AP1000非能動堆芯冷卻系統再循環管道預運行試驗研究

王中立 左 濤 白東進

（1．上海核工程研究設計院，上海200233；2．浙江三門核電有限公司，浙江 臺州317112）

0 引言

AP1000非能動堆芯冷卻系統（PXS）安注系統包括高壓安注（堆芯補水箱補水）、中壓安注（安注箱注射）和低壓安注（安全殼內置換料水箱注射和地坑再循環）。再循環部分包括從地坑再循環濾網經由再循環管道，一直到壓力容器直接注射管嘴（DVI），再循環工況流向如圖1中粗實線所示。當電站發生假想的失水事故（LOCA）時，再循環成功運行能長期冷卻堆芯，防止放射性物質外泄。再循環管道預運行試驗目的是測試管道阻力是否在設計基準范圍之內，由于管道系統中包含止回閥，再循環工況不適用泵等能動設備，驅動壓頭不足以使止回閥全開，阻力特性會隨著試驗流量而改變，因此有必要研究正確的試驗方案和確定試驗驗收準則。

圖1 安注系統示意圖

1 試驗設計

PXS系統再循環管道的阻力試驗借用IRWST水箱高水位的重力注射，水依靠高差進入其中一個系列的再循環管道，通過連接兩個再循環濾網之間的跨接管，通往另一個系列的再循環管道，最終將水排往壓力容器。測量管道兩側壓差，結合流量得到管道阻力。試驗流程如圖2所示，整個管道從再循環濾網兩側分為兩個部分，左側從IRWST出口到再循環濾網為IVR注射管道，右側從再循環濾網到DVI之間的管道為再循環管道。圖2所示為試驗的一個系列管道，共有兩個對稱的管道系列進行阻力試驗。再循環管道試驗不會模擬地坑淹沒情況，借用IRWST高位水箱注射同時測量IVR管道和再循環管道阻力。

圖2 再循環管道阻力試驗流程

1．1 止回閥

AP1000再循環管道上采用旋啟式止回閥，閥門開啟由兩側壓差決定。當壓差大于開啟壓力時，止回閥開啟。止回閥上游的壓力是由IRWST水位高度決定的，當IRWST開始注射液位緩慢降低時，壓差減小，止回閥開度逐漸變小，最終閉合。

本試驗與傳統的管道阻力試驗差異為：一般管道阻力試驗借用能動泵提供壓頭，管道中如有止回閥也是維持全開狀態，不考慮止回閥開度隨流量變化而變化引起的阻力改變。AP1000設計采用非能動的理念，再循環功能不使用泵，流量壓頭完全由IRWST水箱位差提供，因此試驗必須反映真實事故的狀態。

要得到真實管道的阻力就必須模擬變化的流量工況。設置好不同試驗工況之后，根據并聯管道流量分配原理計算各分支管道上的流量（流速），由閥門特性曲線計算得到閥門開度，再推導出閥門阻力。經過迭代計算得到并聯管道流量平衡點，此時的管道阻力即為真實阻力。

1．2 測量設備

1．2．1 壓力表

壓力表安裝在再循環濾網接管末端的法蘭上以及再循環濾網跨接管和代替IRWST注射管道上爆破閥的文丘里管兩側。

1．2．2 文丘里流量計

IRWST注射管道中的爆破閥用標定過的文丘里流量計代替，用來測量并聯管道分支流量；再循環濾網跨接管中安裝一個文丘里流量計用來測量總流量。

文丘里流量計采用標準ASME文丘里管規范設計，考慮到文丘里管進出口管道對流量測量的影響，預先進行模擬管道臺架試驗，確定在試驗流量范圍內壓降、流量系數、雷諾數之間的關系，建立數學模型。

1．3 試驗工況

根據該原理設計試驗工況，可分為兩個階段：第一個階段將再循環管道上游的電動閥V117全開（圖2），測量IVR管道阻力和流量最大時再循環管道阻力；第二個階段將閥門V117節流，該階段又分為4種流量工況，可得到不同流量下再循環管道的阻力。IRWST注射工況的流量范圍660～1 896gpm，再循環工況的流量范圍是0～954gpm，表1所選的流量工況可作為代表工況驗證止回閥開度對整體管道阻力的影響。

表1 試驗工況參數

2 試驗分析

2．1 第一階段試驗

閥門V117全開，IRWST初始為滿水位，為避免液位下降造成壓頭變化，在壓力容器內水足夠多時利用潛水泵將水打回IRWST，盡量維持IRWST液位穩定。兩個系列再循環管道試驗時IRWST液位與總流量的關系如圖3所示。

圖 3 IRWST液位與總流量的關系

IRWST從初始液位28′7″開始注射，一直到熱段充滿為止，IRWST的最終液位約為26′11″，兩個系列的流量不同是因為阻力有差異，取流量大的系列計算阻力較小，作為驗收準則較保守。

在IRWST液位變化范圍內，止回閥的開度基本不變，是由于壓頭變化很小，可以忽略，因此，全開工況時止回閥的阻力被認為是恒定的，如圖4所示。

圖4 全開工況下止回閥開度與IRWST液位的關系

圖4 中A系列并聯回路1（止回閥V119和電動閥V117）中的止回閥開度為43%；并聯回路2（止回閥V122和V124）的止回閥開度不同，分別為90%和75%。B系列并聯回路1中的止回閥開度為30%；并聯回路2的止回閥開度幾乎一樣，為80%。A系列管道布置不對稱引起并聯回路的流量分配不均，造成止回閥開度不同，流量分配如圖5所示。

A、B系列流過各支路的流量份額差異很大，一方面是由于管道布置的差異，另一方面止回閥的特性會使管道布置造成的阻力差異放大，尤其是A／B系列并聯回路1中的止回閥支路流量份額分別只有35%和25%。

2．2 第二階段試驗

閥門V117節流，調節通過再循環濾網跨接管上的文丘里管流量，不同的工況下應盡量維持流量恒定，采用與全開工況相同的穩定方法。節流工況不要求IRWST初始液位為滿水位，因此流量與IRWST液位并無對應關系。同一個工況下，試驗允許存在一個流量上下限范圍，止回閥的開度也存在一個變化范圍。不同工況止回閥開度與流量的關系如圖6所示。

圖5 全開工況下支路流量份額與IRWST液位的關系

圖6 節流工況下止回閥開度與流量的關系

同一個工況由于流量上下限造成的止回閥開度變化很小，可忽略不計。與全開工況類似，A系列并聯回路2的止回閥開度不同，B系列并聯回路1的止回閥開度幾乎相同。通過不同并聯支路的流量份額如圖7所示。

圖7 節流工況下支路流量份額與流量的關系

2．3 管道阻力

根據以上分析得到各流量工況下止回閥的開度、流量參數，根據止回閥特性曲線計算得到止回閥阻力，整合到管道總阻力進行迭代計算。與最終安全分析報告中假定止回閥全開時的再循環管道阻力比較，預運行試驗工況對應的阻力和增大幅度如表2所示。

表2 各工況再循環管道阻力

3 結語

再循環管道阻力應考慮止回閥隨流量變化導致阻力變化的特性，設計符合真實事故工況條件的阻力驗收準則。試驗中采用標定過的文丘里流量計代替爆破閥，用跨接管連接兩個再循環濾網，借用IRWST重力注射測量IVR和再循環管道阻力，無需使地坑淹沒。每個工況盡量保持流量穩定，可采用潛水泵將注射到RV內的水重新抽回IRWST中。通過測得的總流量和并聯管道上的流量，結合止回閥特性曲線計算出止回閥開度和阻力，迭代計算得到整個再循環管道的阻力，作為不同工況對應的阻力驗收準則。

［1］APP－PXS－M3－001，Rev．5，Passive Core Cooling System，System Specification Document［Z］．

［2］APP－PXS－M3C－195，Rev．1，Check Valve Functional Requirements for PXS IRWST Isolation Check Valves［Z］．

［3］APP－PXS－M3C－203，Rev．1，Check Valve Functional Requirements for PXS Recirculation Isolation Check Valves V119A／B［Z］．

［4］APP－PV70－VQQ－011，Rev．0，Final Quality Data Package［Z］．