AP1000核電站非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)分析及仿真

錢虹，辛浩，秦士民

（上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090）

AP1000核電站的設(shè)計(jì)理念是在傳統(tǒng)壓水堆核電技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入安全系統(tǒng)非能動(dòng)理念，使核電廠安全系統(tǒng)發(fā)生了重大的變化，屬于創(chuàng)新型設(shè)計(jì).由于采用了非能動(dòng)安全系統(tǒng)，大大降低了發(fā)生人為錯(cuò)誤的可能性，使AP1000核電站的安全性能得到了顯著提高，操縱員寬限處理時(shí)間高達(dá)72 h.

本文針對(duì)目前自主化、國(guó)產(chǎn)化的需求，對(duì)核電站非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)及其觸發(fā)邏輯進(jìn)行分析，并基于虛擬平臺(tái)進(jìn)行仿真和調(diào)試，以期為我國(guó)現(xiàn)階段安全系統(tǒng)的研發(fā)提供參考.

1 非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)分析

AP1000的非能動(dòng)堆芯冷卻和余熱排出系統(tǒng)由非能動(dòng)余熱排出子系統(tǒng)、非能動(dòng)安全注水子系統(tǒng)和安全殼內(nèi)的pH控制子系統(tǒng)組成，主要包括一個(gè)非能動(dòng)余熱導(dǎo)出熱交換器、兩個(gè)堆芯補(bǔ)水箱（CMT）、兩個(gè)安全注水箱（ACC）、一個(gè)pH調(diào)整化學(xué)藥品的籃筐、一個(gè)安全殼內(nèi)換料水箱（IRWST），以及相關(guān)的閥門、管道和儀表等設(shè)備，這些設(shè)備均被安置在鋼制安全殼內(nèi)部.該系統(tǒng)的功能與傳統(tǒng)壓水堆類似，在發(fā)生LOCA事故、彈棒事故、二回路主給水或主蒸汽管道破裂等設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故時(shí)，為一回路提供硼化和冷卻.

1.1 非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)

該系統(tǒng)又稱為應(yīng)急堆芯余熱導(dǎo)出子系統(tǒng)，其主要設(shè)備是非能動(dòng)余熱導(dǎo)出熱交換器［1］.該熱交換器布置在換料水箱內(nèi)，并將水箱內(nèi)的水作為其冷卻介質(zhì)和熱源.換料水箱的位置高于反應(yīng)堆，熱交換器入口管線與反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)1環(huán)路的主管道熱段相連接，入口管路上裝有一個(gè)常開的電動(dòng)閥，以保證在正常運(yùn)行時(shí)熱交換器中的壓力與冷卻劑（RCS）壓力相同，以防止在熱交換器最初啟動(dòng)時(shí)發(fā)生水錘現(xiàn)象.同時(shí)，由于熱交換器的傳熱管浸沒在IRWST中，使得熱交換器中的水溫與換料水箱中的水溫相同，因此在電廠運(yùn)行期間就可以由溫差和重力差建立并保持自然循環(huán)驅(qū)動(dòng)壓頭.熱交換器的出口管線與1#蒸發(fā)器冷段腔室相連接，出口管線上有兩個(gè)并聯(lián)常關(guān)氣動(dòng)閥，當(dāng)這兩個(gè)閥門收到安全驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，它們就會(huì)自動(dòng)打開.這時(shí)，由于熱交換器和反應(yīng)堆之間存在著位差和溫差，因此氣動(dòng)閥打開后將導(dǎo)致反應(yīng)堆RCS的自然循環(huán)流，其方向與主泵產(chǎn)生的強(qiáng)制流方向相同.主泵脫扣前，能同時(shí)為熱交換器提供強(qiáng)制流;主泵停止后，反應(yīng)堆的衰變熱繼續(xù)由自然循環(huán)方式傳至換料水箱.

當(dāng)熱交換器運(yùn)行一段時(shí)間后，換料水箱內(nèi)的水達(dá)到飽和溫度，箱內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入鋼制安全殼內(nèi)，并由安全殼的壁面進(jìn)行冷卻.冷凝水沿鋼殼內(nèi)壁向下流，最終由集水槽收集，并引回?fù)Q料水箱內(nèi)，繼續(xù)作為熱交換器的冷卻介質(zhì).鋼安全殼外壁由非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)噴灑水形成的水膜和安全殼外自然對(duì)流的空氣進(jìn)行冷卻，最后將反應(yīng)堆的衰變熱排入最終熱阱——大氣.

非能動(dòng)余熱排出子系統(tǒng)只在一回路RCS沒有嚴(yán)重喪失的情況下（CMT的低2水位之上）才能發(fā)揮其作用，否則就失去了自然循環(huán)的動(dòng)力.相對(duì)于傳統(tǒng)壓水堆，AP1000的應(yīng)急堆芯余熱導(dǎo)出子系統(tǒng)是一個(gè)新增設(shè)的系統(tǒng)，正是這個(gè)子系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)壓水堆余熱導(dǎo)出手段的不足.當(dāng)發(fā)生非冷卻劑嚴(yán)重喪失事故時(shí)，如果AP1000的啟動(dòng)給水系統(tǒng)不可用，則應(yīng)急堆芯余熱導(dǎo)出子系統(tǒng)將自動(dòng)投運(yùn)，并最終將反應(yīng)堆熱量通過鋼制安全殼排向大氣.

1.2 非能動(dòng)安全注水系統(tǒng)及安全殼內(nèi)pH控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由兩個(gè)CMT，兩個(gè)ACC，一個(gè)IRWST，以及相應(yīng)的管道和閥門組成.CMT位于安全殼內(nèi)，其位置稍高于RCS主泵［1］.當(dāng)反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，箱內(nèi)充滿濃度較高（約3 400 PPM）且低溫的含硼水.每臺(tái)CMT的入口壓力平衡管上裝有一個(gè)常開電動(dòng)閥，使入口管與RCS的冷段連接.壓力平衡管線正常運(yùn)行時(shí)是連通的，以保持CMT內(nèi)的壓力等于RCS壓力，從而避免在CMT安全注水時(shí)發(fā)生水錘現(xiàn)象.每臺(tái)CMT出口的注射管上裝有兩個(gè)并聯(lián)的常關(guān)氣動(dòng)隔離閥和兩個(gè)串聯(lián)的逆止閥，使出口管經(jīng)壓力容器直接與反應(yīng)堆壓力容器相接.當(dāng)CMT接收到動(dòng)作信號(hào)時(shí)，出口管上兩個(gè)常關(guān)的氣動(dòng)隔離閥會(huì)自動(dòng)開啟，使CMT以水循環(huán)注射或者蒸汽補(bǔ)償注射的方法向一回路注入濃硼酸.

兩個(gè)ACC同樣位于安全殼內(nèi)，充有含硼水（約2 600 PPM），其氣腔由壓縮氮?dú)饧訅海s4.9 MPa），當(dāng)一回路壓力低于ACC的壓力時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)快速注射.ACC的出口管上裝有一個(gè)常開的電動(dòng)隔離閥和兩個(gè)串聯(lián)的止回閥，使出口管與反應(yīng)堆壓力容器的直接注射管相接.IRWST的位置略高于一回路主管道，箱內(nèi)充滿2 100 m3濃度為2 600 PPM左右的硼酸.每個(gè)系列的注射管上各有一個(gè)常開的電動(dòng)閥、兩個(gè)并聯(lián)的止回閥和兩個(gè)并聯(lián)的爆破閥.其中，爆破閥根據(jù)自動(dòng)卸壓系統(tǒng)第4級(jí)閥門的動(dòng)作信號(hào)自動(dòng)開關(guān)，只有在RCS完全卸壓后，才能實(shí)現(xiàn)換料水箱的重力注射.

安全注水子系統(tǒng)的順利運(yùn)行還需要自動(dòng)卸壓系統(tǒng)（ADS）的輔助.在整個(gè)安全注水系統(tǒng)中，CMT是借助重力和密度差作為其安全注水的驅(qū)動(dòng)力，而ACC是利用壓縮氣體（即加壓的氮?dú)猓┳鳛轵?qū)動(dòng)力，IRWST則是利用重力作驅(qū)動(dòng)力.因此，AP1000的安全注水子系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力采用了非能動(dòng)的自然力，并且取消了安全級(jí)的交流電源，采用了可由蓄電池供電的1E級(jí)的直流電源.安全殼內(nèi)pH控制子系統(tǒng)的主要設(shè)備是pH控制籃筐，其布置高度低于事故后最低的淹沒水位，當(dāng)淹沒水位達(dá)到籃筐高度時(shí)，即形成非能動(dòng)的化學(xué)物添加.

2 非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)仿真

本文基于虛擬集散控制系統(tǒng)P3DCS平臺(tái)，對(duì)反映非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)工藝流程的監(jiān)控界面，以及安全系統(tǒng)動(dòng)作的觸發(fā)邏輯進(jìn)行了仿真，并設(shè)置了調(diào)試面板，形成了一種可調(diào)試的檢驗(yàn)觸發(fā)邏輯正確性的驗(yàn)證手段.

2.1 非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)

非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)的監(jiān)控界面見圖1.

圖1 虛擬P3DCS平臺(tái)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)界面

圖1中，兩個(gè)并聯(lián)的常關(guān)氣動(dòng)閥FO是打開的，這表示余熱排出熱交換器可以非能動(dòng)地排出堆芯熱量.

滿足下列任一條件，均能使非能動(dòng)的余熱排出熱交換器投入運(yùn)行［2］.

（1）CMT注入信號(hào);

（2）第一級(jí)降壓閥門（ADS）觸發(fā)信號(hào);

（3）蒸汽發(fā)生器寬量程低水位;

（4）蒸汽發(fā)生器窄量程低水位與啟動(dòng)給水低流量相符;

（5）穩(wěn)壓器高－3水位;

（6）手動(dòng)觸發(fā).

同時(shí)，上述任一條件也將開啟非能動(dòng)的余熱排出下泄隔離閥，關(guān)閉IRWST的水槽隔離閥，并向入口隔離閥發(fā)送一個(gè)開啟確認(rèn)信號(hào).其中，條件（3）由任一臺(tái)蒸汽發(fā)生器寬量程水位低于低整定值的4取2符合信號(hào)產(chǎn)生.條件（4）由蒸汽發(fā)生器窄量程水位低于低整定值4取2信號(hào)，并經(jīng)過一段預(yù)置時(shí)間延遲后，與相應(yīng)的蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)給水低流量相符.而且兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器都有這樣的功能.條件（5）由穩(wěn)壓器水位高于高－3整定值4取2產(chǎn)生.當(dāng)反應(yīng)堆RCS的壓力低于P－12整定值時(shí)，可以手動(dòng)閉鎖該功能，并在電廠冷態(tài)時(shí)允許穩(wěn)壓器液體處于密實(shí)化狀態(tài).除了能夠觸發(fā)非能動(dòng)的余熱排熱交換器外，條件（5）還可以閉鎖穩(wěn)壓器的加熱器.

條件（6）包括兩個(gè)自復(fù)位開關(guān).手動(dòng)觸發(fā)任一開關(guān)都能使非能動(dòng)的余熱排出熱交換器投入運(yùn)行，以排出堆芯熱量.

非能動(dòng)的余熱排出熱交換器的投入觸發(fā)邏輯組態(tài)仿真見圖2.系統(tǒng)中，輸出的非能動(dòng)余熱排出熱交換器的運(yùn)行信號(hào)，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，將打開圖1中的兩個(gè)并聯(lián)常關(guān)氣動(dòng)閥門FO，從而形成一個(gè)非能動(dòng)的堆芯余熱排出過程.

2.2 非能動(dòng)安全注水系統(tǒng)

非能動(dòng)安全注水系統(tǒng)的監(jiān)控畫面如圖3所示.其中，4級(jí)降壓閥門（ADS）堆芯補(bǔ)水箱的兩個(gè)并聯(lián)常關(guān)氣動(dòng)閥FO是打開的，這表示CMT可以非能動(dòng)地將硼水注入堆芯，以控制其負(fù)反應(yīng)性.

圖2 非能動(dòng)余熱排出熱交換器的投入觸發(fā)邏輯仿真

圖3 非能動(dòng)安全注水系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)界面

非能動(dòng)安全注水系統(tǒng)觸發(fā)邏輯包括CMT注入邏輯、ACC注入邏輯、IRWST注入邏輯，以及與這些邏輯相關(guān)的自動(dòng)降壓系統(tǒng).其中，自動(dòng)降壓系統(tǒng)觸發(fā)邏輯仿真如圖4所示.

第1，2，3級(jí)ADS的卸壓可以確保ACC向一回路安全注水，而第4級(jí)ADS的卸壓可以保證將IRWST中的硼酸注入一回路［2］.滿足以下任一條件，可以產(chǎn)生第一級(jí)ADS的觸發(fā)信號(hào).

（1）CMT注入觸發(fā)信號(hào)與任一臺(tái)CMT的4個(gè)序列水位中的2個(gè)水位低于低－1（78.5%）的整定值信號(hào)相符;

（2）長(zhǎng)期喪失交流電源（1E級(jí)蓄電池充電器低輸入電壓）;

（3）手動(dòng)觸發(fā).

圖4 非能動(dòng)安全注水系統(tǒng)降壓觸發(fā)邏輯仿真

ADS按次序開啟4級(jí)并聯(lián)閥門.其中，前3級(jí)ADS各由兩條并行管線組成，每條管線包含一個(gè)隔離閥和一個(gè)卸壓閥.前3級(jí)管線系統(tǒng)和穩(wěn)壓器相連，并向IRWST排放.第4級(jí)管線系統(tǒng)與RCS熱管段相連，向安全殼內(nèi)排放.

在第1級(jí)降壓閥開啟后，經(jīng)過一個(gè)設(shè)定時(shí)間的延遲，第2級(jí)隔離閥才開啟.與第1級(jí)相同，在第2級(jí)隔離閥開啟后，經(jīng)過一個(gè)設(shè)定時(shí)間的延遲，開啟第3級(jí)ADS降壓閥.將第2級(jí)降壓閥的觸發(fā)信號(hào)和第1級(jí)的降壓觸發(fā)信號(hào)聯(lián)鎖，使第1級(jí)觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生后才能觸發(fā)第2級(jí)，第3級(jí)的觸發(fā)可以此類推.

第4級(jí)ADS包括4條管線，每條管線由一個(gè)常開隔離閥和一個(gè)降壓閥組成.在第3級(jí)降壓閥開啟后，經(jīng)過一個(gè)設(shè)定時(shí)間的延遲，當(dāng)CMT與低－2（20%）水位和RCS低壓力信號(hào)相符時(shí)，則觸發(fā)第4級(jí)ADS，這一系列的動(dòng)作為RCS提供了可控的降壓過程.除了啟動(dòng)可控的降壓過程外，第4級(jí)ADS觸發(fā)信號(hào)也向IRWST發(fā)送了一個(gè)觸發(fā)信號(hào).

第4級(jí)ADS可以通過手動(dòng)觸發(fā).手動(dòng)觸發(fā)信號(hào)起初被聯(lián)鎖，以防止誤觸發(fā)，只有當(dāng)反應(yīng)堆RCS系統(tǒng)壓力已降至預(yù)置整定值以下，或當(dāng)產(chǎn)生第1，第2，第3級(jí)閥門打開順序的信號(hào)時(shí)才能觸發(fā).

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)AP1000非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)的分析和仿真，以及操作測(cè)試面板的設(shè)置和組態(tài)，建立了對(duì)非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)和非能動(dòng)安全注水系統(tǒng)的觸發(fā)邏輯的測(cè)試驗(yàn)證方法，為非能動(dòng)安全系統(tǒng)進(jìn)一步的集成調(diào)試驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ).

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（編輯白林雪）