核電廠安全殼地坑補水排氣裝置改造方案研究1

1、 核電廠安全殼地坑補水排氣裝置改造方案研究 摘要：核電廠安全注入系統(tǒng)、安全殼噴淋系統(tǒng)在維持反應堆水裝量、帶走堆芯熱量、維持第三道安全屏障的完整性等方面發(fā)揮重要作用。在國內(nèi)外核電廠運行過程中，發(fā)現(xiàn)安全殼地坑存在一系列風險和問題。本論文主要針對相關(guān)風險與問題，為核電廠安全殼地坑補水排氣裝置改造提供了合理的建議方案，可有效解決目前存在問題。關(guān)鍵詞：核電廠；安全系統(tǒng)；補水排氣裝置；改造a study on the retrofit scheme of the makeup water and exhaust device in the containment sump of nuclear power

2、 plantcheng changsheng(suzhou nuclear power research institute , shenzhen, 518000, china)abstract： the safety injection system and the containment spray system play an important role in maintaining the reactor water load, removing core heat and maintaining the integrity of the third safety barrier i

3、n nuclear power plants. in the process of nuclear power plant operation at home and abroad, a series of risks and problems have been found in the containment sump. aiming at the relative risks and problems, this paper provides a reasonable proposal for the modification of the water refilling and exh

4、aust device in the containment sump of the nuclear power plant, which can effectively solve the existing problems.key words：nuclear power plant; safety system; makeup water and exhaust device; transform1 引言核電站的設(shè)計必須滿足在各類工況下保證機組安全停運并維持在安全狀態(tài)、保證堆芯余熱導出、保證放射性釋放在可接受限值范圍內(nèi)的三方面要求，保證核電站三道屏障的完整性，確保對公眾與環(huán)境的安全性。為此

5、核電站設(shè)置了專設(shè)安全設(shè)施，其中重要組成部分包括核電廠安全注入系統(tǒng)（ris）和安全殼噴淋系統(tǒng)（eas）1。根據(jù)法國電力集團（edf：eelectricite de france）經(jīng)驗反饋，edf對所屬部分核電廠ris/eas地坑存在的一系列風險和問題進行了研究，包括：1. ris/eas地坑及吸入管線排氣不充分2。2. ris/eas地坑吸入管線水位過低，可能引起隔離閥鍋爐效應3。3. ris/eas地坑吸入管線充注除鹽水，存在不均勻稀釋的風險。針對這些問題，參考edf經(jīng)驗反饋及所做的相關(guān)改進，本改造主要內(nèi)容為：安裝ris/eas地坑液位監(jiān)測裝置、安裝ris/eas地坑含硼補水管線、在高點安裝排

6、氣管線。通過實施本改造可以解決上述問題，提高機組運行的安全可靠性。2 核電廠專設(shè)安全設(shè)施壓水堆核電廠從系統(tǒng)設(shè)計角度配置了專設(shè)安全設(shè)施，用于在一次側(cè)反應堆冷卻劑系統(tǒng)發(fā)生破口事故或二次側(cè)汽水循環(huán)回路失效時，為了保證反應堆熱量的導出和安全殼的屏蔽性，緩解事故的進程和降低事故的影響。以國內(nèi)某核電廠為例，具體的系統(tǒng)包括4：安全注入系統(tǒng)、安全殼噴淋系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器輔助給水系統(tǒng)、安全殼隔離系統(tǒng)、安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)。安全注入系統(tǒng)的功能是：（1） 當一回路平均溫度由于一回路小破口失水事故時或在二回路蒸汽管道破裂導致降低，一回路冷卻劑將由于溫度降低發(fā)生收縮，一回路可通過安全注入系統(tǒng)（ris）進行補水，穩(wěn)壓器水位

7、得以保證；（2） 在一回路發(fā)生大破口失水事故時，安全注入系統(tǒng)向堆芯注入高濃度硼酸溶液，維持水裝量，堆芯得以再次淹沒并冷卻，燃料元件溫度的上升速率受到限制；（3） 在二回路蒸汽管道發(fā)生破口時，為防止堆芯重返臨界，高濃度硼酸溶液向一回路注入，由于反應堆冷卻劑連續(xù)降溫而引入的正反應性得到補償。安全殼作為阻擋一回路放射性物質(zhì)進入環(huán)境的第三道屏障，在核電廠安全方面，發(fā)揮著重要作用。當反應堆冷卻劑系統(tǒng)發(fā)生失水事故，或者安全殼內(nèi)蒸汽管道發(fā)生破裂事故時，大量的高溫、高壓的蒸汽釋放進入安全殼空間，安全殼內(nèi)溫度和壓力不斷升高。安全殼噴淋系統(tǒng)（eas）的功能就是通過噴淋冷卻水，將安全殼內(nèi)高溫、高壓的蒸汽冷凝，不斷降

8、低安全殼內(nèi)壓力和溫度，直到設(shè)計要求范圍內(nèi)，安全殼的完整性得以保證。它是專設(shè)安全設(shè)施的各個系統(tǒng)中，唯一自帶冷源的安全系統(tǒng)5。3 核電廠安全殼地坑改造方案研究3.1 增加地坑水位測量裝置核電廠ris/eas地坑在電站運行期間由于蒸發(fā)和泄漏等原因使得地坑和吸入管線中水逐漸減少，由于無法監(jiān)測水位變化并及時補水，導致一回路冷卻劑系統(tǒng)發(fā)生破口事故情況下，ris/eas系統(tǒng)切換至再循環(huán)階段存在失效風險，也會造成系統(tǒng)閥門由于鍋爐效應而無法正常開啟?；谝陨锨闆r，需在核電廠安全殼地坑加裝水位測量裝置測量水位，在機組正常運行期間，在地坑水位低時進行補水。水位計安裝布置如圖3.1所示，水位計包括三部分，即變送器、毛

9、細管和傳感器，變送器安裝在環(huán)廊內(nèi)側(cè)墻壁上，采用膨脹螺栓固定，毛細管連接變送器及傳感器，毛細管在環(huán)廊墻面部分采用電纜橋架進行保護，為了便于水位計檢修，在環(huán)廊地面部分通過在地面開槽且上面覆蓋不銹鋼板進行保護，毛細管穿過過濾器基座和地坑外水泥地面交界處進入地坑，在過濾器基座和地面之間安置密封件一方面保護毛細管，另一方面防止雜物進入地坑，密封件也設(shè)計為可拆卸結(jié)構(gòu)。毛細管進入地坑后與傳感器進行連接，地坑傳感器安裝于地坑內(nèi)的支撐筒中，通過支撐筒固定在地坑側(cè)面墻壁面上。圖3.1 ris/eas地坑水位計安裝示意圖3.2 增加地坑補水管線以國內(nèi)某核電廠為例，每次機組大修期間會向地坑及吸水管線充注除鹽水，因此地

10、坑中起始水為除鹽水，當發(fā)生事故時，在直接注入階段ris/eas系統(tǒng)直接從換料水箱取水注入堆芯，但在再循環(huán)階段時，地坑立管中除鹽水首先將被注入堆芯，因此直接注入階段和再循環(huán)階段起始時ris/eas注入堆芯的水并不一致，兩個階段的注入過程存在不均勻稀釋的風險，改造方案為補充含硼水。ris/eas系統(tǒng)流程以及管線改造范圍如圖3.2所示。圖3.2 ris/eas系統(tǒng)流程圖及改造位置換料水箱布置在反應堆廠房外，儲存含硼水，反應堆換料前用來為反應堆換料水池充滿水，同時它又是ris和eas系統(tǒng)的水源。換料水箱距離ris/eas地坑高約4.5m，電站運行期間水位約為15.6 m，換料水箱與ris/eas地坑之

11、間的位置壓頭約20米，因此完全可以利用重力作用直接將換料水箱的水注入地坑。即由換料水箱下游的低壓安注泵/安全殼噴淋泵吸水管線上分別引出一條管線將換料水箱的水充注ris/eas地坑吸入管線。如圖3.2所示，ris系統(tǒng)地坑補水管線與ris系統(tǒng)地坑和低壓安注泵管線相連接。根據(jù)系統(tǒng)流程圖，ris系統(tǒng)低壓安注泵出口一路通過隔離閥接到高壓安注泵吸入聯(lián)箱上為高壓安注泵增壓，當反應堆正常運行時，高壓安注管線上相關(guān)閥門平常均處于關(guān)閉狀態(tài)，因此補水不會對高壓安注系統(tǒng)造成影響；另一路與反應堆冷卻劑系統(tǒng)的冷、熱段相連接，當反應堆正常運行時，低壓安注泵均是不工作的，此時熱管段注入管線的隔離閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，冷段注入管線

12、隔離閥處于開啟狀態(tài)，但反應堆冷卻劑系統(tǒng)正常運行時壓力維持在155bar，遠高于換料水箱內(nèi)換料水靜壓力，水不會進入反應堆冷卻劑系統(tǒng)的冷、熱段，不會對反應堆冷卻劑系統(tǒng)造成影響；此外，通往換料水箱小流量管線上的相關(guān)閥門處于開啟狀態(tài)，由于換料水箱坐標位置高，補水不會影響到換料水箱。綜上所述，ris地坑補水不會對反應堆系統(tǒng)造成影響。如圖3.2所示，eas系統(tǒng)地坑補水管線與eas系統(tǒng)地坑和安全殼噴淋泵管線相連接。根據(jù)系統(tǒng)流程圖，eas系統(tǒng)安全殼噴淋泵出口接至安全殼噴淋，但管線上的安全殼隔離閥在反應堆正常運行時是關(guān)閉的，以防止由于噴淋泵事故啟動造成誤噴淋，與其相連接管線上的閥門，以及通往ris系統(tǒng)的閥門均處

13、于關(guān)閉備用狀態(tài)。因此，eas地坑補水不會對反應堆系統(tǒng)造成影響。ris系統(tǒng)補水管線規(guī)格確定方法如下：地坑容積（以ris地坑為例）： 。 （3-1）ris地坑內(nèi)吸水管線容積（管線規(guī)格為355.64.8mm）： （3-2）設(shè)環(huán)境壓力0.1mpa，溫度30，密度995kg/m3，則地坑水容量： kg （3-3）補水從“低低”（-3.70）位到“高”（-3.54）位水位變化16cm，補水量為 （3-4）假設(shè)5min內(nèi)可以完成補水操作，則補水流量為： 。 （3-5）綜合考慮補水時間及管線阻力，設(shè)定管內(nèi)流體流速為1.5m/s。 ，因此： （3-6）因此補水管線內(nèi)徑約22mm可滿足灌水需要，按照標準規(guī)整管線規(guī)

14、格ansi/asmeb36.19m，管徑設(shè)定為dn20mm（3/4英寸），即26.72.11mm。補水管材料選用某種材質(zhì)不銹鋼，管道規(guī)格及材料應滿足rccm相關(guān)規(guī)定。3.3 增加ris/eas泵入口逆止閥排氣管線安全注入ris泵/安全殼噴淋eas泵吸入管線上的排氣管均未設(shè)置在相應管線的最高點上，而管線最高點位置在止回閥頂部，在這種情況下，現(xiàn)場充水排氣過程無法將止回閥中空氣完全排空，會造成止回閥后端的ris/eas泵凈正吸入壓頭降低并在系統(tǒng)轉(zhuǎn)入再循環(huán)階段時系統(tǒng)流量瞬間減少，嚴重時無法實現(xiàn)ris/eas系統(tǒng)的再循環(huán)，存在重大核安全風險。因此，基于以上情況需對核電廠ris/eas系統(tǒng)管線上處于最高點

15、位置的止回閥進行改造處理，根據(jù)止回閥結(jié)構(gòu)在其頂部開孔并安裝排氣管線，改造后系統(tǒng)如圖3.3所示。圖3.3 現(xiàn)場排氣管線示意圖（改造后）ris/eas泵入口管線逆止閥為旋啟式逆止閥，為水平安裝。排氣管線直接在逆止閥閥蓋頂部中心位置開孔，開口位置如圖3.4所示，根據(jù)rccm開孔補強相關(guān)規(guī)定，閥蓋開孔不需要進行開孔補強。通過計算分析，增加排氣管線不會影響閥門安全性能及正常使用，開孔不需要進行開孔補強。圖3.4 止回閥開孔示意圖4 小結(jié)本論文論述了核電廠專設(shè)安全設(shè)施的作用，然后通過論述核電廠安全殼地坑存在的安全問題，從而引出本論文研究的主要工作。本論文就增加地坑水位測量裝置、增加地坑補水管線、增加ris/eas泵入口逆止閥排氣管線進行了論述和研究，對于核電廠安全殼地坑補水排氣裝置未換型或存在差異的核電廠有較強的借鑒和參考意義，有一定的推廣價值。誠然，核電廠安全殼地坑補水排氣裝置改造方案研究在核安全方面帶來了不小的收益，但從文中論述可以看出補水排氣裝置仍存在較大的優(yōu)化空間，離自動化、數(shù)字化、智能化控制還有不小的距離。仍需勇于開拓思路，深入研究，利用科技創(chuàng)新手段不