核電廠熱試期間二回路非能動自然循環試驗分析

朱達睿，李豪杰

（中國核電工程有限公司，浙江 嘉興 314300）

核電機組在正常運行期間二回路通過汽輪機做功實現一回路熱量的持續導出。當二回路無法向汽輪機做功時，通過向環境排放蒸汽來降低一回路溫度，此時需要持續向蒸汽發生器注水，以保證設備安全。在超基準事故二回路喪失補水的情況下，一回路熱量無法有效排出，導致重要設備受損甚至放射性物質外泄。作為ACP1000非能動安全系統的一部分，二回路非能動余熱排出系統（PRS）便是為應對上述工況而設計，系統通過閉式循環實現在持續放熱的同時維持蒸汽發生器的水裝量，有效提高了機組安全性。由于該系統的運行不需要外部動力，通過介質的物理特性可自持運行，有較高的可靠性。

1 試驗介紹

二回路非能動自然循環試驗作為PRS系統的功能試驗，其目的為驗證PRS系統是否能夠發揮設計換熱功能。為降低試驗風險，減小試驗對機組的影響，自然循環試驗選擇在非核條件下執行。由于試驗要求一回路能持續、穩定地向二回路傳熱，試驗安排在機組熱態性能試驗期間的熱停堆平臺開展。

1.1 試驗方案介紹

本試驗采用手動開啟凝水管線電動隔離閥的方式投運PRS系統，進行自然循環能力驗證。為匹配熱試期間一回路向二回路的傳熱量及避免一回路降溫速率過快，選取一條沿程阻力最大的環路進行試驗。為簡化熱量計算，提高換熱量計算準確性，自然循環試驗期間通過停止二回路的一切補水及蒸汽排放來屏蔽外部擾動。試驗實施方案如下：①將機組控制在標準熱停堆狀態且3臺主泵持續運行；②熱阱初始溫度為環境溫度；③蒸汽排放閥自動控制在關閉狀態，且在不超過安全閥動作定值的情況下盡可能調高所設定的壓力；④屏蔽二回路余熱排出系統的自動啟動信號，并采用物理手段避免PRS系統向蒸汽發生器意外補水；⑤終止蒸汽發生器排污及蒸汽發生器補水；⑥開啟PRS系統一列中的單個凝水管線隔離閥，投運PRS系統進行自然循環；⑦調節一回路上充、下泄流量，維持一回路水裝量；⑧當一回路平均溫度降低到一定限值時關閉凝水管線隔離閥，停止PRS自然循環。

1.2 試驗風險控制分析

由于本試驗的試驗機理為利用介質的重位壓差和蒸汽冷卻收縮產生的抽吸現象實現連續自然循環，試驗期間不能人工干預循環進程，對機組一回路和二回路均具有一定風險。下面將對自然循環試驗存在的重大風險及相應的管控措施進行介紹。

1.2.1 一回路壓力上升，有安全閥動作風險

風險成因：二回路正常熱量導出方式喪失，試驗初期PRS導熱量小于一回路產熱，若此時穩壓器水位上升，將導致一回路壓力升高，可能導致穩壓器安全閥動作。

管控措施：密切監視一回路壓力，試驗過程中應控制一回路溫度穩定，從而控制穩壓器水位穩定，避免由于穩壓器水位變化引起壓力變化。適當地通過電加熱器、穩壓器來控制穩壓器水位，從而控制壓力，使一回路壓力平穩。

1.2.2 蒸汽發生器液位波動

風險成因：由于PRS系統導熱相對滯后，蒸汽發生器壓力會先上升，然后下降。若蒸汽發生器壓力達到大氣釋放閥設定值時，排出大量蒸汽導致水位降低。

管控措施：試驗前分析蒸汽發生器安全水位，試驗期間盡可能縮短PRS系統的投入時間。若蒸汽發生器液位接近低液位，終止試驗并手動干預蒸汽發生器液位。

1.2.3 穩壓器液位降低，導致加熱器燒毀

風險成因：由于試驗期間一回路溫度參數持續降低，一回路介質體積收縮，導致穩壓器液位降低。

管控措施：密切關注穩壓器水位，通過調節上充、下泄流量維持穩壓器水位穩定。

2 試驗結果分析

將自然循環試驗計劃通過試驗得出的PRS系統換熱量曲線與設計計算得出的最小換熱量曲線進行比對來判斷試驗是否合格。

2.1 換熱量趨勢分析

從自然循環流量變化角度可將試驗分為2個階段：①PRS凝水管線隔離閥開啟至自然循環完全建立；②自然循環完全建立至試驗終止。

通過前期熱工模擬計算結果可知，PRS自然循環流量從零迅速增大到極大值，在極大值穩定一段時間后開始緩慢減小；蒸汽發生器壓力在自然循環完全建立前有一定的上升，在自然循環建立后迅速下降但在后期下降趨勢變緩；凝水溫度在自然循環完全建立前從室溫升至130℃左右，并在后續換熱期間溫度基本保持穩定[1]；由于蒸汽發生器產汽為飽和蒸汽，當蒸汽壓力下降時，蒸汽飽和溫度也同步下降。基于上述4項參數的變化趨勢可得出以下結論：①在第一階段，PRS系統的放熱量持續增大，且變化速度較快；②在第二階段，PRS系統的放熱量緩慢減小，并在換熱后期趨于穩定。

2.2 試驗數據偏差原因及對試驗結果的影響

本試驗的試驗數據偏差主要受蒸汽品質的影響，具體可分為以下2個方面。

2.2.1 由蒸汽濕度引入的計算偏差

核電廠蒸汽發生器產生的蒸汽為欠飽和蒸汽，由于現場無法實際測量蒸汽濕度，只能用設計要求的蒸汽發生器出口處的蒸汽濕度（0.25%）來代入計算流體焓值，公式如下：

本試驗初始時一回路平均溫度為2ΧΧ.Χ℃，終止條件為一回路平均溫度降低2Χ℃，對應蒸汽飽和壓力分別為7.ΧΧΧ MPa.a 和5.ΧΧΧ MPa.a。蒸汽從蒸汽發生器引入PRS換熱器這段管道還存在冷凝，蒸汽進入PRS換熱器時其濕度應大于蒸汽發生器出口處的蒸汽濕度。由圖1可以看出，蒸汽品質不同，在各個壓力平臺下欠飽和蒸汽和飽和蒸汽的焓差在壓力降低的過程中逐漸變大，且伴隨著蒸汽濕度的增大，焓差進一步變大。這一現象將導致試驗數據在計算過程中由于缺少蒸汽濕度的實際數值而使得換熱量計算值與實際值發生偏差。鑒于蒸汽焓值均在2 750 kJ/kg以上，在蒸汽濕度較低的條件下，該項偏差對試驗結果的影響較小（量級為 10-3）。

圖1 不同濕度條件下蒸汽與飽和蒸汽焓差

2.2.2 與飽和蒸汽參數不一致引入的偏差

在電廠實際運行期間，濕蒸汽溫度并非所在壓力下的飽和蒸汽溫度。在焓值計算過程中，這種溫度和壓力不對應的現象也會導致換熱量計算值與實際值發生偏差。本試驗計劃通過采用壓力對應的飽和蒸汽焓值與壓力、溫度對應的非飽和水焓值相結合的方式來作為流體焓值代入計算，使計算換熱量更貼近實際換熱量。

3 結論

本文對PRS系統自然循環試驗的試驗方法進行了介紹，分析了可能產生嚴重試驗風險的成因并提出了相應的管控措施。針對試驗結果進行了定性分析并討論了蒸汽品質和現場實際參數與理想狀態的偏差這兩方面對試驗結果的影響。