華龍一號核反應堆電廠低溫水密實超壓保護方案優化

杜思佳+李健+任春明+王靜卉

【摘 要】為了實現華龍一號反應堆全范圍工況下的超壓保護，華龍一號對低溫水密實超壓保護方案進行了優化，在保留了余熱排出系統的低溫超壓保護功能外，對穩壓器安全閥的控制邏輯進行了優化設計，增加了穩壓器安全閥在低溫水密實工況下的保護功能。分析驗證結果表明，該方案能夠有效應對水密實工況下可能出現的能量注入或質量注入導致的超壓事件，可以保證RCS在低溫水密實工況下的完整性，滿足單一故障準則和保護多樣性要求，大大減小RCS壓力邊界完整性受損的風險。

【關鍵詞】低溫水密實；穩壓器安全閥；低溫超壓保護模式

中圖分類號： TL364 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）35-0072-003

Optimization of Low Temperature Water - tight Overpressure Protection Scheme for Hualong - Ⅰ Nuclear Power Plant

DU Si-jia1，2 LI Jian1，2 REN Chun-ming1，2 WANG Jing-hui2

（1. Key Laboratory of Design and Technology of Nuclear Reactor， China National Nuclear Power Research Institute， Chengdu 610213， China； 2.China Nuclear Power Research Institute， Chengdu 610213， China）

【Abstract】In order to realize the overpressure protection in the full range of Hualong-1 reactor， Hualong-1 optimized the low-temperature watertight overpressure protection scheme. In addition to the low-temperature overpressure protection function of waste heat removal system， The control logic of the pressure relief valve has been optimized and the protection function of the safety valve of the pressure regulator has been increased under low temperature water tight conditions. The analysis and verification results show that the scheme can effectively deal with overpressure events caused by energy injection or mass injection under watertight conditions， ensure the integrity of RCS under low-temperature water-tight conditions， meet single fault criteria and protect diverse The requirement to substantially reduce the risk of compromising the integrity of the pressure boundary of the RCS.

【Key words】Low-temperature water-tight； Regulator safety valve； Low-temperature over-voltage protection mode

0 前言

在低溫工況下反應堆壓力容器材料的韌性比正常運行工況下差。隨著壓力容器中子輻照的積累，材料韌性降低并且在低溫下抗壓應力性能更差。因此，反應堆冷卻劑系統（RCS）的壓力在低溫下必須維持在低壓，僅當溫度上升時壓力才升高。

當RCS處于水密實狀態時，尤其在停堆期間壓力容器發生超壓的可能性非常大。壓力波動會較快地發展，以致于操縱員不能及時采取行動來緩解。如果大大超出RCS的壓力溫度限值，可能會引起壓力容器的脆裂。因此，在啟/停堆工況期間，當冷卻劑溫度小于等于反應堆壓力容器脆性斷裂保護功能的實施溫度時，啟用低溫超壓保護功能措施。

在反應堆啟/停堆工況期間，反應堆存在低溫水密實狀態，“低溫水密實狀態”是指反應堆處于停堆，穩壓器滿水的狀態。此時若發生能量輸入或者質量注入的瞬態都將可能引起系統超壓，從而威脅系統的完整性。通常，由于反應堆冷卻劑泵誤停后的再啟動和安注系統誤動作引起的超壓是這兩類當中最嚴重的。

在華龍一號核電廠的早期設計中，采用了與M310核電廠類似的低溫超壓保護方案，其低溫超壓保護功能由接入冷卻劑系統的余熱排出系統的安全閥提供。技術規格書要求，當冷卻劑系統溫度低于180℃時，余熱排出系統被允許接入冷卻劑系統，當冷卻劑系統溫度低于160℃時，余熱排出系統必須接入冷卻劑系統。從而保證低溫水密實工況下的超壓保護能力。

隨著設計的深入，由于余熱排出系統的布置發生較大變化，余熱排出系統的安全閥和換熱器移至安全殼外。由于華龍一號采用了安注信號來觸發安全殼的A階段隔離，該措施對低溫水密實超壓工況存在不利影響。若在低溫水密實工況下發生安全殼外破口事故或者其他原因導致發出誤安注信號，余熱排出系統將被自動隔離，導致卸壓手段的喪失，從而威脅到冷卻劑系統的完整性。endprint

為此，需要對原低溫水密實超壓保護功能進行優化設計，以確保在各種情況下反應堆系統具有足夠的超壓保護能力。

1 低溫超壓保護功能要求

如前文所述，在余熱排出系統連接入冷卻劑系統時，余排安全閥可以針對大多數工況提供低溫超壓保護功能。但無法應對產生安注信號時的低溫超壓工況。因此，新低溫超壓保護方案的設計需要重點針對安注誤啟動工況進行設計。

考慮到安注信號會觸發安全殼A階段隔離，此時低溫超壓保護的卸壓途徑應選擇在一回路主系統上的不會被隔離的卸壓設備。同時，還應考慮到正常運行時該設備必須能夠承擔正常運行的壓力。這就要求所選擇的超壓保護設備必須具有正常運行和低溫超壓保護兩種相互獨立的功能，并可以進行控制。

經過多次篩選論證，最終選擇了穩壓器安全閥來實現低溫超壓保護。

為了實現低溫超壓保護的技術方案，穩壓器安全閥應滿足以下功能要求：

（1）穩壓器安全閥除了執行功率運行工況下的超壓保護功能外，還能夠提供低溫工況RCS超壓保護功能。

（2）穩壓器安全閥的容量和開啟/關閉動作時間需滿足相應的設計指標，既要滿足正常超壓保護的要求，也要滿足低溫水密實工況下的卸壓要求。

（3）穩壓器安全閥提供低溫超壓保護的整定值可以設置和調整。

（4）穩壓器安全閥能夠排放的介質包括蒸汽、汽水混合物以及過冷水。

華龍一號的穩壓器安全閥采用了SEBIM公司的雙控先導式閥，該閥門可以實現在正常運行時，通過先導閥檢測系統壓力并按照設置的整定值自動觸發安全閥的開啟；也可以通過信號控制或操縱員手動控制電磁閥強制開啟，實現安全閥的開啟關閉。兩種閥門開啟模式相互獨立，通過電磁閥的強制開啟模式可以通過邏輯設置實現整定值的調整。該閥門可以排放蒸汽、汽水混合物以及過冷水。滿足上述主要功能要求。

2 低溫超壓保護方案研究

2.1 基本原理

通過穩壓器安全閥提供低溫超壓保護功能的主要原理如下：

在低溫水密實工況是若發生壓力瞬態事件，當反應堆冷卻劑系統壓力超過預設的整定值時，由控制邏輯和相關的設備自動觸發穩壓器安全閥的開啟，提供卸壓途徑，防止RCS超壓，進而確保RCS壓力邊界的完整性。安全閥開啟后冷卻劑系統壓力下降到一定水平時，自動關閉安全閥，防止過度卸壓。為區分穩壓器安全閥的正常超壓保護模式，將穩壓器安全閥在水密實工況下的超壓保護模式

穩壓器安全閥提供低溫超壓保護的措施中涉及測量系統、控制邏輯、操縱員接口和安全閥設備。

測量系統主要是測量反應堆冷卻劑系統的溫度和壓力；

控制邏輯根據測量溫度判斷是否進入“低溫超壓保護模式”；

在“低溫超壓保護模式”下，測量的壓力信號經過模數轉換后與低溫超壓的壓力設定值進行比較產生保護動作信號；

穩壓器安全閥在低溫超壓保護模式下接收到保護動作信號后通過電磁閥開啟；

操縱員接口提供操縱員手動開啟安全閥的能力；

“低溫超壓保護模式”生效和閉鎖時，應具有相應的指示和報警信號。

2.2 低溫超壓保護方案設計

在啟/停堆工況期間，考慮到余熱排出系統需要接入冷卻劑系統，余排系統的安全閥除了安注誤信號導致的超壓工況外也具有超壓保護的功能。因此，華龍一號的低溫超壓保護方案設計為穩壓器安全閥的低溫超壓保護模式能夠獨立為反應堆冷卻劑系統提供超壓保護；余熱排出系統安全閥為余熱排出系統提供超壓保護，同時在余熱排出系統接入冷卻劑系統時能緩解反應堆冷卻劑系統的超壓瞬態。

以下分別根據電廠的升溫階段和降溫階段給出具體的低溫超壓保護方案。

（1）電廠降溫階段的低溫超壓保護

第一步：正常降溫

操縱員控制電廠冷卻（從熱停堆到冷停堆工況），在此期間內，穩壓器安全閥工作在正常保護模式，穩壓器中存在一定的汽空間，操縱員按照操作規程先將余熱排出系統接入冷卻劑系統。

第二步：RHR安全閥提供保護

冷卻劑系統繼續降溫，穩壓器的汽空間逐漸減小。在此期間內（冷卻劑系統溫度為120℃～180℃），依靠RHR安全閥實施超壓保護。

第三步：穩壓器安全閥低溫超壓保護模式生效

當冷卻劑系統繼續降溫，熱段環路溫度小于等于120℃時，穩壓器安全閥由正常模式進入低溫超壓保護（LTOP）模式，主控室出現相應指示，當RCS環路壓力大于設定壓力時，自動開啟電磁閥實現低溫超壓保護，并發出“低溫超壓報警”。

（2）電廠升溫階段的低溫超壓保護

第一步：穩壓器安全閥低溫超壓保護模式的閉鎖

操縱員控制電廠升溫過程中，當冷卻劑系統熱段環路溫度低于125℃時，穩壓器安全閥處于低溫超壓保護模式。當熱段環路溫度大于等于125℃，穩壓器安全閥由低溫超壓保護模式轉換至正常運行模式，承擔正常超壓保護功能，同時低溫超壓保護模式的指示消失。低溫超壓保護模式閉鎖時的溫度定值與降溫過程中模式生效時的溫度定值不同，這主要是為了避免小的溫度擾動導致低溫超壓保護模式的頻繁轉換。

第二步：RHR安全閥提供保護及正常升溫。

冷卻劑系統繼續升溫，穩壓器建立的汽空間并逐漸增大。在此期間內（冷卻劑系統溫度為125℃～180℃），依靠RHR安全閥實施超壓保護。操縱員按照正常的管理規程控制電廠升溫。

2.3 低溫超壓保護模式設計參數

穩壓器安全閥提供低溫超壓保護的設計參數如下：

（1）“低溫超壓保護模式”生效溫度

設定穩壓器安全閥低溫超壓保護模式的生效溫度為120℃，對應RCS熱段測量溫度，這時RCS已處于低溫水密實狀態。

（2）“低溫超壓保護模式”下穩壓器安全閥的開/關整定值endprint

開啟定值（絕對壓力）：第一組：3.4MPa，第二組3.4MPa，第三組3.5MPa；

關閉定值（絕對壓力）：第一組：3.1MPa，第二組3.1MPa，第三組3.2MPa。

（3）穩壓器安全閥設計容量

閥門容量（最小值）：對應17.23 MPa下排放飽和蒸汽為175t/h。

（4）穩壓器安全閥動作時間

低溫超壓保護穩壓器安全閥開啟時間：1.0s。

以上設計參數將在保護措施有效性評價中驗證。

3 低溫超壓保護方案有效性評價

通過最惡劣的能量注入和質量注入導致的超壓瞬態，即反應堆冷卻劑泵誤停后的再啟動和中壓安注誤動作工況，對低溫超壓保護方案以及相應的設計參數進行有效性評價。

這兩類瞬態按照II類工況進行分析。

根據《壓水堆核電廠反應堆冷卻劑系統和主蒸汽系統超壓分析要求》（NB/T 20100-2016RK），在低溫水密實工況下，為確保維持反應堆冷卻劑系統的完整性，應使反應堆溫度和壓力不超過溫度-壓力曲線的限值，保證反應堆壓力容器不發生脆性斷裂。若超過溫度-壓力曲線的限值，應通過快速斷裂分析驗證反應堆壓力容器不發生脆性斷裂。對于華龍一號，在不同溫度條件下最小的溫度-壓力曲線限值為4.6MPa。

3.1 反應堆冷卻劑泵誤停后的再啟動工況論證

當反應堆一回路系統處于單相滿水時，如果溫度高于70℃并且壓力高于2.5MPa，應至少運行一臺主泵。但是，多種原因可能引起主泵停運。如，失去廠外電源，操作員誤停泵等。當主泵停下來后，如果反應堆冷卻劑溫度仍高于70℃，操作員認為應必須盡快重新啟動主泵，同時規程中要求操作員也只能啟動一臺主泵。

但是，就在主泵停運和重新啟動的這段時間中，一次側和二次側間就建立起了溫差。這時，蒸汽發生器的溫度可能高于主冷卻劑系統的溫度。當反應堆冷卻劑主泵重新啟動后，較冷的冷卻劑流經蒸汽發生器并被加熱。由于反應堆冷卻劑系統處于單相滿水狀態，冷卻劑被加熱后會導致壓力升高，升高的幅度取決于一、二次側溫差的大小。

該瞬態的分析，考慮以下假設條件：

-反應堆初始功率為零功率；

-一回路初始流量為0，并在零時刻一臺主泵啟動；

-蒸汽發生器一、二側傳熱系數取最大值；

-穩壓器滿水；

對于反應堆冷卻劑泵誤停后的再啟動，考慮1列穩壓器安全閥不可用，3列余排系統安全閥有效；

圖1和圖2分別給出了冷卻劑系統和余排系統的壓力瞬態結果。分析結果表明，在瞬態開始后9.6s，余熱排出系統安全閥首先開啟；瞬態開始后9.8s，穩壓器安全閥開始開啟，由于閥門開啟有一個過程，此時系統壓力繼續上升，10.1s時，系統達到壓力峰值，一回路壓力峰值為4.17MPa，余熱排出系統壓力峰值為3.88MPa。隨后由于穩壓器安全閥和余排系統安全閥的卸壓能力超過了能量注入導致壓力上升的幅度，系統壓力開始下降，直至達到閥門關閉定值，穩壓器安全閥和余排系統安全閥相繼關閉。但此時一回路和二回路仍存在溫差，蒸汽發生器會繼續向一回路傳熱，導致一回路壓力再次上升，閥門再次開啟。如此若干循環后，系統逐漸趨于平衡。

3.2 中壓安注誤啟動工況論證

當反應堆一回路系統處于單相滿水時，由于各種原因，如操作員誤動作、誤安注信號等原因，中壓安注泵投入運行。由于反應堆一回路系統處于單相滿水狀態，這種額外的質量注入將迅速引起反應堆一回路系統和余熱排出系統壓力升高，升高的幅度取決于質量注入的速率。

對于誤安注信號觸發的中壓安注泵投入運行，RHR將被自動隔離，RHR安全閥無法起到超壓保護的功能，反應堆一回路系統的超壓保護由穩壓器安全閥（LTOP）提供。

該瞬態的分析，考慮以下假設條件：

-反應堆初始功率為零功率；

-穩壓器滿水；

-假設在零時刻，誤安注信號觸發2臺中壓安注泵誤啟動，以最大安注流量向主冷卻劑系統注入安注水；

-RHR在零時刻被自動隔離；

-考慮1列穩壓器安全閥不可用；

圖3給出了誤安注信號觸發的中壓安注泵誤啟動各計算工況的壓力瞬態結果。分析結果表明，在瞬態開始后1.9s，穩壓器安全閥開始開啟，一回路壓力繼續上升，直至2.5s穩壓器安全閥的排放流量超過安注注入流量，壓力開始下降，直到閥門關閉定值，安全閥開始關閉。此時安注系統仍然繼續向一回路注水，導致壓力重新上升，閥門再次開啟，如此反復。若無操縱員干預，該瞬態會一直反復持續。分析中假設30分鐘后操縱員手動停止安注，瞬態終止。瞬態過程中最高壓力峰值出現在穩壓器安全閥第一次開啟過程中，一回路系統壓力峰值為4.55MPa。

3.3 分析結論

通過上述分析表明，在最惡劣的能量注入和質量注入的低溫水密實超壓工況中，華龍一號的低溫超壓保護方案可以有效保證一回路系統壓力未超過溫度壓力限值曲線對應的限值壓力，余熱排出系統壓力未超過其設計壓力。滿足超壓準則的要求。

另外，若在120～180℃區間發生超壓事件，穩壓器安全閥的低溫超壓保護模式未生效，余熱排出系統接入。

4 結論和建議

本文研究了華龍一號反應堆低溫水密實超壓保護方案的設計，并開展了事故工況的超壓驗證。分析結果表明，采用穩壓器安全閥低溫超壓保護模式和余熱排出系統安全閥功能實施低溫超壓保護功能的設計，可以保證RCS在低溫水密實工況下的完整性，滿足單一故障準則和保護多樣性要求，大大減小RCS壓力邊界完整性受損的風險。endprint