AP1000核電站CVS調(diào)硼后沖洗操作探析

胡明++陳齊清+彭小強(qiáng)

【摘 要】化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（CVS）是AP1000核電站核島重要輔助系統(tǒng)，承擔(dān)一回路冷卻劑凈化、容積控制和化學(xué)控制功能。CVS補(bǔ)水管路容積的存在會導(dǎo)致在稀釋或硼化操作時產(chǎn)生非預(yù)期的反應(yīng)性變化，現(xiàn)有調(diào)硼后管路沖洗方法對系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性有一定影響，而采取將沖洗水直接注入一回路的方法可以避免這一影響。

【關(guān)鍵詞】CVS 調(diào)硼 沖洗

化學(xué)和容積控制系統(tǒng)是核電站的主要輔助系統(tǒng)之一，在反應(yīng)堆的啟動、停運(yùn)及正常運(yùn)行過程中都起著重要的作用。AP1000作為我國從美國西屋公司引進(jìn)的第三代非能動壓水堆核電技術(shù)，與第二代壓水堆核電站相比，其化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（下簡稱CVS）有較大的簡化，其運(yùn)行方式也存在一定區(qū)別，本文著重對CVS系統(tǒng)調(diào)硼后補(bǔ)水管路沖洗操作過程進(jìn)行了分析。

1 CVS簡介

1.1 CVS功能

CVS的主要功能是提供RCS的凈化、容積控制和化學(xué)控制[1]。

RCS凈化即是通過CVS的凈化回路子系統(tǒng)去除反應(yīng)堆冷卻劑中的裂變產(chǎn)物及離子或顆粒形式的活化產(chǎn)物，使冷卻劑純度及放射性水平在可接受的限制以下。如圖1所示，反應(yīng)堆冷卻劑從一回路冷段依次流經(jīng)再生熱交換器、下泄熱交換器、離子交換器和后置過濾器，再通過再生熱交換器回到主泵入口。再生熱交換器利用回水將冷卻劑由280℃冷卻至111℃，下泄熱交換器利用設(shè)備冷卻水將冷卻劑進(jìn)一步冷卻至52.2℃。若下泄熱交換器出口溫度過高，凈化隔離閥會自動關(guān)閉以隔離凈化管線，從而保護(hù)除鹽床中的樹脂。

RCS容積控制通過CVS的補(bǔ)水子系統(tǒng)和下泄子系統(tǒng)共同完成。在穩(wěn)壓器液位較低時，CVS通過補(bǔ)水泵將一定濃度的硼酸溶液經(jīng)補(bǔ)水過濾器和再生熱交換器輸送至主泵入口；當(dāng)穩(wěn)壓器水位較高時，下泄管線相關(guān)閥門開啟以排出部分冷卻劑，冷卻劑由一回路冷段經(jīng)再生熱交換器、下泄熱交換器、除鹽床和后置過濾器排放至放射性廢液處理系統(tǒng)（WLS）。由于AP1000采用屏蔽式主泵，不需要提供主泵軸封流量，故不需要提供連續(xù)的補(bǔ)水流量。在正常功率運(yùn)行時，若穩(wěn)壓器水位正常，則補(bǔ)水和下泄都無需投運(yùn)，冷卻劑依靠主泵提供的驅(qū)動壓頭通過凈化回路連續(xù)循環(huán)。

RCS化學(xué)控制包括硼濃度調(diào)節(jié)、pH值控制和含氧量控制。AP1000核電站利用CVS向冷卻劑中注入不同的化學(xué)藥品以實(shí)現(xiàn)RCS化學(xué)控制，如注入除鹽水或濃硼酸來調(diào)節(jié)冷卻劑硼濃度，注入氫氧化鋰來調(diào)節(jié)冷卻劑pH值，注入聯(lián)氨或氫來控制冷卻劑氧含量。

1.2 補(bǔ)水控制系統(tǒng)運(yùn)行模式

反應(yīng)堆補(bǔ)水控制系統(tǒng)有四種運(yùn)行模式，分別為“自動”、“硼化”、“稀釋”和“混合”，在不同模式下執(zhí)行不同的操作以實(shí)現(xiàn)不同的功能[1]。

通常，補(bǔ)水控制系統(tǒng)運(yùn)行在在“自動”模式，CVS根據(jù)穩(wěn)壓器液位變化自動向一回路補(bǔ)充一定體積的硼酸溶液，以補(bǔ)償一回路的微小泄露及正常功率變化而引起的穩(wěn)壓器液位變化?！盎旌稀毕喈?dāng)于“自動”的手動模式，即手動選擇注入的硼酸溶液的體積。在這兩種模式下，都需要設(shè)定所注入的硼酸溶液濃度，該濃度值為當(dāng)前一回路硼濃度。

“硼化”和“稀釋”模式用于調(diào)節(jié)反應(yīng)堆冷卻劑硼濃度。在需要調(diào)硼時，通過向主泵入口注入濃硼酸以實(shí)現(xiàn)硼化操作，在停堆時保證反應(yīng)堆獲得足夠的停堆裕度；通過向主泵入口注入除鹽水以實(shí)現(xiàn)稀釋操作，從而完成反應(yīng)堆啟動及保證在功率運(yùn)行時控制棒調(diào)節(jié)棒組位于正常的調(diào)節(jié)范圍。

2 補(bǔ)水管路容積影響分析

“硼化”和“稀釋”操作過程基本相同，通過三通閥選擇連接到硼酸貯存箱或除鹽水系統(tǒng)，設(shè)定好注入一回路的硼酸或除鹽水的的體積和流量，并啟動一臺補(bǔ)水泵完成注入。在任何模式下，若穩(wěn)壓器液位高，則自動打開下泄管路閥門，將流出物排放到廢液處理系統(tǒng)。

由于在正常功率運(yùn)行時，凈化是連續(xù)運(yùn)行的，其環(huán)路可以視為一回路的一部分。 如圖1所示，在調(diào)硼操作結(jié)束后，管路A、B段中存留的硼酸或除鹽水是無法進(jìn)入一回路進(jìn)行循環(huán)的。若不對該管段進(jìn)行沖洗，直接在自動模式下進(jìn)行補(bǔ)水，那么該段體積的硼酸或除鹽水會先注入堆芯。下面對該體積硼酸或除鹽水注入堆芯的影響進(jìn)行計算分析。

系統(tǒng)的含硼量平衡方程為：

M（C+dC）=MC+CB×dm-C×dm

其中M為一回路冷卻劑總質(zhì)量，C為一回路冷卻劑當(dāng)前硼濃度，CB為注入一回路的硼酸濃度，dm為注入的硼酸質(zhì)量，dc為硼酸濃度的變化量。

該公式可化簡為：

dm=M×（CB-C）-1×dC

則若需要將總質(zhì)量為M的一回路冷卻劑的硼濃度從C初始調(diào)節(jié)至C最終，需要注入濃度為CB的含硼水的質(zhì)量為：

在“稀釋”操作后，管路A、B段為除鹽水，則CB=0，可以得出：

查閱相關(guān)圖紙并計算出該管路容積約為0.35m3，一回路總?cè)莘e為299m3[1]。設(shè)正常滿功率運(yùn)行時一回路冷卻劑體積為270m3，且不考慮含硼水和除鹽水的比重區(qū)別。

那么根據(jù)上述公式，在注入0.35 m3除鹽水后，△C=C最終-C初始=-0.0013C初始。很明顯，初始硼濃度值越大，注入除鹽水后，硼濃度的變化值也越大。

為避免出現(xiàn)正的慢化劑溫度系數(shù)，反應(yīng)堆正常運(yùn)行時的冷卻劑硼濃度最大不能超過1400ppm[2]，而AP1000核電站循環(huán)末期熱態(tài)滿功率運(yùn)行時對應(yīng)的臨界硼濃度為10ppm[1]。在兩種情況下注入0.35 m3除鹽水后影響如表1所示。

根據(jù)上述計算可知，無論是循環(huán)初期還是循環(huán)末期，注入0.35 m3的除鹽水，所引入的反應(yīng)性相對于堆芯控制棒組件總的反應(yīng)性控制能力來說是比較小的，其造成的瞬態(tài)影響幾乎可以忽略。

同樣，若CVS進(jìn)行“硼化”后不沖洗，再補(bǔ)水時會先注入0.35m3的濃度為4375ppm的濃硼酸，可以推算得出，△C=5.68-0.0013C初始。由公式可以看出，初始硼濃度越低，硼濃度變化值越大。如表2所示。

由于在循環(huán)末期硼濃度更低，且硼的微分價值更大，則硼化引起的反應(yīng)性變化最大。在C初始為10ppm時，注入0.35m3濃硼酸后吸收反應(yīng)性達(dá)到94.1pcm，這個反應(yīng)性的變化量相對來說就較為顯著了。

總之，在調(diào)硼操作后，若不對補(bǔ)水管路進(jìn)行沖洗，由于管路容積的存在，之后再進(jìn)行堆芯補(bǔ)水的話，就會導(dǎo)致非預(yù)期的反應(yīng)性變化，無論這個變化大小，都違背了反應(yīng)性變化必須預(yù)期可控的原則，因此，調(diào)硼操作后，進(jìn)行補(bǔ)水管路沖洗是必要的。

3 補(bǔ)水管路沖洗操作分析及改進(jìn)

3.1 現(xiàn)有沖洗方法分析

對調(diào)硼操作后的補(bǔ)水管路進(jìn)行沖洗的目的是將管路中留存的濃硼酸或除鹽水置換為與當(dāng)前一回路硼濃度一致的硼酸溶液。根據(jù)CVS系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程，設(shè)計采用的管路沖洗方法是隔離補(bǔ)水，將沖洗水排至RCDT（反應(yīng)堆冷卻劑疏水箱）。在進(jìn)行沖洗之前，關(guān)閉補(bǔ)水截止閥（V081）以隔離向一回路的補(bǔ)水，打開CVS向PXS（非能動堆芯冷卻系統(tǒng)）補(bǔ)水管線隔離閥（V089），設(shè)定沖洗水硼濃度為當(dāng)前一回路硼濃度，設(shè)定沖洗流量和沖洗體積，打開PXS閥門泄露試驗(yàn)盤至RCDT隔離閥，然后啟動反應(yīng)堆補(bǔ)水控制系統(tǒng)進(jìn)行沖洗，沖洗水排至WLS系統(tǒng)的RCDT。完成沖洗后恢復(fù)系統(tǒng)至沖洗前狀態(tài)。

該方法會導(dǎo)致下泄熱交換器出口超溫，原因如下：

由于在沖洗前未關(guān)閉凈化隔離閥（V001-V003），若在沖洗過程中若因功率變化導(dǎo)致穩(wěn)壓器水位高，下泄管線相關(guān)閥門會自動開啟進(jìn)行排放，而由于關(guān)閉V081導(dǎo)致再生熱交換器失去回水冷卻，280℃的冷卻劑不經(jīng)冷卻直接進(jìn)入下泄熱交換器，勢必超過下泄熱交換器冷卻能力，造成下泄熱交換器出口溫度過高，觸發(fā)保護(hù)關(guān)閉閥門凈化隔離閥中的V003。即使穩(wěn)壓器液位在沖洗時一直穩(wěn)定，不會因下泄而導(dǎo)致下泄熱交換器出口超溫，在關(guān)閉補(bǔ)水截止閥后， CVS中的冷卻劑停止流動并逐漸冷卻，設(shè)備冷卻水控制閥（CCS-V221）會自動逐漸關(guān)閉。由于V081是氣動閥，且只有開關(guān)兩種狀態(tài)，那么在完成沖洗后，發(fā)出開啟補(bǔ)水截止閥指令時，該閥門會迅速開至100%，凈化回路流量立即恢復(fù)至正常運(yùn)行時狀態(tài)，勢必導(dǎo)致設(shè)備CCS-V221來不及打開，同樣使下泄熱交換器出口超溫，從而觸發(fā)保護(hù)關(guān)閉V003。

那么，為了避免下泄熱交換器出口超溫，可以在“硼化”或“稀釋”后進(jìn)行沖洗操作前關(guān)閉V003，以退出凈化回路，然后關(guān)閉V081以隔離補(bǔ)水，之后再進(jìn)行沖洗。在完成沖洗后，先打開V081，然后將V003置于點(diǎn)動模式（Jog Mode），逐步開啟V003恢復(fù)凈化流量。這樣操作一方面在沖洗時隔離了高溫冷卻劑進(jìn)入下泄熱交換器的通路，另一方面在沖洗完成后提供了控制凈化流量逐步恢復(fù)的手段，這樣就不會因產(chǎn)生下泄或凈化流量突然恢復(fù)而導(dǎo)致下泄熱交換器出口超溫。

但無論是否關(guān)閉V003，這種隔離向一回路補(bǔ)水的沖洗方法都存在以下缺點(diǎn)：

（1）在沖洗期間穩(wěn)壓器失去液位調(diào)節(jié)能力。關(guān)閉V081，在穩(wěn)壓器液位低時無法向一回路進(jìn)行補(bǔ)水；關(guān)閉V003，在穩(wěn)壓器液位高時無法開啟下泄向WLS進(jìn)行排放。因此需要選擇穩(wěn)壓器液位正常及功率穩(wěn)定時進(jìn)行沖洗。

（2）增加了廢水排放。因?yàn)橐a(bǔ)償堆芯燃耗，“稀釋”基本上每周都要進(jìn)行，若每次都要進(jìn)行補(bǔ)水總管沖洗且將沖洗水排至RCDT，會導(dǎo)致產(chǎn)生較多的廢水，增加了運(yùn)行成本。

3.2 沖洗方法改進(jìn)建議

為了避免現(xiàn)有方法可能導(dǎo)致的問題，可以采用沖洗過程中不關(guān)閉任何閥門并將沖洗水直接注入一回路的方法。具體來說，在“硼化”或“稀釋”操作后，采用“混合”補(bǔ)水方式，手動設(shè)定補(bǔ)水硼濃度為當(dāng)前一回路冷卻劑硼濃度，設(shè)定注入Kq體積的含硼水（q為AB管段容積），啟動補(bǔ)水泵將AB管段留存的濃硼酸或除鹽水沖洗進(jìn)入一回路。K>1，具體值根據(jù)試驗(yàn)或工程經(jīng)驗(yàn)確定，以使得留存在AB管段的濃硼酸或除鹽水剛好全部注入一回路中。沖洗完畢后，AB管段充滿與當(dāng)前一回路冷卻劑硼濃度一致的含硼水。按照這種方法，在“硼化”或“稀釋”整個過程中，總共需要向一回路注入Q+Kq體積的流體（Q為調(diào)硼時注入一回路的濃硼酸或除鹽水的體積計算值）。

該方法相比方法1來說，但有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

（1）簡化了操作。若采取方法1調(diào)硼，在設(shè)定除鹽水或濃硼酸注入量時，需要在注入量計算值Q的基礎(chǔ)上再加上一個q（q為AB管段容積），即Q設(shè)定=Q+q，能保證正好有Q體積的硼酸或除鹽水進(jìn)入一回路中，從而使得調(diào)硼結(jié)束后，預(yù)計硼濃度與測量硼濃度一致。而采取方法2的話，除鹽水或濃硼酸注入量就設(shè)定為計算值。在完成除鹽水或濃硼酸的注入后，其留存在AB管段間的部分會在隨后的沖洗中帶入一回路，同時AB管段液體也替換成當(dāng)前一回路濃度的含硼水，一舉兩得，這樣就大幅簡化了操作過程；

（2）有利于延長設(shè)備使用壽命。在整個操作過程中，無需操作任何閥門，減少了閥門操作次數(shù)，也就降低了閥門的磨損；另外，由于“稀釋”基本上每周要進(jìn)行，同時沖洗水直接進(jìn)入一回路，整個過程相當(dāng)于給一回路添加了Q+（K-1）q的裝量，這在一回路存在一定泄露時降低了冷卻劑補(bǔ)給需求，也就減少了補(bǔ)水泵啟停次數(shù)；

（3）不影響穩(wěn)壓器液位調(diào)節(jié)。整個操作未隔離下泄和補(bǔ)水，若因功率突變等原因?qū)е路€(wěn)壓器液位偏高或偏低，能夠及時進(jìn)行下泄或補(bǔ)水以維持穩(wěn)壓器液位正常；

（4）減少了廢水排放量。沖洗水直接進(jìn)入一回路，不再需要通過PXS閥門泄露試驗(yàn)盤排放到WLS，降低了WLS運(yùn)行壓力，提高了電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語

由于AP1000核電站CVS補(bǔ)水管路容積的存在，會導(dǎo)致堆芯出現(xiàn)非預(yù)期的反應(yīng)性變化，在進(jìn)行調(diào)硼操作后要對補(bǔ)水管路進(jìn)行沖洗，但頻繁的沖洗操作會加快設(shè)備損耗及增加廢水排放。在實(shí)際運(yùn)行操作過程中，建議充分考慮補(bǔ)水管路容積的影響，采取將沖洗水直接注入一回路的方法，可以有效避免上述問題，從而提高AP1000核電站運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

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