寧德核電廠RRI系統(tǒng)適應(yīng)低溫海水條件設(shè)計(jì)改進(jìn)

張仰程

（福建寧德核電有限公司，福建 福鼎 355200）

寧德核電廠是我國(guó)《核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2005—2020）》頒布后建設(shè)的第一個(gè)核電項(xiàng)目，以嶺澳二期核電站為參考電站，采用成熟的二代改進(jìn)型壓水堆核電技術(shù)（CPR1000），一期工程建設(shè)4臺(tái)百萬千瓦級(jí)機(jī)組，1、2號(hào)機(jī)組已分別于2013年4月15日、2014年5月4日和2015年6月10日投產(chǎn)。寧德核電廠廠址位于福建省東北部，東臨臺(tái)灣海峽，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候［1］，氣象、水文等條件與參考電站有所不同，部分工藝系統(tǒng)和設(shè)備有所改進(jìn)，本文對(duì)寧德核電廠設(shè)備冷卻水（RRI）系統(tǒng)適應(yīng)低溫海水條件設(shè)計(jì)改進(jìn)進(jìn)行分析。

1 RRI系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 RRI系統(tǒng)的主要功能［2］

（1）向核島各用戶提供冷卻水；

（2）把熱負(fù)荷通過重要廠用水（SEC）系統(tǒng)傳到海水之中；

（3）在核島各熱交換器和海水之間形成屏障，防止來自有關(guān)熱交換器的放射性流體釋放到海水中。

1.2 系統(tǒng)的安全功能

（1）在正常和事故運(yùn)行工況下，把來自與安全有關(guān)的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備的熱量通過SEC系統(tǒng)傳到海水之中；

（2）從輻射防護(hù)觀點(diǎn)看，在被冷卻的熱交換器（被污染的或可能被污染的）萬一泄漏時(shí)，RRI系統(tǒng)即可防止放射性流體不可控制地釋放到海水中。

1.3 系統(tǒng)的作用原理

RRI系統(tǒng)的作用原理如圖1所示［3］。

圖1 RRI系統(tǒng)的作用原理

2 改進(jìn)的必要性

2.1 RRI系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

寧德核電廠RRI、SEC系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，有關(guān)RRI／SEC換熱器設(shè)計(jì)遵循壓水堆核電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建造規(guī)則（RCC-P）第2.3.6.3.9節(jié)的規(guī)定［4］：

（1）在各種功率運(yùn)行工況：TRRI≤35℃（此時(shí)SEC水溫歷年第7天的最高溫度為T7設(shè)計(jì)）；

（2）失水事故（LOCA）工況：TRRI≤45℃（此時(shí)SEC水溫為歷史最高溫度TMAX）。

RRI系統(tǒng)冷卻能力與如下運(yùn)行工況需要同時(shí)運(yùn)行的各設(shè)備的總熱負(fù)荷相適應(yīng)：

（1）機(jī)組啟動(dòng)；

（2）正常功率運(yùn)行；

（3）停堆后4～20小時(shí)冷停堆；

（4）停堆后20小時(shí)保持冷停堆；

（5）LOCA；

（6）次臨界停堆（RRI僅一個(gè)系列可用）。

目前，寧德核電廠RRI／SEC換熱器設(shè)計(jì)滿足以上原則。其中RRI／SEC換熱器選取的設(shè)計(jì)工況為：反應(yīng)堆次臨界停堆（RRI僅一個(gè)系列可用），此時(shí)對(duì)應(yīng)的海水溫度為T7設(shè)計(jì)。

2.2 改進(jìn)的必要性

在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范中，并未對(duì)設(shè)備冷卻水的低溫下限進(jìn)行規(guī)定和約束，根據(jù)寧德核電廠附近三沙海洋站表層1960～2011年水溫的觀測(cè)數(shù)據(jù)，寧德核電廠廠址海水溫度極端低溫為6.5℃，根據(jù)最近50年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)最低可達(dá)到TMIN=5.9℃，T低，多年平均=9.1℃，T7低，平均=9.3℃，海水在冬季將有一段時(shí)間維持在9℃左右。

若此時(shí)RRI系統(tǒng)用戶需要導(dǎo)出的熱負(fù)荷較小，換熱器校核選取海水多年最低溫度平均值9.1℃計(jì)算，正常功率運(yùn)行工況低負(fù)荷下，TRRI約為9.89℃，最惡劣的工況（低溫低負(fù)荷啟動(dòng)工況）下，TRRI約為9.57℃，其他工況下溫度都維持在10℃以上。

從換熱的角度出發(fā)，冬季TRRI一段時(shí)間內(nèi)處于10℃以下對(duì)絕大部分用戶是有利的，但也會(huì)給某些已經(jīng)采購(gòu)的設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行帶來不利，主要是電氣廠房冷凍水系統(tǒng)（DEL）和核島冷凍水系統(tǒng)（DEG）的冷水機(jī)組。由于其采購(gòu)技術(shù)規(guī)格書按照冷卻水低溫15℃來進(jìn)行采購(gòu)，因此存在冬季冷卻水溫度過低，冷水機(jī)組不能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，需要通過改造將RRI系統(tǒng)通往DEL、DEG系統(tǒng)冷凝器入口處的冷卻水溫度提升到滿足冷水機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的水溫要求。

3 改進(jìn)方案

3.1 改進(jìn)原則

對(duì)RRI／SEC系統(tǒng)的改進(jìn)，必須滿足以下原則：

（1）系統(tǒng)傳熱特性既要滿足正常運(yùn)行傳熱要求，又要滿足最大、最小運(yùn)行負(fù)荷以及事故工況下的瞬態(tài)變化要求；

（2）系統(tǒng)改動(dòng)（包括運(yùn)行方式）盡可能少，并且集中在一個(gè)系統(tǒng)和關(guān)鍵用戶進(jìn)行，避免對(duì)其它系統(tǒng)的連帶改進(jìn)；

（3）運(yùn)行、檢修和維護(hù)盡可能簡(jiǎn)單，并考慮備用期間的設(shè)備可用性問題；

（4）滿足用于沸水堆、壓水堆和壓力管式反應(yīng)堆的安全功能和部件分級(jí)（HAD102／03）、核電廠最終熱阱及其直接有關(guān)輸熱系統(tǒng)（HAD102／09）的要求；

（5）滿足RCC-P、壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)建造規(guī)則（RCC-M）及初步安全分析報(bào)告（PSAR）／最終安全分析報(bào)告（FSAR）的要求。

3.2 改進(jìn)方案

系統(tǒng)及設(shè)備的改進(jìn)集中在RRI側(cè)進(jìn)行，SEC系統(tǒng)保持參考電站設(shè)計(jì)不變。

本改進(jìn)擬采用“旁通+回流”的組合：通過在RRI系統(tǒng)每個(gè)系列并聯(lián)的RRI／SEC換熱器RRI側(cè)增加旁通回路，調(diào)整進(jìn)入RRI／SEC換熱器RRI側(cè)的流量，使通過RRI／SEC換熱器冷卻的設(shè)備冷卻水與旁通的未被冷卻的設(shè)備冷卻水混合，從而提高換熱器RRI出口設(shè)備冷卻水溫度。同時(shí)，由于旁通能力有限，還需要通過對(duì)DEL、DEG冷凝器RRI側(cè)管線進(jìn)行局部回流改造，最終滿足冷水機(jī)組的運(yùn)行要求。

3.2.1 RRI／SEC換熱器RRI側(cè)增加旁通管路

以RRI系統(tǒng)1號(hào)機(jī)組A系列為例，在每個(gè)RRI／SEC換熱器RRI側(cè)各加裝一條旁通管路，工藝流程簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 RRI側(cè)旁通方案示意圖

3.2.2 DEL冷凝器RRI側(cè)出口增加回流管線

以RRI系統(tǒng)1號(hào)機(jī)組為例，DEL冷水機(jī)組為RRI系統(tǒng)安全用戶，A、B系列各有一臺(tái)，在每個(gè)DEL冷水機(jī)組RRI側(cè)出口處各加裝一回流管路，通過泵循環(huán)達(dá)到提升入口溫度的要求，工藝流程簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 DEL冷凝器RRI側(cè)回流方案示意圖

3.2.3 DEG冷凝器RRI側(cè)出口增加回流管線

DEG冷水機(jī)組為RRI系統(tǒng)公用用戶，一共3臺(tái)，在3臺(tái)DEG冷水機(jī)組RRI側(cè)總出口處加裝兩條回流管路至總?cè)肟谔帲?用1備），通過泵循環(huán)達(dá)到提升入口溫度的要求，工藝流程簡(jiǎn)圖如圖4所示。

3.3 3、4號(hào)機(jī)組不同點(diǎn)

RRI／SEC換熱器RRI側(cè)增加旁通管路提升冷卻水溫度后，DEL、DEG供貨商進(jìn)行了分析。DEG冷水機(jī)組設(shè)備廠家自身改造（增加冷媒泵以適應(yīng)RRI系統(tǒng)冷卻水溫度）后在RRI系統(tǒng)9.3℃情況可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 DEG冷凝器RRI側(cè)回流方案示意圖

DEL冷水機(jī)組供貨商確認(rèn)冷水機(jī)組在冷卻水溫度為9.3℃時(shí)可以穩(wěn)定運(yùn)行，但需要控制冷卻水在13m3／h流量，故在每個(gè)DEL冷水機(jī)組RRI側(cè)出口處各加裝一小流量調(diào)節(jié)回路，通過小流量調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)滿足DEL冷水機(jī)組低流量要求。

即1、2號(hào)機(jī)組改進(jìn)方案為“RRI／SEC換熱器RRI側(cè)旁通+DEL／DEG系統(tǒng)RRI側(cè)回流”，3、4號(hào)機(jī)組改進(jìn)方案為“RRI／SEC換熱器RRI側(cè)旁通+DEL系統(tǒng)RRI側(cè)小流量調(diào)節(jié)+DEG系統(tǒng)廠家自身改造”。

4 改進(jìn)后的主要影響及運(yùn)行分析

（1）對(duì)核安全的影響

在事故工況（一回路破口事故和蒸汽管線破裂事故），RRI／SEC保證釋放到安全殼內(nèi)能量的導(dǎo)出和所有要求設(shè)備的冷卻。如果RRI／SEC熱交換器RRI側(cè)的旁路回路處于開啟狀態(tài)，則不能保證釋放到安全殼內(nèi)能量的導(dǎo)出和所有要求設(shè)備的冷卻。因此，RRI／SEC熱交換器RRI側(cè)的旁路回路必須位于關(guān)閉位置或可以關(guān)閉，其未處于關(guān)閉位置且不能關(guān)閉等效于熱交換器不可用［5］。

（2）對(duì)事故工況的影響

接到再循環(huán)噴淋信號(hào)后，自動(dòng)關(guān)閉換熱器旁通管線上的電動(dòng)隔離閥，以適應(yīng)再循環(huán)噴淋階段的熱負(fù)荷快速上升。DEL和DEG回流泵維持其運(yùn)行狀態(tài)。

（3）概率安全分析（PSA）

PSA分析表明，該改進(jìn)對(duì)RRI系統(tǒng)事故情況下的可靠性略有影響［6］：

1）在海水非低溫條件下，RRI系統(tǒng)可靠性不變；

2）在低溫條件下，由于增加了相關(guān)的管線、閥門等設(shè)備，且事故下旁路管線需隔離，這種情況下RRI系統(tǒng)可靠性略有下降，從而對(duì)總的堆芯損壞頻率（CDF）也略有貢獻(xiàn)（約增加4%，增加的主要貢獻(xiàn)為電動(dòng)閥的拒關(guān)共因失效）。

（4）系統(tǒng)運(yùn)行

1）冬季海水高溫運(yùn)行

SEC海水溫度高于15℃，RRI／SEC換熱器旁通管線上電動(dòng)隔離閥關(guān)閉，RRI系統(tǒng)運(yùn)行與參考電站一致。DEL、DEG冷凝器RRI側(cè)回流管線上回流泵停運(yùn)，DEL、DEG系統(tǒng)運(yùn)行與參考電站一致。

2）冬季海水低溫運(yùn)行

SEC海水溫度低于15℃，觸發(fā)溫度黃色報(bào)警，提醒運(yùn)行人員將旁通回路電動(dòng)隔離閥遠(yuǎn)程手動(dòng)打開，此時(shí)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)RRI出口溫度低于18℃，觸發(fā)RRI系統(tǒng)溫度白色報(bào)警，自動(dòng)開大換熱器旁通管線電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度；當(dāng)RRI出口溫度高于32℃，觸發(fā)RRI系統(tǒng)溫度白色報(bào)警，自動(dòng)關(guān)小換熱器旁通管線電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度，使RRI出口溫度維持在18～32℃之間，調(diào)節(jié)閥的開度每次調(diào)整10%，調(diào)整間隔時(shí)間120s。若閥門全開仍不能將RRI出口溫度控制在18℃，則維持閥門全開狀態(tài)，不必有后續(xù)動(dòng)作。

如果RRI系統(tǒng)旁路調(diào)節(jié)閥全開，由于海水溫度及負(fù)荷繼續(xù)降低，導(dǎo)致RRI出口溫度低于15℃時(shí)，則主控室會(huì)發(fā)出溫度黃色報(bào)警，并由操縱員在主控室遠(yuǎn)程手動(dòng)啟動(dòng)DEL和DEG冷凝器RRI側(cè)回流泵，回流管線上手動(dòng)隔離閥初始狀態(tài)為打開狀態(tài)。如果RRI出口溫度高于16℃時(shí)，則通過報(bào)警手動(dòng)停運(yùn)DEL和DEG回流泵。

5 結(jié)語

本改進(jìn)通過“RRI／SEC換熱器RRI側(cè)旁通+DEL／DEG系統(tǒng)RRI側(cè)回流”的方案組合，解決了寧德核電廠RRI系統(tǒng)由于冬季海水低溫、低負(fù)荷工況下帶來的傳熱適應(yīng)性問題。

在RRI／SEC換熱器RRI側(cè)增加旁通，減少通過換熱器的流量，以進(jìn)水和出水溫度的混合來提高換熱器出口溫度；通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以解決冬季負(fù)荷及海水潮位變化的影響。同時(shí)在DEL、DEG冷水機(jī)組RRI側(cè)進(jìn)行局部的回流改造，進(jìn)一步提升通往冷凝器的入口水溫，滿足冬季低溫低負(fù)荷工況下冷水機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

［1］ 福建寧德核電有限公司.寧德核電廠一、二號(hào)機(jī)組最終安全分析報(bào)告［R］.B版，2012.

［2］ 陳濟(jì)東.大亞灣核電站系統(tǒng)及運(yùn)行［M］.北京：原子能出版社，1994.

［3］ 廣東核電培訓(xùn)中心.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備［M］.北京：原子能出版社，2005.

［4］ 深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司.RRI系統(tǒng)適應(yīng)低溫海水條件設(shè)計(jì)改進(jìn)論證報(bào)告［R］.B版，2012.

［5］ 福建寧德核電有限公司.《寧德核電廠一、二號(hào)機(jī)組運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》解釋［R］.2版，2014.

［6］ 深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司.RRI系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)概率安全評(píng)價(jià)報(bào)告［R］.A版，2012.