“華龍一號”非能動安全殼熱量導出系統布置優化研究

王 凱，高 元

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

“華龍一號”共設計有三個非能動的安全系統，分別是非能動安全殼熱量導出系統(PCS)、堆腔注水冷卻系統(CIS系統)和二次側非能動余熱排出系統(PRS系統)。在設計時，為了滿足PCS系統的要求，在反應堆的安全殼外高處設置有換熱水箱，換熱水箱的底部設置閥門管道間，以供PCS和PRS相關閥門和管道的布置使用。

1 PCS系統的功能

在核電站發生嚴重事故時，PCS系統通過設置在安全殼內的換熱器將殼內的熱量導出到換熱水箱，經汽水分離器分離后，蒸汽進入到導熱隔間，經過排氣管道排入自然環境中。這一過程不需要能動部件的參與，利用水和蒸汽的物理特性實現自然循環。經過這一循環過程，導出安全殼內的熱量，降低安全殼內的溫度和壓力，從而確保嚴重事故下安全殼的完整性，保證放射性物質不會外泄。

1.1 事故后安全殼冷卻

PCS系統用于在超設計基準事故工況下安全殼的長期排熱，包括與全廠斷電、噴淋系統故障相關的事故。在電站發生超設計基準事故(包括嚴重事故)時，將安全殼內的壓力和溫度降低至可以接受的水平，保持安全殼完整性。

1.2 安全殼冷卻水箱水質保持

PCS系統配備了外置安全殼冷卻水箱的液封措施，防止安全殼換熱水箱水質被殼外環境污染。電站正常運行和檢修時，系統配置了循環水泵和加藥措施防止安全殼外換熱水箱微生物滋生和水質降低。

1.3 安全殼第三道屏障的完整性

系統安全殼內換熱器、安全殼外隔離閥和兩者之間的管道為電站第三道安全屏障的組成部分。在系統設備、管道出現破口時，及時關閉隔離閥，防止放射性物質外泄，確保電站第三道安全屏障的完整性。

1.4 其他功能

換熱水箱為PRS系統提供冷卻水源。在二次側喪失動力和冷卻水源的時候，為蒸發器二次側提供自然循環冷卻動力和冷卻水源。

收集事故后換熱器外表面冷凝水，匯流至CIS系統，用于事故后堆腔注水和冷卻。

2 PCS系統現有的施工難點

2.1 PCS換熱器的安裝不方便

每組PCS換熱器的尺寸非常大，又是安裝在安全殼內壁的鋼襯里上，環吊吊鉤行程無法將換熱器直接安裝到位，需要設置臨時的安裝平臺，而這部分平臺的高度差較大，容易帶來危險。

2.2 PCS換熱器的安裝不方便

PCS換熱水箱和閥門管道間采用外懸挑結構設計，而安全殼筒體采用整體抬升大模板施工方式，因此外掛水箱無法隨筒體一起施工，需要對閥門管道間和換熱水箱進行二次澆注。

在二次澆注時，由于水箱本身自重很大，施工時對施工縫處理的難度較大。經測算，PCS水箱重量約3 000 t，PRS補水箱重量約1 000 t，混凝土結構其自身自重約9 500 t。墻體需要的混凝土量約為2 316 m3(不含女兒墻、不含39.05 m～42.3 m墻)；樓板需要的混凝土量約為1 240 m3。

在土建施工時，由于該處位置較高，距離LX廠房屋面11.5 m(42.3～30.8 m),距離SR廠房15.7 m(42.3～26.6 m)、距離SL廠房20.7 m(42.3～21.6 m)，所需要搭建的腳手架高度差大、工程量大，從而導致施工風險較大。

3 對施工難點的處理方案及后續改進方案

3.1 對施工難點的處理方案

3.1.1 對換熱器安裝方式的處理方案

修改換熱器三角支撐的設計，將原有的支撐進行了延長和加固，安裝時可以直接將換熱器放置在新增的三角支撐上，然后人工推拉到位后固定換熱器。安裝完成后新增的三角支撐與蒸發器隔間頂部連接，作為人員通道的一部分。

3.1.2 對結構施工難點的處理方案

對結構施工難點的處理方案可以從以下四個方面考慮：

1) 懸挑結構與反應堆廠房APC殼同時施工，這種施工方式能減少腳手架的使用時間，可以從時間上減少危險性。水箱與APC殼同時澆筑，不存在施工縫的問題，但會稍微增加APC殼的施工時間。

2) 采用模塊化設計，可以將水箱及混凝土部分做成結構模塊在地面整體澆筑，待筒體施工完成后吊裝就位。其優點在于：模塊化施工可以交叉作業，節省工期。

3) 將閥門管道間及換熱水箱整體上移到穹頂的位置，使其外徑與反應堆廠房APC殼外徑一致，不會產生懸挑結構，其優點是解決了施工中的問題，無需大面積搭設腳手架，降低施工難度和風險，同時增加了水頭高度。

4) 在閥門管道間的底部設置鋼結構，按照一定的角度將型鋼插入到反應堆廠房的APC大殼上。可以將型鋼設置成上下兩層，上層用以支撐水箱的部分重量，下層用作人員的通道和施工平臺，這種方式可以有效的減少腳手架的搭建工作，減少風險的產生。

3.2 后續改進設計

因排氣管直接與大氣接觸，換熱水箱內的水與大氣環境不是絕對密封的，在海邊潮濕的氣候下，空氣中的部分鹽離子可能會進入到換熱水箱內，使水質變差，而這些鹽離子是不能通過加藥系統進行凈化的。因此，在后續的設計中可以在循環回路中設置永久性除鹽床。

為保證換熱質量和速度，布置在安全殼內的換熱器傳熱管的壁厚只有2 mm，且直接暴露于環境中，容易被外部事件破壞。因此在PCS換熱器的后續設計中可以考慮將導熱管襯于鋼襯里和混凝土之間，以類似水冷壁的形式進行設計和布置，其優點在于不需要在安全殼內增加設備，不需要對鋼襯里進行開孔操作，并能利用鋼襯里進行大面積換熱。并且其部分管道和閥門可以設置在雙殼之間，減少外部閥門管道間的設備和管道數量，能有效地減少現在閥門管道間的擁擠程度。

4 結論

“華龍一號”PCS系統作為一個全新的系統設計，在前期已經通過試驗進行了驗證和評估，驗證了PCS系統的設計是合理的、可行的。在施工的過程中雖然也遇到了一些問題，但通過對這些問題的分析和研究，可以對后續的設計改進積累豐富的經驗。通過“華龍一號”全球首堆PCS系統的施工驗證，為今后的工作積累下豐富的布置與設計經驗，這些經驗和數據將在后續的機組建設中將使得PCS系統的布置更加優化。