張保國
(山東核電有限公司,山東 海陽 265116)
AP1000蒸汽發(fā)生器應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)
張保國
(山東核電有限公司,山東 海陽 265116)
除鹽水分配系統(tǒng)在調(diào)試期間運(yùn)行不穩(wěn)定,向常規(guī)島用戶供水受到限制,影響二回路聯(lián)合沖洗及其他調(diào)試工作,故實(shí)施了向凝汽器和除氧器補(bǔ)充除鹽水的臨時(shí)措施。實(shí)踐證明,采用臨時(shí)措施加快了調(diào)試進(jìn)程,彌補(bǔ)了二回路補(bǔ)水的薄弱環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)了向SG(蒸汽發(fā)生器)靜壓上水。在此基礎(chǔ)上考慮為蒸汽發(fā)生器提供一路應(yīng)急冷卻水源,用于完全喪失給水,甚至ATWS(未預(yù)期停堆下的瞬態(tài))時(shí),進(jìn)行長期和溫和的衰變熱移除,提高單一故障準(zhǔn)則水平,提高機(jī)組的縱深防御能力,對(duì)其可行性進(jìn)行了初步分析。
除鹽水分配;熱阱水源喪失;除氧器應(yīng)急補(bǔ)水;長期衰變熱移除
某核電廠常規(guī)島除鹽水工藝用戶較多,補(bǔ)水管道(DN100)經(jīng)總閥除鹽水分配閥后,分配至總管(經(jīng)隔離閥至閉式水、設(shè)冷水、換熱站)及其他常規(guī)島用戶總管(定冷水補(bǔ)水、凝泵備用密封水、低加疏水泵密封水、化學(xué)加藥補(bǔ)水、廠房通風(fēng)用水)和CST(容量2 253 m3)補(bǔ)水管(凝汽器補(bǔ)水箱補(bǔ)水管也是出水管,接到凝汽器補(bǔ)水管道上)。常規(guī)島其他用戶由除鹽水廠房經(jīng)正式管道(DN125)接入精處理自用水箱(容量500 m3)。3臺(tái)精處理沖洗水泵揚(yáng)程50 m,流量120 t/h,電機(jī)功率30 kW。
根據(jù)聯(lián)合沖洗的補(bǔ)水需要,采用了臨時(shí)措施為二回路相關(guān)設(shè)備提供補(bǔ)水,保障了施工調(diào)試期間的用水需要,并分析對(duì)于機(jī)組后續(xù)調(diào)試和運(yùn)行具有一定的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性,用于ATWS下并且主給水和啟動(dòng)給水喪失后,作為非安全相關(guān)的第二道防御,為蒸汽發(fā)生器提供水源,移除衰變熱。
二回路補(bǔ)水及臨時(shí)措施如圖1所示。
圖1 二回路補(bǔ)水及臨時(shí)措施示意圖Fig.1 Schematic of secondary makeup and provisional measures
1.1沖洗期間的問題
在沖洗期間,常規(guī)島受到除鹽水分配運(yùn)行影響較大。各用戶出現(xiàn)搶水,除鹽水分配向除鹽水分配閥下游供水能力只能達(dá)到60 t/h。除鹽水分配除鹽水泵不能投自動(dòng),超出工作范圍跳閘后再次供水必將耽誤調(diào)試工作。如有用戶進(jìn)行檢修工作,隔離沖突使得多用戶停水,閥門距離地面5 m,隔離措施較難執(zhí)行。如凝泵和低加疏水泵解體,隔離檢修需要關(guān)閉總閥全停常規(guī)島側(cè)除鹽水。影響了除鹽水系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
1.2機(jī)組啟動(dòng)熱態(tài)補(bǔ)水分析
汽輪機(jī)廠家要求,在機(jī)組初水量情況次運(yùn)行及機(jī)組長期停運(yùn)后再次啟動(dòng),蒸汽管道內(nèi)壁和加熱器汽側(cè)生銹,加熱器疏水被污染,為防止污物進(jìn)入蒸汽發(fā)生器,疏水不應(yīng)回收。除MSR疏水需要通過排污擴(kuò)容器放掉之外,3、4號(hào)低加疏水,6、7號(hào)高加疏水在30%負(fù)荷前也應(yīng)排掉,以保證給水水質(zhì)。機(jī)組應(yīng)在30%負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行24 h,才能保證管道、設(shè)備內(nèi)壁完全被沖洗干凈。
30%負(fù)荷下疏水、排污量如按照汽輪機(jī)廠家建議,30%負(fù)荷的加熱器/再熱器疏水同時(shí)排放不回收,則疏放水總量571.2 t/h遠(yuǎn)大于常規(guī)島現(xiàn)有補(bǔ)水系統(tǒng)補(bǔ)水量,也大于除鹽水廠供水量。
采用臨時(shí)補(bǔ)水系統(tǒng)改造,可以盡量滿足沖洗需要;或者降低沖洗期間因水位不能維持造成的負(fù)荷波動(dòng)幅度。現(xiàn)階段核島調(diào)試及沖洗展開,向常規(guī)島側(cè)供水能力更加受到限制,常規(guī)島側(cè)后續(xù)面臨二回路相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備保養(yǎng)以及再次進(jìn)行凝汽器灌水試驗(yàn),需要大量的除鹽水。有必要采取一定的措施為后續(xù)的調(diào)試和運(yùn)行進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。
除鹽水廠經(jīng)正式管道(DN125)接入精處理自用水箱,除鹽水廠除鹽水泵最大運(yùn)行后,提供約100 t/h的補(bǔ)水量,可以維持單臺(tái)精處理沖洗水泵長時(shí)間運(yùn)行。精處理沖洗水泵下游用戶的運(yùn)行比較靈活,僅僅與精處理自身調(diào)試沖突。在沖洗期間,調(diào)試就地啟動(dòng)精處理沖洗水泵連續(xù)向凝汽器或者除氧器補(bǔ)水,可以單獨(dú)維持給水前置泵及除氧器和凝泵及凝汽器的運(yùn)行。
2.1僅考慮冷態(tài)聯(lián)合沖洗階段補(bǔ)水
在精處理沖洗水泵出口母管接臨時(shí)管道(DN125)及出口總閥,經(jīng)分配管道分別接至凝汽器危急補(bǔ)水閥上游接入凝汽器、經(jīng)凝結(jié)水至除氧器補(bǔ)水支管進(jìn)入除氧器、以及接入凝泵密封水和給水泵前置泵的密封水。改進(jìn)措施在二回路聯(lián)合沖洗期間得到運(yùn)用,加快了調(diào)試進(jìn)度。
2.2考慮SG應(yīng)急補(bǔ)水
根據(jù)其他核電調(diào)研,在福島核事故發(fā)生后田灣設(shè)置了應(yīng)急補(bǔ)水接口,采用消防車為主給水管道補(bǔ)水。
秦山二期采用了多水源應(yīng)急補(bǔ)水箱,采用兩個(gè)序列的應(yīng)急給水泵,每個(gè)序列包括1臺(tái)汽泵和1臺(tái)電泵,供4臺(tái)泵組。
福清核電一期工程具有除鹽水系統(tǒng)直補(bǔ)除氧器的進(jìn)水管道[1],可以直接向除氧器上水。
為蒸汽發(fā)生器提供應(yīng)急水源的考慮如下:
CPS自用水箱入口段擴(kuò)徑,并增加一路加閥門接入CST排污閥前,為CTS補(bǔ)水。并在該入口段上設(shè)置管道泵,泵的出口接入CPS沖洗水泵出口母管上。目的在于:
1)向CST水箱補(bǔ)水,維持CST水箱較高水位;
2)管道泵可從CPS自用水箱、CST水箱、DTS水箱等用戶取水;
3)管道泵采用CPS沖洗水泵相似特性曲線,設(shè)置獨(dú)立的控制柜并設(shè)置快速接入的應(yīng)急電源接口。
改進(jìn)后流程示意圖如圖2所示。
圖2 改進(jìn)后流程示意圖Fig.2 T he improved process
凝汽器補(bǔ)水的分析,向凝汽器補(bǔ)水增加后,可以減少使用CST水箱的補(bǔ)水,維持CST水箱高水位,降低啟動(dòng)給水泵因水源喪失不能啟動(dòng)的概率。
向給水泵密封水補(bǔ)水,可以在凝泵不能運(yùn)行的情況下啟動(dòng),結(jié)合除氧器應(yīng)急補(bǔ)水為SG上水。凝泵不可用的情況包括凝汽器水位低、凝泵入口濾網(wǎng)堵塞、凝結(jié)水管道破裂、再循環(huán)閥故障等。
向密封水母管補(bǔ)水,可以在正式水源不可用時(shí),向密封水母管補(bǔ)水,減少共模故障概率,可以向CST水箱補(bǔ)水。
除氧器正常液位標(biāo)高27 m,與SG出口管道標(biāo)高27 m相等,若給水系統(tǒng)閥門打開,除氧器可以向SG通過靜壓上水,且一般不會(huì)造成蒸汽發(fā)生器滿水進(jìn)入主蒸汽管道。如果CPS水泵采用應(yīng)急電源,可以在極端(如失去場外電源)的情況下向SG提供較小熱沖擊的水源(啟動(dòng)給水泵和啟動(dòng)給水調(diào)節(jié)閥由柴油發(fā)電機(jī)供電),在凝汽器和啟動(dòng)給水不可用時(shí)的停堆運(yùn)行工況下,為SG提供長期水源。
當(dāng)主蒸汽隔離閥關(guān)閉后,在除氧器密閉后(除氧器上部有一定的氣腔,并維持),通過大氣釋放閥的開度控制,可以實(shí)現(xiàn)為蒸汽發(fā)生器建立壓力,以降低一、二回路的壓差。此壓力,可以穩(wěn)定地控制在0.6 MPa,對(duì)應(yīng)飽和溫度164 ℃。
對(duì)于啟動(dòng)期間的二回路,需要在完成水裝量的基礎(chǔ)上盡快完成冷態(tài)沖洗,以便可以向SG提供合格的沖洗水源。大修后的二回路的水裝量大約為2 000 m3(不考慮后續(xù)沖洗置換),若按照DWS供水量需要60 t/h來計(jì)算,大約需要不間斷地補(bǔ)充約33 h;若采用CPS沖洗水泵上水,約需要20 h。采用臨時(shí)補(bǔ)水措施為系統(tǒng)初始充注,可為機(jī)組啟動(dòng)縮短時(shí)間。
根據(jù)概率分析統(tǒng)計(jì),給水喪失的始發(fā)概率較高及由此造成的對(duì)一回路的影響也不容忽視,喪失主給水對(duì)CDF和堆芯損傷條件概率的影響見表1。
表1 給水相關(guān)概率表T able 1 Relevant probabilities of feedwater
DWST水箱容量416 t,DWST水箱低-低水位時(shí)發(fā)出報(bào)警,操縱員隔離其他系統(tǒng)的供水,而僅僅向化容系統(tǒng)供水。低-低水位時(shí),水箱有大約170 t的除鹽水,此時(shí)專供化容系統(tǒng)上充泵使用,對(duì)CST的補(bǔ)水受到限制,啟動(dòng)給水泵啟動(dòng)的水源受到限制。另外還有其他原因比如核島補(bǔ)水,凝汽器補(bǔ)水等原因占用了CST的補(bǔ)水,CST的液位有可能在功率運(yùn)行期間降低到不允許啟動(dòng)給水泵的啟動(dòng)。
給水泵向SG的補(bǔ)水受到凝泵的影響,如密封水和除氧器上水失去,將導(dǎo)致給水泵不允許啟動(dòng)。
當(dāng)主給水喪失時(shí),啟動(dòng)給水作為非安全相關(guān)的第一道防御,為蒸汽發(fā)生器提供水源。主蒸汽系統(tǒng)(MSS)與啟動(dòng)給水(系統(tǒng)在可用時(shí)自動(dòng)啟動(dòng))相配合,帶走一回路的顯熱和反應(yīng)堆的衰變熱,CST熱阱的最小容積為1 230.3 t,才能滿足縱深防御的要求。故當(dāng)CST失去水源后不能夠由啟動(dòng)給水向SG注水,此時(shí)主給水泵的啟動(dòng)也將很有可能是受限的。
另外,啟動(dòng)給水泵有可能受到管線(如破口)、電源失去、調(diào)節(jié)閥門(如失去壓空)、機(jī)械故障等情況的限制,無法啟動(dòng)導(dǎo)致SG上水受到限制。比如,三哩島核電由于發(fā)生了給水喪失情況導(dǎo)致堆芯融化。
以上場景在場外電源失去后更加惡化,現(xiàn)從正反兩方面評(píng)估除氧器應(yīng)急水源的必要性。
4.1正面效應(yīng)
1911年,西屋公司W(wǎng)OG(Westinghouse Owner's Group)發(fā)展了可以普遍適用于西屋公司核電站的嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則(SAMG)。在該導(dǎo)則中提出了事故處理的6項(xiàng)基本措施,其中第一項(xiàng):向蒸汽發(fā)生器注水以保護(hù)SG傳熱管,在堆芯冷卻恢復(fù)以后為RCS提供熱阱,洗刷從一次側(cè)泄漏的放射性產(chǎn)物[2]。
現(xiàn)從西屋公司的嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則(SAMG)中注入蒸汽發(fā)生器和衰變熱的長期移除兩份導(dǎo)則,分析除氧器應(yīng)急補(bǔ)水對(duì)SG注入和長期衰變熱移除的可行性。
(1)衰變熱的移除過程
在機(jī)組啟動(dòng)、熱備用和停堆期間,CST水箱向啟動(dòng)給水泵提供水源,支持8 h的熱備用運(yùn)行。CST水箱必須向啟動(dòng)給水泵提供充足的水源,支持一回路從正常運(yùn)行溫度冷卻到正常余熱排出系統(tǒng)(RNS)投入運(yùn)行。只要凝汽器真空能維持住,蒸汽就能排至凝汽器,若真空不能維持可使用除氧器至大氣排放作為熱阱。
反應(yīng)堆功率運(yùn)行時(shí),不管正常給水因任何原因喪失,都會(huì)由于持續(xù)產(chǎn)生蒸汽而導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器液位下降直到蒸汽發(fā)生器窄量程液位低信號(hào)出現(xiàn)。此時(shí),反應(yīng)堆因蒸汽發(fā)生器液位低跳堆。如果啟動(dòng)給水泵或閥門不可用,衰變熱通過蒸汽釋放到大氣的方式排出,蒸汽發(fā)生器的水裝量將下降。如啟動(dòng)給水未能阻止蒸汽發(fā)生器液位進(jìn)一步下降,非能動(dòng)余熱排出將啟動(dòng)。
事故情況下,反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)將反應(yīng)堆系統(tǒng)(RXS)內(nèi)產(chǎn)生的熱量傳到蒸汽發(fā)生器,通過蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)(SGS)及主給水和啟動(dòng)給水系統(tǒng)(FWS),防止非能動(dòng)安全相關(guān)的余熱排出系統(tǒng)動(dòng)作,在主給水泵和啟動(dòng)給水泵之外,經(jīng)除氧器向蒸汽發(fā)生器提供第3種水源可進(jìn)一步防止非能動(dòng)安全相關(guān)的余熱排出系統(tǒng)動(dòng)作。而在冷卻期間,一旦RNS投入,特別當(dāng)所有主泵停運(yùn)后,必須采取措施來冷卻蒸汽發(fā)生器的二次側(cè)。汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)不可用時(shí),蒸汽發(fā)生器通過大氣釋放閥排汽至大氣為機(jī)組冷卻提供非安全相關(guān)的途徑。
啟動(dòng)給水因蒸汽發(fā)生器液位低及主給水流量低啟動(dòng),同時(shí)發(fā)出液位低報(bào)警以提醒操縱員。FWS和調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)能保證提供足夠流量以避免喪失正常給水時(shí)非能動(dòng)余熱排出的啟動(dòng)。通過單臺(tái)啟動(dòng)給水泵有能力恢復(fù)失水事件,但是這受到SGS工況和除氧器的限制。啟動(dòng)給水泵持續(xù)運(yùn)行,重建并維持蒸汽發(fā)生器液位,SGS自動(dòng)運(yùn)行以排出衰變熱。
在嚴(yán)重事故中當(dāng)堆芯再淹沒后,仍需要導(dǎo)出持續(xù)釋放的衰變熱。通過直接向RCS注入并流出,或者向SG注入并蒸發(fā)制造堆芯熱阱。如果通過注入并流出的方法,則水必須持續(xù)注入RCS,并且需要一個(gè)開啟的大氣釋放閥,通過飽和蒸汽移出熱量。然而,如果用SG作熱阱,則衰變熱需要通過向SG注入來導(dǎo)出,而非向RCS注入[3]。
對(duì)于停堆工況下,CCS喪失將導(dǎo)致正常余熱排出系統(tǒng)失效,而且RNS本身具有一定的不可用性,因此更加需要保障SG的水源安全[4]。
即在事故工況下,對(duì)除氧器上水增加一路應(yīng)急水源在事故工況下,通過除氧器的靜壓上水路徑,長期使用SG的“充水—排汽”冷卻模式,將一回路帶入安全模式。
(2)冷卻速率要求[5]
按照該路徑的補(bǔ)水能力,只能在出現(xiàn)4、5工況時(shí)使用。對(duì)SG冷卻的冷卻速率要求見表2。
使用下列公式用于計(jì)算,從停堆算起的時(shí)間用于制圖(見圖3)。
表2 對(duì)SG冷卻的冷卻速率要求T able 2 Cooling rate of SG cooling requirements
圖3 衰變熱移除注水需求Fig.3 Feedwater requirement for decay heat removal
式中:fdecay——用于導(dǎo)出衰變熱的流量,gpm;
Qo——額定滿功率,MW;
t——停堆后時(shí)刻,h;
ρ——注入水源密度,lbm/ft3;
hg——在壓力(P)Psat下的飽和蒸汽焓;
hsubcooled——注入水源溫度(Tinj)處于過冷狀態(tài)下的焓。
并有以下條件;
1) 依據(jù)是通過注入過冷水,使其蒸發(fā)帶走堆芯熱量。
2) 反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)和蒸汽發(fā)生器的注入水溫假設(shè)是49 ℃,反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)再循環(huán)水溫是138 ℃。在圖3中,當(dāng)實(shí)際水溫低于此假設(shè)值時(shí),可降低圖中最小流量的需求。
3) 初始參數(shù)如表3所示。
根據(jù)三哩島反饋,事故發(fā)生到堆芯融化用了120 s,但6 d之后堆芯才開始下降,蒸汽泡消失引起氫爆炸的威脅免除了。
以上可見,CST在啟動(dòng)、功率運(yùn)行和停堆期間維持一定的水裝量,對(duì)于機(jī)組安全性非常重要。反之,此期間凝汽器若不能注水則影響相關(guān)系統(tǒng)的在線準(zhǔn)備和投運(yùn),比如給水泵運(yùn)行和真空不能建立,二回路向SG提供熱阱的功能受到限制。
表3 蒸汽發(fā)生器的初始參數(shù)T able 3 T he initial parameters of the SG
4.2負(fù)面效應(yīng)的預(yù)防
若蒸汽發(fā)生器二次側(cè)冷卻能力過強(qiáng),可能會(huì)使一回路的自然循環(huán)能力減小以致中斷。這是由于核電廠蒸汽發(fā)生器一次側(cè)水管是倒U形管,具有相當(dāng)高度的U形管二次側(cè)內(nèi)的流體具有較大的密度差時(shí),就具有相當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)壓頭。所以如果當(dāng)二次側(cè)冷卻能力過強(qiáng)(流量很大、溫度低),很快地把一次側(cè)的水溫在倒U形管上升段內(nèi)降下來,與下降段中的水溫相差甚少時(shí),驅(qū)動(dòng)壓頭就降低很多,使自然循環(huán)能力減小,甚至中斷。采用靜壓注水的方式比較溫和,不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)致終端一回路自然循環(huán)的過冷情況出現(xiàn),不會(huì)因低水溫重新達(dá)臨界的狀態(tài)。
停堆期間,在蒸汽發(fā)生器壓力低于0.862 MPa(125 psia)時(shí),SGS作為流體通道和BDS流體再循環(huán)的通道。SGS的這個(gè)功能有助于正常的余熱排出和蒸汽發(fā)生器的冷卻,以便停堆后盡可能早投入人員進(jìn)行維修、檢查。SGS的這個(gè)作用與蒸汽發(fā)生器濕保養(yǎng)類似。
分析假設(shè)當(dāng)傳熱管溫度達(dá)到816 ℃時(shí),蠕變破裂可能發(fā)生。如果傳熱管是濕的,由于通過傳熱管表面的泡核沸騰使傳熱管的溫度傳導(dǎo)給水,傳熱管的溫度將因水而受到限制。即使堆芯熱蒸汽進(jìn)入濕狀態(tài)下的SG,通過傳熱管的熱傳導(dǎo)也能充分限制傳熱管的溫度低于816 ℃。因此只要SG傳熱管處于水覆蓋之下,蠕變破裂不予考慮[1]。
除氧器靜壓向蒸汽發(fā)生器上水的可行性已經(jīng)得到了驗(yàn)證,蒸汽發(fā)生器壓力降至0.3 MPa以下后,注入水源有超過Fdecay的注入率的能力,一旦注入開始,熱阱能很快建立。
為相關(guān)用戶提供水源采用的臨時(shí)措施,在二回路沖洗期間得到了驗(yàn)證,保障了施工調(diào)試期間的用水需要,并分析對(duì)于機(jī)組后續(xù)調(diào)試和運(yùn)行具有一定的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性,長期保留是非常必要的。
在此基礎(chǔ)上,對(duì)除氧器上水增加一回路應(yīng)急水源在事故工況下,通過除氧器的靜壓上水路徑,長期使用SG的“充水—排汽”冷卻模式,將一回路帶入安全模式??商岣邫C(jī)組單一故障準(zhǔn)則水平,提高機(jī)組的縱深防御能力。
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Design Improvement for AP1000 SG Emergency Makeup Water System
ZHANG Bao-guo
(Shandong Nuclear Power Co., Ltd.,Haiyang of Shandong Prov. 265116,China)
Due to the instability of the desalination-water distribution system during commissioning operation, the water supply to CI users is restricted,hence the joint irrigation and other secondary circuit commissioning are affected. So temporary measures to supply desalination water to the condenser and the deaeratorare adopted. Practice has proved that the commissioning process was speeded up by adopting temporary measures, and the deficiency of making up water to the secondary circuit was made up, so the SG static water charging was realized. Based on this, one line of emergency cooling water source is considered for the steam generator, which is used to improve the level of a single failure criterion, enhance the ability of defense in depth when the feedwater is completely lost or even under ATWS condition. The feasibility of the above is preliminarily analyzed.
desalination water distribution; loss of hot trap water; deaerator emergency makeup; long-term decay heat removal
TM623 Article character:A Article ID:1674-1617(2016)02-0106-07
TM623
A
1674-1617(2016)02-0106-07
2016-01-25
張保國(1979—),男,山東萊蕪人,工程師,從事核電廠調(diào)試工作。