華龍一號非能動安全殼熱量導出系統管道布置優化分析

蘭燕華，甘同昌，費羅杰

（中核國電漳州能源有限公司，福建 漳州 363300）

自然循環是在重力作用下，利用流體密度差產生的驅動力驅動冷卻劑流動。建立長期、穩定的自然循環，關鍵在于冷熱源之間的高度差和冷熱水之間的密度差。自然循環技術的應用減少了對外部電源的依賴，提升了核電機組的安全性。華龍一號機組采用“能動+非能動”技術，其中非能動系列——非能動安全殼熱量導出系統（PCS）即是利用自然循環原理導出安全殼熱量，從而實現安全殼降溫降壓。

圖1 PCS單系列流程簡圖Fig.1 PCS Single series flow chart

1 PCS系統介紹

1.1 系統組成和功能

華龍一號非能動安全殼熱量導出系統設置3個相互獨立的系列，每個系列包括兩組換熱器、兩臺汽水分離器、一臺換熱水箱、一臺導熱水箱，以及連接水箱和換熱器的系統管道和閥門等[1]。PCS單系列流程簡圖如圖1所示。

1.2 系統設備布置

PCS換熱器組設計運行最高溫度為190℃，內部設計壓力0.65 MPa.a，換熱器本身垂直高度為5.5m；PCS的3個換熱水箱環形布置于安全殼外，水箱位于安全殼標高50.6m～55.6m處，設計壓力0.2MPa.a；用于連通換熱器和換熱水箱的安全殼貫穿件，下降管貫穿件標高為40.75m，上升管貫穿件標高為39.80m，主管道上重要閥門均位于安全殼外。

1.3 系統運行原理

核電站發生超設計基準事故時，安全殼內壓力、溫度上升。當安全殼壓力或者溫度達到PCS觸發定值時，系統下降管（簡稱冷管）上的電動隔離閥接受來自主控室或應急指揮中心的開啟信號打開。

如果安全殼內發生大量質能釋放事故，大量高溫蒸汽或蒸汽-空氣等混合而成的不凝結氣體，從安全殼下部不斷上升沖刷PCS換熱器外表面。PCS換熱器受高溫混合氣體的加熱，同時高溫氣體在PCS換熱器外表面冷卻甚至凝結，放出熱量。這些熱量由換熱器內的低溫水吸收，換熱器內部低溫水受熱后溫度升高、密度變小，在重力作用下沿換熱器出口上升管道（簡稱熱管）上升，進入安全殼外的換熱水箱中。換熱水箱中的較低溫度的冷卻水密度較大，從換熱水箱底部的出口沿系統冷管進入換熱器，繼續吸收安全殼內的熱量，如此通過冷熱管之間的密度差，建立自然循環，將安全殼內熱量轉移至PCS換熱水箱。

2 原PCS系統管道布置分析

2.1 事故工況下自然循環壓頭

在事故工況下，假設PCS由對應換熱器出口溫度高（115℃）信號觸發，PCS換熱器垂直高度5.5m，PCS水箱正常液位下，換熱器出口位置壓力大約為0.186MPa.g。事故時，在該壓力下液體沸騰前就會觸發PCS，不會造成換熱器和熱管中的水沸騰。在不考慮PCS冷熱管也被安全殼內高溫加熱的情況下，PCS自然循環驅動壓頭可以通過公式（1）（柏努利方程）在換熱器底部計算得到：

其中：P1，P2為冷管和熱管對應區域所在環境壓力；V1,V2為冷管和熱管內流體流動速度；ρ1ΔE為形阻和摩擦損失；h1為換熱器高度。

冷熱管最終都通往換熱水箱并與大氣相連：P1=P2。

PCS觸發初始階段流體靜止：V1=V2=0。

閥門打開瞬間流體靜止，忽略形阻和摩擦損失：ρ1ΔE=0。

理論上，冷管和熱管中存在密度差的高度h1為5.5m。

換熱水箱常溫（選取20℃計算）情況下，水的密度為ρ1=998kg/m3；而PCS觸發時，水溫115℃對應的水密度為ρ2=947kg/m3，將以上數據代入公式（1）可以得到換熱器底部兩端壓差為2749 Pa。

2.2 原設計對自然循環建立的影響

華龍一號設計為雙層安全殼布置，PCS貫穿件區域水平長度最少4.6m。每個PCS換熱器有效容積為1.15m3，每個系列中有2個PCS換熱器，分析計算中選其密度從998kg/m3吸熱后變成947kg/m3，且排出的水溫度全部為115℃，那么由于PCS換熱器內部冷卻水受熱膨脹排出水體積：

PCS系統熱管內徑314.8mm[2]，熱管在安全殼內的管道長度為垂直段加上水平段，總長度約9m。保守計算，將PCS熱管的吸熱膨脹亦考慮在內，且吸熱后水溫同樣為115℃，熱管中水吸熱膨脹體積如下：

圖2 原PCS系統管道布置圖Fig.2 Piping layout of original PCS system

PCS熱管貫穿安全殼水平管道段的貯水體積為0.358m3；PCS換熱器組和管道水吸熱膨脹排出水的體積（2）、（3）之和為0.158m3。熱管水平管道貯水量要比PCS換熱器組和管道水吸熱膨脹體積大。該段水平管位于安全殼的環形空間和混凝土墻中，在正常運行工況下管道內部水溫不受安全殼溫度變化影響，在PCS受熱膨脹時，該段水平管道足夠容納PCS換熱器受熱膨脹、殼外垂直段熱管溫度不受膨脹水影響。因此，換熱器內水溫升高膨脹對初始自然循環驅動壓頭無影響。

電廠正常運行或者瞬態工況下，安全殼內溫度可控且PCS管道在電廠正常工況下為常溫水，PCS在安全殼內管道未設置保溫層。事故工況下，在蒸汽管線和一回路破口較小時，安全殼溫度和壓力上升速度較慢，此時蒸汽—不凝結氣體在PCS冷管和熱管凝結放熱或者冷卻，對應管道內水吸熱升溫。

在標高39.8m～40.75m中，PCS冷管的溫度比熱管溫度高（該段標高處，冷管在安全殼內，而熱管已穿出至安全殼外）。由于初始狀態下PCS系統處于備用狀態，PCS冷管的隔離閥關閉，熱管隔離閥開啟，所以安全殼內的冷管溫度上升后，冷管段水的膨脹會使水向下朝PCS換熱器底部流動[3]。在上述假定事故工況下，PCS冷管有0.95m垂直高度水的密度低于熱管，該高度區流體密度差形成的驅動壓頭與PCS換熱器水溫升高驅動PCS壓頭剛好方向相反，即冷管溫度的上升會造成PCS觸發時初始自然循環驅動力下降。當前PCS現場布置如圖2所示。

3 PCS系統管道布置優化建議

由第2節分析可知，上述假定事故工況會對PCS系統帶出安全殼內熱量產生不利影響。在設計上，如果能對PCS系統布置進行優化，提升其初始自然循環驅動壓頭，將進一步降低安全殼峰值壓力，確保安全殼的完整性。華龍一號機組PCS系統的現場布置，可在以下方面進行優化和改進：

表1 PCS冷熱管貫穿件互換及高度調整前后參數對比Table 1 Comparison of PCs cold and heat pipe penetration parameters before and after interchangeability and height adjustment

圖3 改進后的PCS布置圖Fig.3 Layout of improved PCS

1）將PCS冷管和熱管貫穿安全殼的位置進行互換，提高熱管的安全殼貫穿件高度并降低冷管安全殼貫穿件的高度。在假定事故下，PCS系統觸發時的自然循環驅動壓頭相對當前管道布置將得到進一步提升。

2）結構布置允許下，將PCS冷管的安全殼貫穿件布置在32m（該高度為PCS換熱器組下部標高）以上，但盡量低的位置；PCS熱管管道安全殼貫穿件設置于50.6m以下，但盡量高的位置。

PCS管道布置優化后，自然循環初始驅動壓頭見表1；改進后的PCS管布置如圖3所示。

由于PCS管道需要貫穿安全殼，實際布置中PCS管道還需要避開諸多設備。第1方案由于冷管和熱管管徑不同，但因為只是互換貫穿件位置，對安全殼廠房內外設備布置的變動影響較小；第2方案對安全殼結構影響較大，需要在電廠設計初期進行充分考慮，但從長遠來看，該方案對PCS系統自然循環建立更為有利[4]。在運行機組中則可以考慮為殼內冷管增加保溫層，或者在安全殼溫度和壓力不可控的緩慢上升事故中，考慮提前手動觸發PCS，以保證自然循環的順利建立。

4 結語

本文對華龍一號機組非能動安全殼熱量導出系統管道布置方案進行了深入分析，充分考慮了事故工況下PCS觸發時管道實際布置對PCS建立自然循環的影響。基于以上分析結果，提出了非能動安全殼熱量導出系統管道布置的幾種優化方案，以提升事故工況下非能動安全殼熱量導出系統的初始自然循環驅動壓頭，加強安全殼內熱量導出效能，降低安全殼內峰值壓力和溫度，確保安全殼完整性。