某核電機(jī)組一回路升溫期間安注管道異響事件分析

任文星,孫景義,周興強(qiáng),郭廣富

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司調(diào)試中心,上海200233)

一回路水壓試驗(yàn)是全面檢驗(yàn)核電廠一回路壓力邊界的重要試驗(yàn),在升壓之前需要對(duì)邊界內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)行升溫以確保整個(gè)試驗(yàn)期間邊界內(nèi)的溫度高于管道/設(shè)備韌脆轉(zhuǎn)變溫度,通常由主泵提供升溫所需的熱量。

某核電廠在某次水壓試驗(yàn)期間,首次嘗試采用將堆芯補(bǔ)水箱與一回路共同升溫的操作,隨著堆芯補(bǔ)水箱出口閥門的開啟,安注管線三通附近管道內(nèi)傳出間斷性的巨大異響,聲源不固定。將堆芯補(bǔ)水箱與一回路隔離之后,異響消失。

為探究此現(xiàn)象的原因,本文將從系統(tǒng)布置、流體分析、設(shè)備結(jié)構(gòu)入手,通過流阻計(jì)算進(jìn)行分析,并提出堆芯補(bǔ)水箱合適的升溫策略,為后續(xù)CAP1400水壓試驗(yàn)提供借鑒。

1 系統(tǒng)布置

AP1000采用兩環(huán)路布置,如圖1所示。每一環(huán)路包含一臺(tái)蒸汽發(fā)生器,兩臺(tái)變頻主泵,有23.6%、50%、88%、100%四個(gè)轉(zhuǎn)速平臺(tái)。

圖1 AP1000主回路及CMT布置示意圖Fig.1 AP1000 primary loop&CMT layout

堆芯補(bǔ)水箱(CMT)位于二環(huán)路,通過一根8"的平衡管與二環(huán)路的兩條冷段相連接,出口經(jīng)安注管線(DVI)進(jìn)入反應(yīng)堆壓力容器(RV)。

在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間,CMT內(nèi)部充滿常溫含硼水,其入口電動(dòng)閥常開,出口兩個(gè)氣動(dòng)閥常關(guān),在收到安注信號(hào)(如安全殼壓力高-2,穩(wěn)壓器壓力低-3,主蒸汽管線壓力低-2,冷段溫度低-2,穩(wěn)壓器液位低-2等)后,出口氣動(dòng)閥打開,同時(shí)觸發(fā)跳主泵,在熱密度壓頭驅(qū)動(dòng)下,進(jìn)行自然循環(huán),實(shí)現(xiàn)其高壓安注功能。

2 原因分析

2.1 穩(wěn)態(tài)分析

以單獨(dú)一個(gè)CMT為例,計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型示意圖Fig.2 Calculation model

在CMT出口閥開啟之前,4臺(tái)主泵以50%轉(zhuǎn)速運(yùn)行,流體在主泵的驅(qū)動(dòng)下,從冷段流入壓力容器,經(jīng)下部堆內(nèi)構(gòu)件底部流量分配板進(jìn)入堆芯,再?gòu)臒岫畏祷卣羝l(fā)生器腔室,經(jīng)傳熱管返回主泵入口。根據(jù)伯努利方程:

式中:P1——CMT入口處(A點(diǎn))壓力;

v1——A點(diǎn)處流體流速;

ρ——介質(zhì)(除鹽水)密度;

P2——CMT出口處(B點(diǎn))壓力;

v2——B點(diǎn)處流體流速;

ΔP——A點(diǎn)與B點(diǎn)之間壓損。

ΔP包含三部分:(1)A點(diǎn)到E點(diǎn)的壓降ΔPL;(2)冷段出口管嘴的壓損ΔPN;(3)冷段與DVI管線之間介質(zhì)的靜壓PEB。

結(jié)合達(dá)西公式,A點(diǎn)到E點(diǎn)的壓降ΔPL為:

式中:f——摩擦因子;

L/D——損失因子。

AP1000計(jì)算中將fL/D表征為無量綱阻力系數(shù)K。

冷段至RV出口管嘴結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 冷段管嘴結(jié)構(gòu)Fig.3 Size of the cold leg nozzle

經(jīng)過管嘴的壓損ΔPN為:

式中:η=f(h/D1,α,r/D1),數(shù)值根據(jù)參考文獻(xiàn)[4],查表可得。

冷段與DVI管嘴之間介質(zhì)的靜壓PEB為:

式中:h1——冷段中心線標(biāo)高;

h2——DVI管嘴中心線標(biāo)高;

g——重力加速度。

假設(shè)兩個(gè)環(huán)路的4條冷段流量分配完全均勻,忽略堆芯吊籃筒體外壁中子屏蔽板的體積,則:

式中:Q——單臺(tái)主泵100%轉(zhuǎn)速時(shí)流量;

D1——冷段內(nèi)徑;

D2——壓力容器內(nèi)壁直徑;

D3——堆芯吊籃筒體外徑。

將相關(guān)參數(shù)(見表1)代入上面等式,可以得出A、B兩點(diǎn)之間的壓差P1-P2=-15.59 k Pa。表明如果此時(shí)打開CMT出口閥門,將無法建立正向流動(dòng)(從冷段經(jīng)平衡管、CMT進(jìn)入DVI管嘴)

表1 相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters

2.2 反向流分析

根據(jù)上述分析,如果此時(shí)打開CMT出口氣動(dòng)閥,則水會(huì)從DVI管嘴流向CMT,再由CMT頂部管線流入冷段,建立起反向流(圖2中虛線箭頭所示)。

假設(shè)止回閥保持全開狀態(tài),則壓頭損失HLR、反向流的流量QR、管系流阻R存在如下關(guān)系:

式中:f——摩擦因子;

L/D——損失因子;

d——管道內(nèi)徑。

注:AP1000流阻R的定義與其他核電廠不同單位為ft/gpm2。

R包含兩部分:CMT出口至RV管線流阻和CMT頂部平衡管線流阻。這兩段管道流阻分別在PXS開蓋流道試驗(yàn)和PXS扣蓋流道試驗(yàn)中進(jìn)行了測(cè)量,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 CMT A管系流阻Fig.4 Resistance of CMT A

選取PXS流阻試驗(yàn)結(jié)果,不同主泵轉(zhuǎn)速工況下反向流量計(jì)算結(jié)果對(duì)比如下(見表2)。

表2 不同轉(zhuǎn)速平臺(tái)對(duì)比Table 2 Comparison of different speed platforms

可以看出此工況下,僅當(dāng)主泵轉(zhuǎn)速為23.6%時(shí),能夠建立起正向流量,轉(zhuǎn)速在50%及以上時(shí),則會(huì)產(chǎn)生反向流,且主泵轉(zhuǎn)速越高,流量越大。

2.3 設(shè)備結(jié)構(gòu)分析

CMT出口選用了管嘴式止回閥,其安裝方式為焊接,閥芯無法單獨(dú)拆除。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 CMT出口止回閥Fig.5 CMT outlet check valve

正常運(yùn)行期間,該閥處于常開位置,閥體內(nèi)部彈簧處于拉伸狀態(tài),閥瓣緊靠在內(nèi)部導(dǎo)流體上,當(dāng)有反向流體通過時(shí),推動(dòng)閥瓣向關(guān)閉方向移動(dòng),其關(guān)閉流量為110 m3/h。

2.4 小結(jié)

根據(jù)上文計(jì)算,可以得出:在4臺(tái)主泵以50%轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),CMT內(nèi)部可以產(chǎn)生起反向流,反向流量QR=99.42 m3/h,小于閥門關(guān)閉流量,但會(huì)推動(dòng)閥瓣向關(guān)的方向移動(dòng),進(jìn)而流量下降,此時(shí)彈簧拉力重新占據(jù)主導(dǎo)作用,閥門向開的方向移動(dòng),反向流量又增大。在反向流和閥體內(nèi)部彈簧的共同作用下,造成止回閥閥瓣往復(fù)運(yùn)動(dòng),對(duì)管道介質(zhì)造成強(qiáng)烈擾動(dòng),引起水錘,作用于管道三通附近,產(chǎn)生異響。

異響發(fā)生時(shí),現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)的超聲波流量計(jì)顯示為±30 m3/h左右,與推論基本吻合。

3 改進(jìn)方案

經(jīng)過上述分析,可知通過主泵強(qiáng)迫循環(huán)對(duì)CMT加熱的策略不可行,改進(jìn)方案如下。

方案一:先加熱一回路,停運(yùn)主泵后利用自然循環(huán)對(duì)CMT進(jìn)行加熱。但是在一回路水壓試驗(yàn)期間,CMT和一回路溫差較小(小于40℃),遠(yuǎn)低于自然循環(huán)工況設(shè)計(jì)溫差(約250℃)。在不引入新的熱源條件下,通過自然循環(huán)流量很小,達(dá)到等溫條件需要時(shí)間很長(zhǎng),工程代價(jià)巨大,此方案不可行。

方案二:將CMT從一回路隔離,在CMT補(bǔ)水路徑上設(shè)置臨時(shí)電加熱器,對(duì)CMT補(bǔ)充所需溫度的熱水,之后對(duì)CMT單獨(dú)進(jìn)行水壓試驗(yàn)。該方案經(jīng)濟(jì)性較好,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工期影響最小。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明,該方案可行。

4 結(jié)論

本文通過流體計(jì)算,結(jié)合系統(tǒng)、設(shè)備結(jié)構(gòu)分析,在CMT與一回路聯(lián)通的條件下,4臺(tái)主泵50%轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),CMT出口與進(jìn)口之間存在15.59 k Pa的反向差壓,無法建立正向流動(dòng)。結(jié)果表明:

(1)通過主泵對(duì)CMT連同一回路共同升溫的做法,將會(huì)導(dǎo)致水錘的發(fā)生,產(chǎn)生異響,該升溫策略是不可行的;

(2)后續(xù)機(jī)組建議將CMT與一回路隔離,通過臨時(shí)電加熱器進(jìn)行升溫,并單獨(dú)進(jìn)行水壓試驗(yàn)。