基于模塊化設計思路的小型壓水堆余熱排出系統(tǒng)與凈化系統(tǒng)集成設計

摘" 要：該文以小型壓水堆余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)的集成設計為例，提出一種基于模塊化設計思路。這種方法包括考慮法律法規(guī)要求、堆型總體設計要求、系統(tǒng)功能性要求、系統(tǒng)性能要求、接口性要求及經(jīng)驗反饋等多個方面。通過模塊化設計，可以更靈活地應對不同的設計需求。該文以小型壓水堆余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)為例，展示如何通過設備模塊化分解與集成，實現(xiàn)系統(tǒng)的多功能集成。通過共用換熱器、泵等設備，可以顯著減少設備數(shù)量，簡化系統(tǒng)工藝。

關鍵詞：模塊化；余熱排出系統(tǒng)；凈化系統(tǒng)；集成設計；多功能

中圖分類號：TM623" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）07-0001-04

壓水堆核電站余熱排出系統(tǒng)一般用于機組啟停期間的堆芯余熱排出。在正常冷卻停堆的第二階段，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)不可用時，由余熱排出系統(tǒng)將堆芯余熱通過設備冷卻水傳輸至最終熱阱，使反應堆冷卻劑的溫度以可控的方式持續(xù)降低。部分堆型余熱排出系統(tǒng)還負責換料水池或換料水箱的溫度控制。壓水堆核電站凈化系統(tǒng)一般用于一回路的容積控制功能、化學控制功能和反應性控制。此外，凈化系統(tǒng)根據(jù)堆型總體設計要求的不同，還可執(zhí)行為主泵提供軸封水，為穩(wěn)壓器提供輔助噴淋水，防止一回路處于單相時的超壓以及充水排氣和水壓實驗等一系列輔助功能。

本文主要通過分析對比目前各類型反應堆的余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)的方案設計、結(jié)合不同類型的反應堆總體設計思路，模塊化設計有助于通過不同的組合模塊來構(gòu)成不同的產(chǎn)品[1]。通過模塊化系統(tǒng)功能分析討論壓水堆核電站余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)設計方法，并根據(jù)不同應用場景提供合適系統(tǒng)設計優(yōu)化建議。

1" 主要堆型相關系統(tǒng)設計說明

目前，世界范圍內(nèi)各主流壓水堆針對余熱排出和凈化兩大主要輔助功能的系統(tǒng)設計差異較大。目前，譚彥標[2]對AP1000與M310機組的余熱排出系統(tǒng)進行對比分析時，提出了AP1000機組的優(yōu)化方向。第二代核電堆型諸如CPR1000一般將余熱排出功能和凈化功能分別設置2個不同系統(tǒng)。該種設計理念可以使各系統(tǒng)功能更加明確，但也會導致設備數(shù)量多，系統(tǒng)工藝復雜。近些年來，各國著手設計并建設第三代核電堆型以及推進小型壓水堆的研發(fā)，逐漸將不同功能的系統(tǒng)進行合并，以期達到系統(tǒng)工藝優(yōu)化的效果。本文將對幾種典型壓水堆余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)進行分析，分析在壓水堆余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)設計中應考慮的重要因素。

1.1" EPR堆型相關系統(tǒng)設計方案

EPR堆型充分整合了安全注射系統(tǒng)和余熱排出系統(tǒng)的運行特點，將這2個系統(tǒng)進行合并，使其相同的設備在不同工況執(zhí)行不同的功能，從而使得系統(tǒng)合并。EPR堆型凈化系統(tǒng)單獨設置，且根據(jù)一回路設計特點而設置加氫站、容控箱等設備以執(zhí)行不同的輔助功能。該堆型安全注入和余熱排出系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

1.2" AP1000堆型相關系統(tǒng)設計方案

AP1000堆型為簡化系統(tǒng)設計，滿足堆型總體設計要求，其余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)根據(jù)一回路總體設計方案進行一定程度的優(yōu)化和改進。主要包括以下幾個方面。

AP1000主泵采用屏蔽離心泵，無須保持連續(xù)的上充下泄流量，因此在凈化系統(tǒng)設計中可以無須考慮泵持續(xù)供給流量的功能。

AP1000采用高壓加氫的方式，因此其凈化功能無須使用容控箱注氫。

AP1000加硼調(diào)節(jié)方法不同，采用灰棒完成負荷跟蹤。

因此AP1000的凈化系統(tǒng)采用全壓設計，系統(tǒng)循環(huán)由主泵提供壓頭，簡化了泵、減壓裝置的使用，使整體系統(tǒng)工藝配置大幅度簡化。該凈化系統(tǒng)共設置1臺換熱器、1臺再生式換熱器、除鹽床以及過濾器等。

在該堆型中設置單獨的余熱排出系統(tǒng)，該系統(tǒng)為非安全級系統(tǒng)。在非能動安全系統(tǒng)成功緩解事故之后，可由該系統(tǒng)將熱量從堆芯導出。該系統(tǒng)共設置2臺換熱器、2臺余熱排出泵等。該堆型正常余熱排出系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

1.3" KLT-40S系統(tǒng)設計方案

KLT-40S系統(tǒng)設計方案采取不同的設計思路，該堆型將余熱排出系統(tǒng)與凈化系統(tǒng)高度集成，通過一套系統(tǒng)、設備共用的方式執(zhí)行余熱排出和一回路凈化兩大核心輔助功能。該堆型系統(tǒng)設計特點如下。

該系統(tǒng)設置1臺換熱器執(zhí)行堆芯余熱排出、一回路凈化冷卻以及回流再熱的功能。由于該堆型換熱器執(zhí)行多個功能，因此該換熱器設計更為復雜，存在一回路冷卻流道以及再熱隔腔。

該系統(tǒng)設置2臺泵為系統(tǒng)循環(huán)提供壓頭。

該系統(tǒng)將過濾器與除鹽床集成為1臺一體式凈化過濾裝置，減少設備使用。

該系統(tǒng)采用全壓設計，減少降壓裝置的使用。

因此，該堆型余熱排出和凈化系統(tǒng)總體設計更為簡單，系統(tǒng)集成性更高。但該系統(tǒng)全部布置在安全殼中，增大了安全殼內(nèi)的布置壓力。該系統(tǒng)余熱排出和凈化系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

1.4" 系統(tǒng)優(yōu)化方式

根據(jù)以上典型堆型的設計方案分析，其相關系統(tǒng)的設計思路和方案均有所不同，詳見表1。

通過各堆型相關系統(tǒng)對比可以看出，余熱排出和凈化系統(tǒng)的設計方式受諸多因素影響。根據(jù)堆型總體設計要求、接口系統(tǒng)設計方案、布置要求等多種因素的不同形成不同的系統(tǒng)設計特點。

2" 模塊化系統(tǒng)設計思路

核電工藝系統(tǒng)設計是一門技術，同樣也是一門藝術，不同的系統(tǒng)設計工程師設計出的系統(tǒng)方案可能會存在較大差別。本節(jié)將通過模塊化系統(tǒng)設計思路方式為系統(tǒng)設計工程師提供一些系統(tǒng)設計思路和幫助。

余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)屬于核電關鍵核輔助系統(tǒng)。在系統(tǒng)設計之初，可將核輔助系統(tǒng)的設計影響因素進行模塊化拆分和分析。

對于核電關鍵核輔助系統(tǒng)的設計因素模塊化分解如圖4所示，主要包括6部分內(nèi)容：法律法規(guī)要求、堆型總體性設計要求、系統(tǒng)功能性要求、系統(tǒng)性能要求、接口性要求和經(jīng)驗反饋。

2.1" 法律法規(guī)要求

在核電關鍵核輔助系統(tǒng)的設計之初應明確國家相關法律法規(guī)的要求與規(guī)定以及相關的國家標準和行業(yè)標準。該部分內(nèi)容一般會根據(jù)所研發(fā)的項目預期應用場景等因素由項目總體方進行規(guī)定。

2.2" 堆型總體設計要求

該部分因素應考慮堆型總體對余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)的影響和要求。尤其對于不同堆型的不同應用下，其環(huán)境要求和空間尺寸要求會有較大不同。對于目前小型壓水堆的應用情況來看，海洋和陸地2種不同的應用場景對系統(tǒng)設計將會產(chǎn)生較大影響，尤其是部分應用于破冰船、浮動平臺的小型壓水堆，對空間尺寸提出更高的要求和挑戰(zhàn)，這就使得系統(tǒng)設計中應著重考慮系統(tǒng)集成與簡化。

2.3" 系統(tǒng)功能性要求

在系統(tǒng)設計的初期，應根據(jù)堆型的總體架構(gòu)充分考慮系統(tǒng)的功能要求，包括系統(tǒng)應執(zhí)行的安全功能、運行功能以及輔助功能。系統(tǒng)執(zhí)行的功能不同，這將直接影響系統(tǒng)的設計方案。如余熱排出系統(tǒng)需執(zhí)行事故后應急帶熱的安全功能，則在系統(tǒng)設計過程中應充分考慮其單一故障等因素。

2.4" 系統(tǒng)性能要求

在系統(tǒng)定容設計與計算過程中，應充分結(jié)合堆型經(jīng)濟性、可靠性、布置空間等因素對系統(tǒng)性能進行評判。如對于系統(tǒng)泵的設計，應充分考慮1臺泵100%負荷和2臺泵每臺泵50%負荷所帶來的不同影響。

2.5" 接口性要求

在系統(tǒng)設計中，應充分考慮多系統(tǒng)之間的接口以及影響，充分考慮不同系統(tǒng)之間的設備共用的可能性，如EPR堆型低壓安注泵同時執(zhí)行安注和余熱排出2大功能，對系統(tǒng)進行簡化。此外還應考慮安全等級更高的系統(tǒng)與相關系統(tǒng)的接口，一同考慮系統(tǒng)接口和共用部分的可靠性以及安全性。

2.6" 經(jīng)驗反饋

在系統(tǒng)設計中應充分考慮相關在運堆型相近系統(tǒng)在設計、運行和維護中的經(jīng)驗反饋，以便減少設計中的重復性問題。

3" 小型壓水堆余熱排出和凈化系統(tǒng)模塊化設計思路

3.1" 基于系統(tǒng)主要功能的設備模塊化分解與集成

本文以余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)為例，考慮系統(tǒng)集成多功能時不同功能模塊在系統(tǒng)中的實現(xiàn)方式?？蓪⒉煌到y(tǒng)的不同功能所配置的設備進行分解與集成，如圖5所示。

針對小型壓水堆余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)的主要功能進行分解并配置實現(xiàn)該功能的設備從而對多系統(tǒng)進行集成。其中余熱排出系統(tǒng)主要執(zhí)行堆芯余熱排出功能，為此該系統(tǒng)需要具備溫度控制能力和流量控制能力，因此該系統(tǒng)需要配置換熱器與泵以滿足上述功能要求。對于一回路凈化系統(tǒng)需要進行一回路水質(zhì)調(diào)節(jié)、pH控制、流量控制、溫度控制以及一回路冷卻水含氧量控制，為此需要配置換熱器、泵、過濾器、樹脂床和容控箱等設備。

在設備的模塊化分解后，可以清楚看到對于余熱排出和凈化系統(tǒng)集成應該采用設計思路，即對于相同設備進行共用性分析。在這2個系統(tǒng)中可以優(yōu)先考慮2個系統(tǒng)的換熱器、泵的集成。

此外，為更好地簡化系統(tǒng)設計方案，可以通過該方式將多個系統(tǒng)進行模塊化分解和分析。

3.2" 模塊化設計中的多因素影響分析

在系統(tǒng)模塊化設計中，應充分考慮結(jié)合前文中的各方面因素進行考慮和分析。在余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)的集成設計中，應考慮所處堆型的總體設計要求，諸如在一回路冷卻劑含氧量控制中，若考慮高壓加氫方案或化學除氧方案則系統(tǒng)可考慮全壓設計。若一回路采用氮氣穩(wěn)壓的方式則系統(tǒng)可考慮去除容控箱。

此外，可以根據(jù)國內(nèi)最新的設備研發(fā)成果，對各模塊進行集成和合并，諸如KLT-40S的設計方案將過濾器與除鹽床進行集成，極大簡化系統(tǒng)工藝方案。

在該系統(tǒng)的集成設計中，還需要綜合考慮接口系統(tǒng)對其的影響，以及輔助功能的實現(xiàn)。如是否考慮安注系統(tǒng)與該系統(tǒng)共用接口以及該系統(tǒng)是否仍需執(zhí)行其他的輔助功能。

4" 結(jié)論

本文提出了一種模塊化系統(tǒng)設計思路，在模塊化設計中，應充分考慮法律法規(guī)要求、堆型總體設計要求、系統(tǒng)功能性要求、系統(tǒng)性能要求、接口性要求以及經(jīng)驗反饋等因素。這些因素共同影響著系統(tǒng)的最終設計和優(yōu)化。通過對核電關鍵核輔助系統(tǒng)的設計影響因素進行模塊化拆分和分析，系統(tǒng)設計工程師可以更靈活地應對不同的設計需求。模塊化設計不僅有助于簡化系統(tǒng)工藝，還能提高系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。

參考文獻：

[1] GU Ｐ， ＨＡＳＨＥＭＩＡＮ Ｍ， ＳＯＳＡＬE S .An integrated modular design methodology for life-cycle engineering[J].CIRP Annａｌｓ，１９９７（１）：４6.

[2] 譚彥標.AP1000與M310機組余熱排出系統(tǒng)對比及優(yōu)化分析[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2019（7）：41-43.

Abstract： This paper takes the integrated design of the residual heat removal system and purification system for small PWR as an example， and proposes amodular design idea. This method includes considering legal and regulatory requirements， overall design requirements for heap types， system functional requirements， system performance requirements， interface requirements and experience feedback. Through modular design， different design needs can be more flexibly responded to. This paper takes the waste heat removal system and purification system of a small pressurized water reactor as examples to show how to achieve multi-functional integration of the system through modular decomposition and integration of equipment. By sharing equipment such as heat exchangers and pumps， the number of equipment can be significantly reduced and the system process can be simplified.

第一作者簡介：李海陽（1994-），男，工程師。研究方向為核電工藝系統(tǒng)研究。