CPR1000機(jī)組全廠斷電事故后備模式研究

李 龍,吳震華,許俊俊

(蘇州熱工研究院有限公司 核安全與運(yùn)行技術(shù)中心,廣東 深圳 518000)

中國(guó)廣核集團(tuán)CPR1000機(jī)組使用的狀態(tài)導(dǎo)向法事故規(guī)程(SOP)源于法國(guó)M310機(jī)組。目前,SOP事故規(guī)程中全廠斷電事故后備模式為一回路冷端溫度190℃,一回路壓力高于45 bar的蒸汽發(fā)生器冷卻的中間停堆狀態(tài)[1]。

該后備模式的選取主要考慮ASG汽動(dòng)泵和LLS汽輪發(fā)電機(jī)組的可用性以及防止中壓安注罐硼酸和N2注入一回路。CPR1000機(jī)組對(duì)ASG汽動(dòng)泵和LLS汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了換型,其中ASG汽動(dòng)泵更換廠家并由一臺(tái)增加到兩臺(tái),LLS汽輪發(fā)電機(jī)組變更為柴油發(fā)電機(jī)組,不再需要使用蒸汽驅(qū)動(dòng)。這些設(shè)備的換型改造之后,其運(yùn)行參數(shù)和驅(qū)動(dòng)方式都發(fā)生了變化,但全廠斷電事故使用的后備模式仍沿用法國(guó)M310機(jī)組的后備模式。因此,有必要對(duì)該后備模式進(jìn)行論證分析。

目前,核電廠全廠斷電事故的研究主要集中在事故進(jìn)程分析[2]及事故緩解措施的研究[3-6]上,缺少工程改造對(duì)事故處理策略影響方面的研究。

本文通過(guò)ASG汽動(dòng)泵和LLS汽輪發(fā)電機(jī)組改造作為切入點(diǎn),對(duì)與之相關(guān)的全廠斷電事故后果及處理策略進(jìn)行分析,制定事故后備模式確定原則,提出CPR1000機(jī)組全廠斷電事故后備模式優(yōu)化方案。該分析方法可為核電廠工程改造對(duì)事故處理策略的影響研究提供一定的參考。

1 全廠斷電事故后備模式方法研究

全廠斷電是由于同時(shí)失去廠內(nèi)外電源造成的,最可能的情況是外電網(wǎng)發(fā)生共模故障,此后切換至廠用電運(yùn)行失敗或兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)失敗。[1]

全廠斷電后,主泵失電停運(yùn)導(dǎo)致緊急停堆,反應(yīng)堆冷卻劑以自然循環(huán)方式運(yùn)行;堆芯余熱傳遞給蒸汽發(fā)生器,并通過(guò)蒸汽排大氣系統(tǒng)(GCTa)導(dǎo)出;蒸汽發(fā)生器由ASG汽動(dòng)泵供水;水壓試驗(yàn)泵(由LLS供電)從換料水箱取水向主泵供應(yīng)軸封水。[7]

SOP事故規(guī)程要求將機(jī)組后撤至一回路冷端溫度190℃,一回路壓力高于45 bar的蒸汽發(fā)生器冷卻的中間停堆狀態(tài)。

對(duì)于反應(yīng)堆冷卻劑冷端溫度高于190℃的初始工況,通過(guò)GCTa控制一回路冷卻劑的降溫速率在28℃/h,一回路完整性由應(yīng)急軸封水注入來(lái)保證,一回路冷卻劑降溫收縮產(chǎn)生的空間通過(guò)軸封水注入補(bǔ)償。由于穩(wěn)壓器存在熱損失,其壓力自然下降,反應(yīng)堆冷卻劑壓力降至45 bar附近時(shí),1號(hào)軸封泄漏是有限的,通過(guò)調(diào)節(jié)水壓試驗(yàn)泵流量可使穩(wěn)壓器水位保持恒定。

要將機(jī)組過(guò)渡并穩(wěn)定在后備模式,需要確保ASG汽動(dòng)泵、LLS、水壓試驗(yàn)泵、GCTa的可用性。

另外,為了防止中壓安注罐硼酸及N2注入一回路,一回路壓力必須高于中壓安注罐壓力。

一回路參數(shù)應(yīng)盡可能接近余熱排出系統(tǒng)(RRA)的運(yùn)行參數(shù)范圍,確保電源恢復(fù)時(shí),可隨時(shí)連接RRA。

全廠斷電疊加ASG汽動(dòng)泵喪失事故,由于冷源完全喪失,一回路冷卻劑溫度越低,達(dá)到泡核沸騰時(shí)間越久。所以,一回路溫度應(yīng)盡可能低。

2 CPR1000機(jī)組全廠斷電事故后備模式優(yōu)化

通過(guò)對(duì)全廠斷電事故后備模式確立原則逐項(xiàng)分析,對(duì)比M310機(jī)組和CPR1000機(jī)組的差異,提出CPR1000機(jī)組全廠斷電后備模式優(yōu)化方案。

(1)ASG汽動(dòng)泵的可用性

ASG汽動(dòng)泵由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng),給蒸汽發(fā)生器供水。要驅(qū)動(dòng)ASG汽動(dòng)泵汽輪機(jī)工作,蒸汽發(fā)生器的飽和壓力不能低于其工作最低壓力。自然循環(huán)狀態(tài)下,一回路冷端溫度基本與蒸汽發(fā)生器壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度相同,故要保證ASG汽動(dòng)泵正常工作,一回路冷端溫度不能低于ASG汽動(dòng)泵工作最低壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度。

根據(jù)表1,汽動(dòng)泵最低工作壓力由6.6 bar降至5.3 bar,對(duì)應(yīng)飽和溫度由168℃降至161℃。在確定全廠斷電后備模式參數(shù)時(shí),保證ASG汽動(dòng)泵可用性要求的一回路冷端溫度限值可以由168℃下調(diào)至161℃。

(2)LLS的可用性

LLS系統(tǒng)給水壓試驗(yàn)泵提供380 V應(yīng)急電源,從而在全廠斷電情況下,保證水壓試驗(yàn)泵向主泵提供應(yīng)急軸封水,確保反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)完整性。

LLS系統(tǒng)還向LLS應(yīng)急風(fēng)機(jī)供電,并給兩臺(tái)機(jī)組的LNE360CR配電盤提供220 V應(yīng)急電源,向應(yīng)急設(shè)備和機(jī)組運(yùn)行所需的儀表供電。

M310機(jī)組的LLS為汽輪發(fā)電機(jī)組,驅(qū)動(dòng)蒸汽來(lái)自于蒸汽發(fā)生器,蒸汽壓力應(yīng)高于LLS汽輪機(jī)最低工作壓力,對(duì)應(yīng)的一回路冷端溫度不能低于LLS汽輪機(jī)最低工作壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度。根據(jù)表1,LLS汽輪機(jī)最低工作壓力為6.6 bar,對(duì)應(yīng)的飽和溫度為168℃。但同時(shí),當(dāng)一回路冷卻劑冷端溫度低于190℃時(shí),LLS汽輪發(fā)電機(jī)組將由于功率不足導(dǎo)致啟動(dòng)失敗(功率不足以供應(yīng)水壓試驗(yàn)泵、應(yīng)急通風(fēng)及LNE360CR配電盤)。所以,在確立全廠斷電后備模式參數(shù)時(shí),保證LLS汽輪發(fā)電機(jī)組可用性要求的一回路冷端溫度限值不得低于190℃。

CPR1000機(jī)組,LLS改造為柴油發(fā)電機(jī)組,不再需要蒸汽驅(qū)動(dòng)。因此,LLS系統(tǒng)的可用性與一回路狀態(tài)無(wú)關(guān)。

(3)一回路壓力高于中壓安注罐壓力

中壓安注系統(tǒng)主要由三個(gè)安注箱組成,分別與反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)三個(gè)環(huán)路的冷管段相連,安注箱內(nèi)存放(2400±100)×10-6的硼水,用壓力約42 bar的N2覆蓋。當(dāng)RCP壓力降到安注箱壓力以下時(shí),由N2將硼水注入一回路,淹沒(méi)堆芯。

根據(jù)表1,運(yùn)行技術(shù)規(guī)范的要求:中壓安注罐壓力維持在在41.75～44.3 bar之間。所以,要防止中壓安注罐硼水及N2進(jìn)入一回路,在確定全廠斷電后備模式參數(shù)時(shí),一回路壓力需要高于技術(shù)規(guī)范規(guī)定的中壓安注罐運(yùn)行壓力上限值44.3 bar。

(4)一回路參數(shù)盡可能接近RRA運(yùn)行參數(shù)范圍

根據(jù)表1,RRA連接的一回路溫度范圍為160～180℃,一回路壓力范圍為23～29 bar。

其中180℃是RRA設(shè)計(jì)的最高運(yùn)行溫度,29 bar是RRA泵設(shè)計(jì)的最高運(yùn)行入口壓力。一回路壓力高于23 bar是為了保證主泵一號(hào)軸封壓差高于19 bar,使一號(hào)軸封動(dòng)靜環(huán)分離。160℃對(duì)應(yīng)反應(yīng)堆壓力容器壽期末壓力為161 bar的脆性轉(zhuǎn)變溫度(NDTT)。一回路溫度低于160℃時(shí),若發(fā)生一回路壓力異常升高的事件,可能發(fā)生脆性破裂。

選擇后備模式時(shí),一回路參數(shù)盡量接近RRA運(yùn)行參數(shù)范圍,這樣可以確保電源恢復(fù)時(shí),隨時(shí)連接RRA。

表1 M310和CPR1000機(jī)組設(shè)備運(yùn)行參數(shù)Table 1 Operating parameters of M310 and CPR1000

(5)一回路溫度應(yīng)盡量低

一回路冷卻劑溫度越高,對(duì)應(yīng)的焓值越高。全廠斷電后,如果喪失ASG汽動(dòng)泵,蒸汽發(fā)生器中的余水蒸干后,機(jī)組將完全喪失冷源,一回路冷卻劑溫度將在堆芯加熱下逐漸升高,最終達(dá)到泡核沸騰。而一回路冷卻劑溫度越低,出現(xiàn)這種工況,達(dá)到泡核沸騰時(shí)間就會(huì)越久,對(duì)機(jī)組恢復(fù)電源則越有利。

綜合考慮原則(1)～(4)后,得到后備模式為:一回路冷端溫度高于161℃,一回路壓力高于44.3 bar。再加上原則(5),后備模式一回路冷端溫度確定為161℃。

因此,CPR1000機(jī)組全廠斷電時(shí),后備模式為一回路冷端溫度161℃,一回路壓力高于45 bar,與M310機(jī)組相比,溫度值從190℃下調(diào)到161℃。

3 后備模式參數(shù)優(yōu)化后的安全分析

下調(diào)后備模式溫度參數(shù)后,兩者的區(qū)別在于發(fā)生全廠斷電疊加ASG汽動(dòng)泵喪失事故時(shí),一回路冷卻劑達(dá)到泡核沸騰的時(shí)間長(zhǎng)短不同。如果將后備模式溫度下調(diào)到161℃,與190℃的后備模式溫度相比,將會(huì)為應(yīng)急組織多爭(zhēng)取一段時(shí)間,這段時(shí)間就是一回路冷卻劑溫度從161℃升高到190℃的時(shí)間。

基于TOUTEC Vaporisation and dryingout times程序,分別計(jì)算機(jī)組后撤到190℃和161℃到SG完全蒸干的時(shí)間。

蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水達(dá)到飽和狀態(tài)的能量守恒方程式為:

式中:t0——停堆后的時(shí)間,min;

tebul——蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水達(dá)到飽和狀態(tài)的時(shí)間,min;

Pres(t)——熱功率,MW;

M0——蒸汽發(fā)生器內(nèi)的初始水裝量,t;

P——蒸汽發(fā)生器內(nèi)的壓力,bar;

T0——蒸汽發(fā)生器內(nèi)的初始水溫,℃;

Qapp——蒸汽發(fā)生器的給水流量,t/h;

Tapp——蒸汽發(fā)生器的給水溫度,℃;

hliq——液態(tài)水的比焓,J/kg;

a1——蒸汽發(fā)生器給水吸收的能量,J/h;

b1——蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水達(dá)到飽和狀態(tài)吸收的能量,J。

蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水蒸干的能量守恒方程式為:

式中:tass——蒸汽發(fā)生器的水蒸干的時(shí)間,min;

hvap——水蒸汽的比焓,J/kg;

a2——蒸汽發(fā)生器給水吸收的能量,J/h;

b2——蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水蒸干吸收的能量,J。

使用保守假設(shè),機(jī)組初始工況為滿功率運(yùn)行,全廠斷電后,一回路冷卻劑在自然循環(huán)狀態(tài),操縱員執(zhí)行SOP事故規(guī)程,以28℃/h的速率冷卻一回路,直至達(dá)到后備模式要求的溫度190℃或161℃,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,ASG汽動(dòng)泵隨即喪失,蒸汽發(fā)生器失去全部給水。

ASG汽動(dòng)泵喪失前,蒸汽發(fā)生器水位穩(wěn)定在零功率水位,對(duì)應(yīng)的水裝量為66.6 t(見(jiàn)圖1),ASG汽動(dòng)泵喪失后,蒸汽發(fā)生器中的水裝量逐漸減少直至蒸干。

圖1 SG水裝量-功率對(duì)應(yīng)圖Fig.1 The SG water inventory as the function of the load

根據(jù)表2參數(shù),分別計(jì)算后備模式溫度參數(shù)190℃和161℃時(shí)的蒸汽發(fā)生器蒸干時(shí)間。

表2 參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter setting

最終得到計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results

兩者對(duì)比,蒸汽發(fā)生器完全蒸干相差的時(shí)間為39.02 min。

按保守的假設(shè)計(jì)算,將后備模式溫度參數(shù)從190℃下調(diào)到161℃后,計(jì)算得到的時(shí)間差約40 min,實(shí)際時(shí)間可能更長(zhǎng)。所以下調(diào)全廠斷電事故后備模式溫度參數(shù),將為應(yīng)急組織爭(zhēng)取到更多時(shí)間以恢復(fù)電源,有利于機(jī)組全廠斷電事故處理。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)CPR1000機(jī)組全廠斷電后備模式優(yōu)化分析以及相關(guān)的計(jì)算,可以得到如下結(jié)論:

(1)CPR1000機(jī)組在ASG汽動(dòng)泵和LLS汽輪發(fā)電機(jī)組換型改造后,原M310機(jī)組的全廠斷電后備模式仍然適用,能夠通過(guò)可用的控制手段將機(jī)組過(guò)渡并穩(wěn)定在后備模式,但后備模式參數(shù)存在優(yōu)化空間。

(2)后備模式參數(shù)優(yōu)化后,將全廠斷電后備模式溫度參數(shù)從190℃下調(diào)到161℃,對(duì)于疊加ASG汽動(dòng)泵喪失的情況,將為應(yīng)急組織恢復(fù)電源多爭(zhēng)取到至少40 min的時(shí)間,有利于提升機(jī)組安全水平。