核電廠乏燃料水池溫度變化的計(jì)算

江亞烈 宋迎雷 謝佳彬 黃偉龍 林拓

摘 要：分析某電廠乏燃料水池冷卻系統(tǒng)，計(jì)算不同系統(tǒng)參數(shù)與設(shè)置下的熱交換器的換熱參數(shù)，根據(jù)乏燃料水池中乏燃料組件衰變熱功率，計(jì)算在不同情況下，乏燃料水池溫度的變化趨勢(shì)，確保乏燃料水池溫度不超出運(yùn)行限值，為確定設(shè)備檢修窗口，監(jiān)視乏燃料水池冷卻情況提供明確參考。

關(guān)鍵詞：乏燃料水池;溫度;預(yù)測(cè)

0 引言

核電廠乏燃料組件的冷卻，是停堆安全的重要組成部分。保障乏燃料水池的冷卻，確保乏燃料水池的溫度不超過運(yùn)行限值，是重要核安全關(guān)注事項(xiàng)。

在機(jī)組正常運(yùn)行期間，乏燃料水池中貯存的乏燃料組件衰變熱功率較低，一般通過一列冷卻回路即可導(dǎo)出其衰變熱;在大修卸料后，一般通過兩列冷卻回路進(jìn)行冷卻，確保乏池的溫度低于運(yùn)行限值。在大修期間，由于系統(tǒng)設(shè)備檢修等工作，將乏池的冷卻由正常的兩列冷卻調(diào)整為一列冷卻，導(dǎo)致冷卻回路的換熱效率降低，乏燃料水池的溫度上升，導(dǎo)致乏池溫度超出正常運(yùn)行限值的風(fēng)險(xiǎn)。

分析某電廠的乏池冷卻回路和熱交換器參數(shù)，計(jì)算不同冷卻模式下的換熱參數(shù);根據(jù)乏池中的衰變熱功率、乏池溫度及冷卻水溫度，計(jì)算乏燃料水池的溫度變化趨勢(shì)，確定乏池的最高溫度是否滿足相關(guān)要求，為相關(guān)檢修方案提供參考，也為運(yùn)行人員監(jiān)視乏池冷卻情況提供明確參考，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)乏池冷卻錯(cuò)誤的情況。

1 乏燃料水池冷卻系統(tǒng)

某CPR1000機(jī)組乏燃料水池冷卻系統(tǒng)（PTR）采用3臺(tái)冷卻水泵和3個(gè)額度負(fù)荷為5.4MW的板式熱交換器，另外設(shè)置了一條凈化回路，系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖見圖1。正常運(yùn)行期間，乏燃料水池采用1臺(tái)冷卻水泵和1個(gè)熱交換器運(yùn)行;大修卸料工況下，采用2臺(tái)冷卻水泵和2個(gè)熱交換器運(yùn)行，能夠滿足熱負(fù)荷下的乏池冷卻要求，保證乏池溫度不超過50℃（假設(shè)熱交換器冷側(cè)入口溫度假設(shè)35℃）。

當(dāng)1臺(tái)冷卻水泵和1個(gè)熱交換器運(yùn)行時(shí)（單泵單冷模式），熱交換器的熱側(cè)流量=泵流量-凈化回路流量=421-60=361m3/h。

當(dāng)2臺(tái)冷卻水泵和2個(gè)熱交換器運(yùn)行時(shí)（雙泵雙冷模式），熱側(cè)流量=421-60/2=391 m3/h。

兩種冷卻模式下，每臺(tái)熱交換器的冷側(cè)流量保持542 m3/h不變，由于熱側(cè)流量的不同，因此熱交換器的換熱效率存在差異。根據(jù)PTR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)手冊(cè)提供了單泵單冷模式下熱交換器的額定參數(shù)，計(jì)算熱交換系數(shù)K1為2.94℃/MW;進(jìn)一步根據(jù)額定參數(shù)，推導(dǎo)雙泵雙冷時(shí)的換熱參數(shù)，計(jì)算出雙泵雙冷模式下，每臺(tái)板式熱交換器的熱交換系數(shù)K為2.78℃/MW，雙泵雙冷模式下總的熱交換系數(shù)K2為1.39℃/MW。

查詢機(jī)組歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在大修期間，由于某些特殊原因，乏池的冷卻除了單泵單冷和雙泵雙冷之外，可能還有采用其他的運(yùn)行模式，如單泵雙冷等，這種情況下，需要根據(jù)相關(guān)閥門的開關(guān)情況和冷卻泵的啟停情況，梳理出乏池含硼水在冷卻系統(tǒng)中的流經(jīng)路線，確定熱交換器的熱側(cè)流量，計(jì)算該模式下的換熱效率。

2 燃料水池的基本情況

乏燃料水池與傳輸池、裝罐池通過氣閘門隔開，正常運(yùn)行期間，乏燃料組件貯存在乏池，由乏池的水進(jìn)行冷卻;在大修裝卸料期間，乏池與傳輸池及反應(yīng)堆水池連通，大修的堆芯組件和之前貯存的乏燃料組件由乏池、反應(yīng)堆水池及傳輸池的水共同冷卻，因此不同工況下，冷卻燃料組件的水量不同。本文僅考慮乏池與其他水池隔離的情況進(jìn)行計(jì)算。

乏燃料水池的溫度變化趨勢(shì)計(jì)算，主要是用于參考與指導(dǎo)，不需要非常精確，因此對(duì)于乏池的水量可以采用估算值，不考慮乏燃料組件放入乏池排水導(dǎo)致水量的減少以及實(shí)際液位與假設(shè)液位的偏差。根據(jù)乏燃料水池的設(shè)計(jì)參數(shù)，簡(jiǎn)單估算乏池的水容積為1326m3，采用常溫常壓下的水參數(shù)作為計(jì)算假設(shè)：比容為1.0078m3/t，定壓比容c為4.1786KJ/（kg℃）。

大修停堆前，計(jì)算堆芯燃料組件的衰變熱功率和乏池已貯存組件的衰變熱功率。根據(jù)換料方案，分別計(jì)算卸料后及裝料后乏池衰變熱功率，用于制定大修期間乏池冷卻泵與熱交換器的投運(yùn)策略以及計(jì)算乏池失去冷卻后溫度上升速率。某電廠某次大修衰變熱計(jì)算結(jié)果如下表3所示。

3 乏池溫度的預(yù)測(cè)計(jì)算

3.1 正常運(yùn)行期間乏池溫度預(yù)測(cè)

正常運(yùn)行期間，通過單泵單冷模式保持乏池的冷卻，乏池溫度基本穩(wěn)定，衰變熱功率與熱交換器換熱功率保持平衡，熱交換器的換熱功率QC=ΔT/K=（Tinh-Tinc）/K1=衰變熱功率QD。

Tinh為熱交換器的熱側(cè)入口溫度，即乏池溫度TPTR;

Tinc為熱交換器的冷側(cè)入口溫度，即設(shè)備冷卻水溫度TRRI。

TPTR= QDK1+TRRI

因此在正常運(yùn)行期間，乏池與設(shè)備冷卻水的溫差隨衰變熱功率的衰減而緩慢縮小，乏池水溫主要隨著RRI水溫的變化而變化。

3.2 大修期間乏池溫度預(yù)測(cè)計(jì)算

大修卸料結(jié)束后，乏燃料水池未與其他水池連通，雙泵雙冷模式下，當(dāng)衰變熱功率與熱交換器換熱功率平衡時(shí)，TPTR= QDK2+TRRI。

當(dāng)乏池溫度未達(dá)到平衡，或者平衡被打破時(shí)，乏池溫度將發(fā)生變化，重新達(dá)到平衡平衡狀態(tài)，如在雙泵雙冷模式平衡狀態(tài)下，切換為單泵單冷模式，熱交換功率比衰變熱功率小，乏池將被加熱，溫度上升，熱交換功率隨之增大，直到達(dá)到衰變熱功率，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。提前計(jì)算乏池溫度的變化趨勢(shì)，為運(yùn)行人員監(jiān)視乏池冷卻以及為維修專業(yè)確定檢修工期提供指導(dǎo)與參考。

乏池溫度的變化計(jì)算過程如下：

其中c為乏池水的等壓比容，m為乏池水的質(zhì)量，QD為衰變熱功率，QC為熱交換器換熱功率，TRRI為熱交換器冷側(cè)入口溫度。

當(dāng)t=∞時(shí)，QD=QC，即

T（∞）=QD K+TRRI

解得方程：

定義平衡溫度TB=T（∞）=QDK+TRRI

乏池溫度與平衡溫度之差按指數(shù)衰減，衰減半衰期為ln2*K*c*m。

以上推導(dǎo)過程未考慮衰變熱功率QD的變化，因此在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在大修期間衰變熱功率衰減較快的階段，需要考慮衰變熱功率的變化。另外，現(xiàn)場(chǎng)的溫度測(cè)量也存在一定的誤差，設(shè)備冷卻水溫度TRRI也是一直在變化，使乏池溫度預(yù)測(cè)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的溫度變化存在一定的偏差，但均在合理范圍內(nèi)。

對(duì)于衰變熱功率變化采取簡(jiǎn)化處理，根據(jù)衰變熱計(jì)算報(bào)告結(jié)果，通過線性插值的方法獲得不同時(shí)間的衰變熱功率，在計(jì)算乏池溫度時(shí)，衰變熱功率采用實(shí)時(shí)插值計(jì)算得出的功率值。

以某電廠4號(hào)機(jī)組大修期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算與驗(yàn)證，期間進(jìn)行了兩次模式切換，首先是由雙泵雙冷模式切換為單泵單冷模式，達(dá)到平衡一段時(shí)間后，再切回雙泵雙冷模式。RRI側(cè)入口溫度采用切換模式時(shí)的溫度值，計(jì)算了切換模式后乏池溫度變化趨勢(shì)，并通過機(jī)組的實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見圖2，實(shí)際溫度與預(yù)測(cè)的溫度趨勢(shì)十分相符，同時(shí)會(huì)隨著RRI側(cè)入口溫度的波動(dòng)而波動(dòng)。

4 總結(jié)

考慮衰變熱功率的不確定性，相關(guān)溫度信號(hào)的測(cè)量誤差，以及熱交換器的實(shí)際參數(shù)與額定參數(shù)的差異導(dǎo)致的換熱性能的偏差，乏燃料水池溫度變化的預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果，存在一定的不確定性。雖然如此，但實(shí)際數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比情況，也驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，也驗(yàn)證了采用的衰變熱功率的準(zhǔn)確性，可以用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)。對(duì)于這些偏差，也可以通過平衡狀態(tài)下的實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)不同機(jī)組在不同模式下的熱交換系數(shù)進(jìn)行修正，從而在未對(duì)熱交換器開展特性試驗(yàn)的情況下，獲得更加符合實(shí)際的相關(guān)參數(shù)。