端屏蔽冷却系统堆腔最大补水速率估算

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  DOI:10.16660/j.cnki.1674-098x.2101-5640-1497
  摘  要:立足秦山三厂重水堆核电站经济高效地运行,本文介绍了端屏蔽冷却系统的功能与流程,分析了二号机组端屏蔽渗漏和一号机组108大修端屏蔽充水时间长的原因和结果,由此引出了对端屏蔽系统堆腔的最大补水速率的估算。
  关键字:重水堆核电站  端屏蔽冷却系统  补水速率。
  中图分类号:TL48                             文献标识码:A                  文章编号:1674-098X(2021)03(c)-0001-4
  Estimation of Maximum Makeup Water Rate in Reactor Cavity of End Shield Cooling System
  QIN  Chuan  ZHANG Xiaohui  ZENG Bowen  ZHANG Penghua
  (China National Nuclear Power Co., Ltd., Jiaxing, Zhejiang Province, 314300 China)
  Abstract: Based on high efficient and effective operation of Qinshan 3rd heavy water reactor, introducing the function and process of end shield cooling system, analyzing the reason and outcome of the leakage of unit 2 end shield and as well as 108 outage of unit 1 long time charging. Thus, the estimation of maximum water make-up rate of shield cavity has been brought up.
  Key Words: Heavy water reactor nuclear power plant; End shield cooling system; Water make-up rate
  1  概述
  端屏蔽冷却系统是一个低温、低压的半封闭式轻水再循环系统,目的是排出堆腔和端屏蔽产生的热量,降低在反应堆周围的剂量率,以保护人员和设备。因此,维持系统装量、循环与冷却对保证核电站安全、可靠运行具有重要现实意义。通过估算端屏蔽系统堆腔的最大补水速率,结合经验数据,对今后运行人员相关操作具有一定的指导作用。
  2  系统简述[1-3]
  本系统是一条封闭的除盐水环路,由2台100 %容量的冷却泵驱动循环。在泵的出口,一部分流量流经2台各50 %容量的热交换器,与RCW换热后变成49 ℃的冷水,其中约342 m3/h流入堆腔,排出温度为54 ℃,约34.2 m3/h(每端)流过端屏蔽环并以54 ℃的温度进入堆腔。第二部分流量(340 m3/h)(每端)是热水和冷水的混合物,它以60 ℃供给端屏蔽,并以66 ℃排出。另外,有一小部分流量通過净化回路,然后返回到泵的入口。流量通过设在每条供水管线上的经过校准的孔板予以控制。冷却端屏蔽和堆腔后水流经一个40 s延迟箱,使短寿期的放射性同位素得到衰变。然后,水靠重力返回泵吸入口,而且在泵的吸入口有一个膨胀箱,以调节液位变化。
  3  事件描述
  3.1 事件一
  2012年2月19日首次发现R2-112房间地漏有端屏蔽系统水连续流出,随即保持疏水阀7173-V30开启,引漏流进入7173-SUMP#5。可以确定衬里缺陷点位于贯穿件10092周边即15090衬里板区域,尤其是贯穿件和衬里的连接出现问题的可能性大。
  2012年6月小修,对贯穿件10092周边进行灌浆堵漏;在堆腔B侧底部安装不锈钢围堰引流;在B侧墙面上覆盖铝板。
  2012年12月大修,实施完成9802-QY-71730-DMR-02516(将TMOD转为正式变更,并增加两个容积为2.1立方米的水箱);将B侧墙上覆盖的铝板更换为氟橡胶板;在氟橡胶板、围堰、墙体及地面缝隙处进行封堵,仅余氟橡胶板上部与墙的连接处保持敞口。图1所示为堵漏引流示意图。
  最终渗漏量控制在了20L/h,该缺陷也导致了2#机组需要定期将泄露的除盐水排出和通过高位水箱向系统补水以维持堆腔的液位。
  3.2 事件二
  2015年5月13日,一号机组处于108大修期间。大修值根据计划,按照34110-OM 4.1.1节进行端屏蔽系统充水启动操作。按照OM第17步要求:“密切监视堆腔覆盖气体压力(AI2743)。调节除盐水补水隔离阀3411-V62 的开度,维持堆腔覆盖气体压力(AI2743)不超过12kPa。”由于系统高于一定液位后,爆破盘排气阀3411-V811/812处不会有气体排出,堆腔覆盖气只能通过排气阀PCV19#1排出,此时运行人员发现:哪怕补水阀3411-V62开度极小,覆盖气上升的速度也比较快,无法稳定在OM要求的12kPa以下。为了确保覆盖气压力不超过OM要求,运行人员只能以很低的速率补水。根据日志记录,2015年5月13日中班开始注水,5月16日14:45联系维修人员拆开平衡管线加快排气,当天中班20:00结束,持续时间长达3天以上。   通过查看日志发现,2015年4月7日14:28:大修值根据98-34110-OM-001[4]第4.4.1节停运端屏蔽冷却系统和覆盖气,随后建立34110屏蔽冷却系统检修的安措(EG14081077-1)。安措要求对3411-P1和3411-TCV15疏水。参考图2所示,安措建立期间,现场反馈TCV15所在管线的疏水点3411-V96处有少量水流,由于安措的前后隔离阀V26和V27为蝶阀,无法隔离严密,虽经多次调整隔离阀并长时间观察,但水流仍然存在。维修人员反馈少量漏水不影响工作的开展,因此生效安措并许可工作。
  由于3411-V96的少量漏水,造成安措建立至解除期间,端屏蔽装量持续减少,使得端屏蔽系统启动前堆腔的实际液位比历届大修都要低,这是108大修端屏蔽系统启动时充水时间长于历届大修的主要原因。
  由于在端屏蔽系统停运期间覆盖气停运,堆腔液位无法准确监测,而膨胀箱TK3至系统的隔离阀3411-V45在端屏蔽系统停运期间要求关闭,此时TK3液位不能反映系统水装量,因此端屏蔽系统停运期间,操纵员没有直接可靠的途径监测堆腔液位的具体值,不能及时发现堆腔装量的持续减少,也无法根据堆腔液位值预估系统启动时补水所需时间。
  4  堆腔最大补水速率估算
  根据图3端屏蔽堆腔标高图,正常3411-TK3液位2m,标高110.620+2=112.620(m)。堆腔正常液位310±150mm,标高115.17±0.15m。堆腔液位标高高于膨胀箱是因为端屏蔽泵运行时提供了压头。
  对堆腔补水期间,堆腔液位上升,挤压气空间,使得覆盖气压力上升。如果需要维持覆盖气压力不上涨,则补水的体积速率≤覆盖气最大排气体积速率。覆盖气的排气通道有两路,这两路排气通道可以将堆腔补水分为两个阶段:
  1、当堆腔液位高于EL112.446m(堆腔出口)时,覆盖气排气途径为排气阀PCV19#1。当覆盖气压力升高后,控制器63411-PC19关闭进气阀PCV19#2,增大排气阀PCV19#1的开度,维持覆盖气压力在设定值(12kPa)。端屏蔽系统的补水阀3411-V62所在管线管径为2英寸,对于堆腔,其进水管为两根6英寸水管,但排气管为一根1/2英寸管线,且排气管线布置复杂,弯头较多,沿程阻力大,故当堆腔液位高于EL112.446m后,端屏蔽系统的补水能力远大于覆盖气排气能力,因此注水速率受到排气速率限制,在保证覆盖气压力稳定的前提下,最大注水体积速率约等于排气阀PCV19#1全开时排气管线能够达到的最大排气体积速率。
  2、当堆腔液位低于EL112.446m时,覆盖气除了通过排气阀PCV19#1排气外,还可以通过排水管上连接的至覆盖气排气管线的两根4英寸管径连接管排气(根据运行手册,此时1#/2#爆破盘排气阀3411-V811/V812都已打开,参见图4[5])。该排气管线管径远大于正常排气管线的管径(只有一根管线,1/2英寸),充水时可以达到很快的速率。由于这个阶段的充水速率缺乏经验数据,目前无法估算。
  由此可见,端屏蔽堆腔补水速率主要受限于堆腔液位高于EL112.446m、堆腔覆盖气仅靠排气阀PCV19#1排气这一阶段。本文仅讨论这一阶段的最大补水速率[6]。
  堆腔液位高于EL112.446m后,补水的最大体积速率约等于排气阀PCV19#1全开时所能达到的最大排气体积速率,这也是二号机组正常运行期间执行堆腔补水操作(由300mm补水至400mm)的理论最大速率,排气速率可以通过以下方式粗略估算:
  假定端屏蔽覆盖气为理想气体,初始压力为P1、气腔体積为V1、温度稳定无变化。然后全开排气阀PCV19#1对覆盖气卸压,目标压力为P2,则根据公式P1V1=P2V2,则到达目标压力P2时,覆盖气体积膨胀为V2=P1V1/P2,增加的这部分体积ΔV=V2-V1通过PCV19#1排至73120系统,ΔV除以压力由P1下降至P2花费的时间t,即可得到这段时间内PCV19#1的排气速率,也就是PCV19#1在此阶段的最大排气速率。
  利用此方法估算的一个前提,是要保证初始压力P1和目标压力P2明显高于设定值(12kPa),这样才能确保整个排气卸压期间PCV19#1都处于全开状态。大修期间端屏蔽系统启动阶段的参数是一个比较理想的样本。在端屏蔽泵启动时,由于3411-TK3中的水被打入堆腔,导致堆腔液位急剧上升,覆盖气压力短时间大幅升高,此时进气阀PCV19#2全关(仅鼓泡液位计向内补充气体),排气阀PCV19#1全开,等堆腔液位稳定后,覆盖气压力会随着排气阀排气而缓慢下降,因此这个阶段覆盖气压力的变化趋势可以估算排气阀最大排气量[7]。
  以图5所示的2014年5月2日207大修启动数据为例:
  当端屏蔽泵启动后,覆盖气压力迅速上升至20kPa。在堆腔液位稳定在295mm(EL115.155m)、覆盖气压力下降阶段(红色方框)取两个样本点:P1=18kPa(g),P2=13kPa(g),压力由18kPa(g)下降至13kPa(g)用时20min,此时气腔体积V1为(4.255×5.779)×(115.440-115.155)=7m3=7000L(通过“图6:端屏蔽堆腔碳钢衬里示意图”估算),代人公式P1V1=P2V2,V2=P1V1/P2=(118×7000)/ 113=7309.73L,则堆腔压力由18kPa降至13kPa的过程中,排气管线的平均排气速率为(7309.73-7000)/20×60=929L/h。
  如果堆腔压力高,则排气速率会相应变快,例如同一组数据,由19kPa降至15kPa的平均速率为974L/h。
  二号机组由于端屏蔽系统堆腔存在泄漏,需要定期执行堆腔补水操作,补水速率取决于执行人员的具体操作[8]。调取二号机组2013年和2015年几次堆腔补水的数据,分别选择一个最大值:   由表1中数据可见实际操作时能够尝试达到的最大充水速率与理论最大充水速率接近[9]。由于在端屏蔽充水初期覆盖气系统未投运,除去鼓泡流量计的注入流量(约90L/h),端屏蔽系统启动时充水初期,如果维持覆盖气压力稳定在12kPa,则最大理论补水速率为1020L/h[10]。
  通过图8可以推算,从EL112.446m补水至OM要求的堆腔目标液位200mm(对应标高EL115.06m),需要补水量为:(10.046×5.372)×(113.366-112.446)+(5.779×4.255)×(115.06-113.366) =91.3m3。因此如果补水时维持覆盖气压力稳定在12kPa,取1020L/h的补水速率,得出理论最短补水时间为89.5小时(约3.7天)。
  5  结论
  通过計算和实际操作中的数据最终得出,端屏蔽的最大补水量在1000L/h左右。由于设计上排气管线管径较细,长度比较长且弯头较多,排气速率无法太大,而端屏蔽系统补水速率又受排气阀排气速率影响,因此除非对排气管线进行变更改造,否则在当前实际工况下,该补水流量无法再增大。
  目前2#机组端屏蔽系统渗漏量是20L/h,公司相关领域专家与728院讨论的出的渗漏限值为50L/h,因此1000L/h的补水速率是完全可以满足对2#机组端屏蔽堆腔装量损失的补充。
  当机组停堆大修,端屏蔽冷却系统有开口工作时,对系统设备的疏水或者由于隔离不严导致的泄露,最终使端屏蔽系统装量损失较多,可能会增长补水时间。
  因此在大修期间端屏蔽系统设备如果疏水检修,考虑到系统中大量隔离阀为蝶阀,可能存在隔离不严、疏水不净的情况。如果大修期间端屏蔽系统安措执行过程中出现疏水不尽,但又不影响检修工作的情况,建议评估增加额外的隔离点,避免端屏蔽系统装量损失。如果漏水无法隔离,则应预计到端屏蔽的水装量可能会比正常偏少,系统启动时充水需要更长的时间。维修工作结束后应及早解除安措,结合漏量和最大补水速率,估算出可能延长的补水时间,适当提前开始端屏蔽系统充水服役和启动操作,避免影响机组启动。
  参考文献
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