華龍一號(hào)蒸汽發(fā)生器防滿溢設(shè)計(jì)驗(yàn)證分析

鄭靜 顧蔚泉 郝祿祿

福建福清核電有限公司 福建福清 350318

蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故（簡(jiǎn)稱(chēng)SGTR事故）是壓水堆設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故：一根蒸汽發(fā)生器傳熱管發(fā)生完全雙端剪切斷裂引起破損兩端不可控噴放的事故，由于SGTR 發(fā)生頻率相對(duì)較高，RCC-P （1991年版）將SGTR 事故從IV 類(lèi)事故變成Ⅲ類(lèi)事故[1]。當(dāng)核電廠發(fā)生SGTR事故時(shí)，含放射性的冷卻劑將通過(guò)破口進(jìn)入蒸汽發(fā)生器二次側(cè)，一旦破損蒸汽發(fā)生器出現(xiàn)“滿溢”，將使蒸汽管道充水、易使安全閥密封損壞且放射性較高液態(tài)流出物將通過(guò)安全閥或釋放閥排放到大氣導(dǎo)致大量放射性釋放[2]。

華龍一號(hào)在設(shè)計(jì)上采用了破損蒸汽發(fā)生器防滿溢措施，增加事故后操縱員應(yīng)對(duì)事故的時(shí)間，減少事故過(guò)程中人因失誤的影響。本文將重點(diǎn)對(duì)華龍一號(hào)防滿溢設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，首先確定主要假設(shè)和初始條件，構(gòu)建計(jì)算分析模型，研究SGTR事故下蒸汽發(fā)生器滿溢最?lèi)毫庸r，并與福清5-6號(hào)機(jī)組PSAR安全分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證華龍一號(hào)蒸汽發(fā)生器防滿溢設(shè)計(jì)的有效性。

1 蒸汽發(fā)生器主要防滿溢措施

防止SGTR事故下破損蒸汽發(fā)生器滿溢主要考慮以下因素：減小破口流量和輔助給水流量。華龍一號(hào)防滿溢設(shè)計(jì)采取以下措施：

（1）設(shè)置“蒸汽發(fā)生器水位高高疊加穩(wěn)壓器水位低低”信號(hào)，觸發(fā)“緊急停堆”和“隔離高高水位所在蒸汽發(fā)生器的輔助給水”。

（2）采用中壓安注系統(tǒng)，降低安注泵關(guān)閉揚(yáng)程，降低了一回路向二回路泄漏量。

（3）設(shè)置反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)快速冷卻功能，以使中壓安注系統(tǒng)盡早投入運(yùn)行。

（4）提高破損蒸汽發(fā)生器大氣釋放閥整定值，減少SGTR事故下放射性流出物釋放。

（5）設(shè)置安全級(jí)蒸汽發(fā)生器排污管線。

2 分析方法及主要假設(shè)

本文采用先進(jìn)的兩相流熱工水力程序CATHARE2V1.3L開(kāi)展SGTR事故下蒸汽發(fā)生器滿溢最?lèi)毫庸r分析。

2.1 運(yùn)行點(diǎn)和初始條件

對(duì)于反應(yīng)堆初始功率，5%NP工況下蒸汽發(fā)生器二次側(cè)初始水裝量較102%NP下蒸汽發(fā)生器二次側(cè)初始水裝量大，因此5%NP工況下破損蒸汽發(fā)生器更容易滿溢。因此，選取初始功率為5%NP工況，并分別對(duì)不考慮喪失廠外電（工況A）和考慮喪失廠外電（工況B）兩種工況進(jìn)行分析。

為使給定時(shí)間內(nèi)排放流出物質(zhì)量最大，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生器二次側(cè)之間的壓差必須最大，初始條件需有利于增大一、二回路壓差；為了降低初始蒸汽壓力，假定反應(yīng)堆冷卻劑初始平均溫度為額定值減去最大穩(wěn)態(tài)控制范圍和測(cè)量誤差；穩(wěn)壓器初始?jí)毫轭~定值加上最大穩(wěn)態(tài)波動(dòng)和測(cè)量誤差，假定SGTR事故安注系統(tǒng)盡快投入；穩(wěn)壓器初始水位考慮不確定因素引起的升高，見(jiàn)表1。

2.2 單一故障

對(duì)于快速和手動(dòng)冷卻階段，均假設(shè)可用大氣釋放閥中有一個(gè)大氣釋放閥開(kāi)啟失效。

2.3 堆芯假設(shè)

堆芯功率在停堆前保持恒定，停堆后堆芯余熱（B+C項(xiàng)）考慮1.645σ偏差。

2.4 功能假設(shè)

表1 輸入?yún)?shù)和初始條件

蒸汽系統(tǒng)：假定冷凝器不能用。

安注系統(tǒng)：安注流量最大，相當(dāng)于2臺(tái)中壓+2臺(tái)低壓安注泵運(yùn)行流量。

主給水和輔助給水：主給水流量、溫度，與初始功率和一回路溫度相匹配。在主給水停運(yùn)信號(hào)產(chǎn)生后，經(jīng)過(guò)保守時(shí)間延遲后，主給水泵停運(yùn)。假定輔助給水泵在信號(hào)發(fā)出后零延遲啟動(dòng)，輔助給水流量和溫度取最大值。

化學(xué)容積控制系統(tǒng)：在操縱員干預(yù)之前，假設(shè)化容系統(tǒng)注入流量最大，下泄流量為最小。操縱員干預(yù)后，隔離上充流。穩(wěn)壓器水位低信號(hào)產(chǎn)生后，隔離下泄流。在事故后期，當(dāng)安注泵停運(yùn)后，手動(dòng)恢復(fù)下泄流[3]。

2.5 控制和保護(hù)

SGTR事故發(fā)生后，蒸汽發(fā)生器水位上升到高高水位，由于P7信號(hào)，僅觸發(fā)主給水泵停運(yùn)，主給水流量低信號(hào)啟動(dòng)輔助給水泵。穩(wěn)壓器水位不斷降低，蒸汽發(fā)生器水位高高和穩(wěn)壓器水位低低符合觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆，隔離相應(yīng)蒸汽發(fā)生器的輔助給水。穩(wěn)壓器壓力低低（最小值）信號(hào)，導(dǎo)致中壓安注投入和快速冷卻開(kāi)始。

2.6 操縱員動(dòng)作

假設(shè)在反應(yīng)堆緊急停堆后30分鐘操縱員開(kāi)始動(dòng)作，操縱員首先觀察流出蒸汽發(fā)生器的汽相劑量水平，冷凝器噴汽器或蒸汽發(fā)生器排污劑量水平，判明事故類(lèi)別。根據(jù)蒸汽發(fā)生器水位上升、主給水流量下降，蒸汽發(fā)生器排污或蒸汽管線的劑量監(jiān)測(cè)來(lái)確定破損蒸汽發(fā)生器。按照事故處理規(guī)程，調(diào)節(jié)破損蒸汽發(fā)生器大氣釋放閥整定值。通過(guò)冷卻一回路系統(tǒng)、停中壓安注和穩(wěn)壓器噴霧降低一回路壓力來(lái)減少破損蒸汽發(fā)生器一次側(cè)向二次側(cè)的泄漏。

3 程序建模

3.1 建模

CATHARE2V1.3L建模包括一回路和二回路建模兩部分。一回路建模包括壓力容器部分和環(huán)路部分：壓力容器部分包括堆芯、下腔室、下降段、上腔室和上封頭等；環(huán)路模型包括熱管段、穩(wěn)壓器波動(dòng)管段、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器出入口腔室、傳熱管束、過(guò)渡段、冷卻劑泵、冷管段及破口模型等。二回路建模包括給水、給水管線、給水與循環(huán)水混合段、蒸汽發(fā)生器二次側(cè)下降段等。

3.2 調(diào)試

開(kāi)展SGTR事故發(fā)生前反應(yīng)堆穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的模擬分析，以驗(yàn)證事故瞬態(tài)起始點(diǎn)與初始工況和假設(shè)分析所確定的工況一致。

調(diào)試結(jié)果如表2所示，環(huán)路流量和堆芯旁路流量的目標(biāo)值與實(shí)際值相對(duì)誤差絕對(duì)值小于1%，3.1節(jié)建立的計(jì)算分析模型可用于SGTR事故分析。

表2 建模調(diào)試結(jié)果

3.3 計(jì)算結(jié)果

采用蒸汽發(fā)生器防滿溢主要措施后，SGTR事故下工況A和工況B事件序列如表3所示。SGTR事故發(fā)生后，在觸發(fā)反應(yīng)堆保護(hù)信號(hào)前，破損蒸汽發(fā)生器水位快速上升。破損蒸汽發(fā)生器出現(xiàn)水位高高信號(hào)觸發(fā)主給水泵停運(yùn)，主給水流量低信號(hào)觸發(fā)輔助給水泵啟動(dòng)。蒸汽發(fā)生器水位高高和穩(wěn)壓器水位低低符合觸發(fā)緊急停堆，隨之汽輪機(jī)跳機(jī)，并隔離破損蒸汽發(fā)生器輔助給水，隨后穩(wěn)壓器壓力低低信號(hào)產(chǎn)生，安注啟動(dòng)和快速冷卻開(kāi)始。

表3 SGTR事件序列

圖1 破損SG汽水分離器底部以上水位（工況A）

圖2 破損SG汽水分離器底部以上水位（工況B）

圖3 破損SG汽水分離器底部以上水位

由圖1-2可知，工況B破口流量在破口出現(xiàn)后 2.10h 終止，工況B破損蒸汽發(fā)生器汽水分離器底部以上水位值比工況A水位值高，工況B為蒸汽發(fā)生器滿溢最?lèi)毫庸r。由圖4可知，在蒸汽發(fā)生器滿溢最?lèi)毫庸r下，破損蒸汽發(fā)生器汽水分離器底部以上水位值為 5.08m＜6m，未發(fā)生滿溢。

圖3為PSAR中SGTR事故下蒸汽發(fā)生器滿溢最?lèi)毫庸r分析結(jié)果，破損蒸汽發(fā)生器汽水分離器底部以上水位遠(yuǎn)低于蒸汽發(fā)生器頂部，未發(fā)生滿溢。

以上分析結(jié)果顯示，本文對(duì)SGTR事故下蒸汽發(fā)生器滿溢最?lèi)毫庸r分析結(jié)果與PSAR安全分析結(jié)果一致，由此可驗(yàn)證華龍一號(hào)蒸汽發(fā)生器防滿溢設(shè)計(jì)是有效的。

本文針對(duì)華龍一號(hào)機(jī)組防滿溢措施，基于合理方法和主要假設(shè)采用CATHARE2V1.3L，研究了破損蒸汽發(fā)生器滿溢最?lèi)毫庸r，并與PSA結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：①SGTR事故考慮喪失廠外電工況下蒸汽發(fā)生器更易發(fā)生滿溢，為蒸汽發(fā)生器滿溢最?lèi)毫庸r；②在蒸汽發(fā)生器滿溢最?lèi)毫庸r下，破損蒸汽發(fā)生器汽水分離器底部以上水位低于破損蒸汽發(fā)生器頂部，未發(fā)生滿溢；③華龍一號(hào)機(jī)組蒸汽發(fā)生器防滿溢措施是有效的，合理可行。