盡，但又不影響檢修工作的情況，建議評估增加額外的隔離點(diǎn)，避免端屏蔽系統(tǒng)裝量損失。如果漏水無法隔離，則應(yīng)預(yù)計到端屏蔽的水裝量可能會比正常偏少，系統(tǒng)啟動時充水需要更長的時間。維修工作結(jié)束后應(yīng)及早解除安措，結(jié)合漏量和最大補(bǔ)水速率，估算出可能延長的補(bǔ)水時間，適當(dāng)提前開始端屏蔽系統(tǒng)充水服役和啟動操作，避免影響機(jī)組啟動。

參考文獻(xiàn)

[1] 《CANRU-6核電廠系統(tǒng)與運(yùn)行》崗位培訓(xùn)教材.原子能出版社

[2] 《CANRU-6核電廠系統(tǒng)與運(yùn)行》課堂培訓(xùn)教材.原子能出版社

[3] 98-34110-DM-000.端屏蔽系統(tǒng)設(shè)計手冊

[4] 98-34110-OM-001.端屏蔽系統(tǒng)運(yùn)行手冊

[5] 9802-34110-1-1-FS-E，端屏蔽系統(tǒng)流程圖

[6] 陳燈.核電廠一回路水化學(xué)輻射優(yōu)化管控探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2020，17（14）：39+41..

[7] 徐清華.預(yù)測性維修用于重水堆保護(hù)及功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)[J].設(shè)備管理與維修，2017（05）：77-80.

[8] 李峰.核電廠再循環(huán)冷卻水系統(tǒng)應(yīng)急補(bǔ)水邏輯觸發(fā)的探討[J].科技視界，2019（36）：270-271.

[9] 游慶榮.某先進(jìn)壓水堆核電站鋼結(jié)構(gòu)涂裝質(zhì)量控制[J].全面腐蝕控制，2020，34（12）：46-48+118.

[10]王小翠. 核電站冷凝器水室的強(qiáng)度分析[D].武漢工程大學(xué)，2017.