AP1000正常余热排出系统低压注射性能分析

王建伟，王亮亮，李 澍

(深圳中广核工程设计有限公司 上海分公司，上海 200241)

在AP1000核电厂中，由于采用了贯彻非能动设计理念的专设安全设施，正常余热排出系统(RNS)是被作为非安全相关的核辅助系统进行配置和设计的。但出于对核安全纵深防御和电厂经济性保护等因素的考虑，该系统还是被赋予了大量避免专设安全设施不必要启动的纵深防御功能和出于电厂投资保护的重要非安全相关功能。本文针对RNS在小LOCA或非LOCA工况下，为防止“第4级自动卸压系统(ADS)阀门(爆破阀)因堆芯补水箱(CMT)低液位”而动作，进而避免安全壳水淹而需执行的低压注射性能进行定量分析，以计算该功能的容量。

1 RNS低压注射工况

在AP1000核电厂中，RNS被设计成能从乏燃料池冷却系统(SFS)中的装料池(CLP)或非能动堆芯冷却系统(PXS)中的安全壳内置换料水箱(IRWST)吸水，为反应堆冷却剂系统(RCS)提供低压注射[1-3]。在收到ADS信号后，操作员可手动启动RNS。如果RNS可用，当RCS压力低于RNS泵的关闭扬程，RNS即可为RCS提供低压注射。

在收到非LOCA或小LOCA后的ADS信号后，RNS能提供足够的补水，CMT的液位就不会下降到第4级ADS阀门启动的整定点。因此，RNS泵成功运行可防止第4级ADS阀门开启，进而避免安全壳水淹及后续的清理。

如果是LOCA触发的ADS信号，RNS泵从CLP或IRWST吸水对RCS进行补水，可推迟由于CMT液位降低到第4级ADS阀门开启整定值的时间。如果压力容器直接注入管线(DVI)出现破口或断裂时，相邻的CMT会迅速排水，RNS将无法防止第4级ADS阀门动作。

图1为RNS流程简图，图2为RNS与RCS/PXS的接口示意图。图2中，RCP为冷却剂泵，RV为压力容器，SG为蒸汽发生器。

2 接受准则

本文分析的RNS低压注射性能涉及RCS、PXS两个系统，其对应的验收准则如下：

1) RNS每个系列的注射流量不小于单台CMT注射流量(222.58 m3/h)，RNS总流量为445.16 m3/h[1]；

2) DVI注入管嘴处的压力不小于RCS的背压(689.5 kPa)[1]。

3 低压注射性能计算

3.1 计算输入和保守假定

IRWST最佳估算截面积：243.11 m2；CLP截面积：30.94 m2；IRWST/CLP正常液位与RNS泵吸入口的高度差：15.33 m。

保守起见，RNS低压注射过程中，假定RCS压力保持689.5 kPa不变；低压注射流量需保持445.12 m3/h不变；本文计算的管路阻力采用最大估算阻力；RNS泵的扬程曲线采用最小扬程曲线，RNS泵的最小扬程曲线如图3所示。

图1 RNS流程简图

图2 RNS与RCS/PXS接口示意图

图3 RNS泵的最小扬程曲线

3.2 RNS低压注射管路阻力计算

为计算RNS低压注射管路的阻力，将RNS系统管路进行节点划分，具体节点划分示于图4。

为方便不同尺寸管线的阻力R可直接相加减，本文以“m/(m3/h)2”为量纲表示阻力。根据达西公式可知，阻力和压头损失(ΔH)的计算公式[4-6]分别如下：

R=6 382.035f(L/D)/d4

(1)

(2)

式中：f为对应管道尺寸下的湍流摩擦系数；L/D为阻力系数，对于管段，L/D即为管段长度与管道公称直径的比值，对于阀门、三通、孔板等管道部件，L/D可根据水力学计算手册[5-6]直接查知；d为管道内径，mm；Q为管路流量，m3/h。

图4 RNS管道阻力计算节点划分

根据RNS低压注射管路的布置信息，分别计算RNS从IRWST吸水和从CLP吸水的管路阻力。计算结果列于表1、2。

表1 IRWST注射管路的阻力

表2 CLP注射管路的阻力

3.3 RNS低压注射流量的确定

根据3.2节计算的RNS低压注射管路阻力，结合RNS泵的扬程-流量曲线，可迭代计算出在RCS压力为689.5 kPa的工况下，RNS分别从满水位的IRWST、CLP吸水向RCS提供的低压注射流量[7]。计算结果列于表3。

表3 RNS低压注射流量(IRWST/CLP满水位)

3.4 计算RNS防止第4级ADS阀门动作的时间

RNS低压注射工况启动后，保守起见，在假定RCS压力保持不变的情况下，不论注射水源是选自IRWST还是CLP，RNS的低压注射流量均会随水源水位的降低而降低。水源体积变化率与注射流量的关系式如下：

(3)

dH水源=dV水源/S水源

(4)

式中：dV/dτ为水源体积变化率，m3/h；Q(τ)为注射流量，m3/h；S水源为水源的有效截面积，m2。

在RCS的背压、每根DVI管线的最小注射流量需求不变的情况下，根据注射管路的阻力特性和RNS泵的性能曲线可计算出IRWST、CLP的最低液位需求。计算结果列于表4。

表4 IRWST/CLP最低液位

在IRWST/CLP满水位和最低液位之间，给定1组IRWST、CLP液位，计算出对应的RNS低压注射流量。不同液位下IRWST/CLP的注射流量列于表5。IRWST/CLP注射流量与不同液位和RNS泵吸入口高度差间的关系示于图5。

根据IRWST、CLP的液位和RNS泵入口的高度差与低压注射流量的关系可拟合出它们之间的关系式，借助公式拟合软件1stOpt分别得到IRWST、CLP注射流量与水池液位和RNS泵吸入口高度差的关系式如下：

(5)

QCLP=1 445.37+6.36ΔH2+

16 231.14ln ΔH2-55 627.99/ΔH2

(6)

式中：QIRWST为从IRWST吸水的注射流量；QCLP为从CLP吸水的注射流量；ΔH1为IRWST的液位与RNS泵吸入口间的高度差；ΔH2为CLP的液位与RNS泵吸入口间的高度差。

表5 不同液位下IRWST/CLP的注射流量

图5 IRWST/CLP注射流量与液位和RNS泵吸入口高度差间的关系

在给定时间步长的情况下，结合式(2)～(6)即可分别求出IRWST、CLP可保持最小低压注射流量的持续时间，计算结果列于表6。

表6 不同注入时刻下IRWST/CLP的注射流量

4 结论

根据保守假设(RCS压力保持689.5 kPa，注射流量要求保持445.12 m3/h不变，低压注射管路考虑最大阻力，RNS泵考虑最小扬程曲线)下RNS低压注射性能分析的结果表明：

1) 在IRWST/CLP满水位的情况下，不论RNS从哪个水源吸水，其注射流量均能满足最小注射流量需求以阻止CMT水位进一步下降；

2) 在RNS低压注射功能执行期间，随IRWST或CLP水位的下降，RNS可向RCS注入的流量也会随之减少。由于IRWST的水池截面积远大于CLP的，因此，RNS若从IRWST吸水进行低压注射防止CMT水位继续下降的维持时间也远长于CLP的(前者可维持的时间约为125 min，后者约为15 min)。

总之，本文通过水力学计算，验证了AP1000 RNS的低压注射功能；定量分析了RNS从两个可用水源吸水执行低压注射功能的实际容量、可注入时间等参数。这些计算结果不仅可为电厂运行规程的编写提供支撑，方便电厂运行人员了解RNS低压注射的实际性能。同时也为AP1000核电厂概率风险评价工作提供分析依据。

参考文献：

[1] Westinghouse Electric Company. AP1000 design control document, Rev.19[R]. US: Westinghouse Electric Company, 2011.

[2] 孙汉虹. 第三代核电技术AP1000[M]. 北京：中国电力出版社，2010.

[3] 林诚格. 非能动安全先进核电厂AP1000[M]. 北京：原子能出版社，2008.

[4] 杜广生. 工程流体力学[M]. 北京：中国电力出版社，2004.

[5] 王精铎，沈聚泉. 通过阀门、管件和管线的流体运动[M]. 上海：上海科技文献出版社，1992.

[6] Crane Company. Flow of fluids through valves, fittings and pipe[R]. US: Crane Company, 2009.

[7] 郭立君，何川. 泵与风机[M]. 3版. 北京：中国电力出版社，2004.