華龍一號(hào)防止乏燃料水池硼水結(jié)晶措施分析

　　摘要：福清5&6號(hào)機(jī)組作為"華龍一號(hào)"首堆示范工程，其安全可靠運(yùn)行是"華龍一號(hào)"走出去的充分保障。福島事故后，乏燃料水池的安全運(yùn)行受到業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，福清廠址在冬季可能會(huì)出現(xiàn)海水溫度極低的情況，會(huì)帶來(lái)乏燃料水池硼結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)，采取有效的防止乏燃料水池硼水結(jié)晶措施對(duì)電廠安全運(yùn)行至關(guān)重要。研究華龍一號(hào)乏燃料水池冷卻系統(tǒng)和設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，分析了廠址條件對(duì)冬季乏燃料貯存的影響，通過(guò)換熱計(jì)算對(duì)防止乏燃料水池硼水結(jié)晶的措施進(jìn)行驗(yàn)證，措施一是減少換熱器冷側(cè)設(shè)備冷卻水的流量，措施二是減少換熱器熱側(cè)乏池水的流量。經(jīng)過(guò)分析措施一可以更好的降低硼結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)，采用措施二時(shí)需要關(guān)注換熱器出口的乏池水溫度防止局部產(chǎn)生硼結(jié)晶。

　　本文源自科技視界,2020(26):5-9.基金:中國(guó)核電工程有限公司自主科研“壓水堆核電廠大修換料時(shí)間優(yōu)化的研究”資助,項(xiàng)目主持人:皮月(KY19007).《科技視界》雜志是上海市科技協(xié)會(huì)主管、上海市科普作家協(xié)會(huì)主辦的科技類(lèi)期刊，是2011年6月13日國(guó)家新聞出版總署下發(fā)“新出審字【2011】472號(hào)”文件通過(guò)審批的，其國(guó)內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號(hào)為CN31-2065/N，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)出版物號(hào)ISSN2095-2457。

　　“華龍一號(hào)”是我國(guó)具備完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代先進(jìn)壓水堆核電型號(hào)，福清核電站5號(hào)機(jī)組作為“華龍一號(hào)”首堆示范工程已于2015年5月7日開(kāi)工建設(shè)。福清核電廠位于我國(guó)東海海岸，根據(jù)平潭海洋站的監(jiān)測(cè)資料，冬季海水溫度會(huì)出現(xiàn)8℃的低溫，此時(shí)乏燃料水池水溫也會(huì)相應(yīng)降低，乏燃料水池水溫低于10℃時(shí)可能導(dǎo)致硼結(jié)晶，使乏燃料的安全貯存帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)。因此，提出防止乏燃料水池硼水結(jié)晶措施對(duì)電廠安全運(yùn)行至關(guān)重要。本文介紹了華龍一號(hào)乏燃料水池冷卻系統(tǒng)和設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，分析了福清核電站廠址條件對(duì)冬季乏燃料貯存的影響，提出防止福清廠址核島機(jī)組乏燃料水池硼水結(jié)晶的措施，并進(jìn)行換熱計(jì)算對(duì)措施進(jìn)行驗(yàn)證。

　　1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

　　電廠中經(jīng)過(guò)一個(gè)燃料循環(huán)從堆芯換出的乏燃料要貯存在乏燃料水池中，水池的含硼水用來(lái)帶走已輻照燃料元件所釋放的余熱并對(duì)人員提供生物防護(hù)。池水是通過(guò)乏燃料水池冷卻系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)乏池冷卻系統(tǒng))進(jìn)行循環(huán)冷卻，系統(tǒng)中配有換熱器將熱量傳遞給設(shè)備冷卻水系統(tǒng)，再由設(shè)備冷卻水系統(tǒng)將熱量傳遞給重要廠用水系統(tǒng)最終導(dǎo)入海水。乏池冷卻系統(tǒng)和設(shè)備冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則開(kāi)展。

　　1.1乏池冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

　　乏池冷卻系統(tǒng)根據(jù)電廠運(yùn)行情況可分為三個(gè)工況：

　　1.1.1正常貯存工況

　　乏池冷卻系統(tǒng)提供一個(gè)冷卻系列導(dǎo)出余熱。

　　正常貯存工況，在水池中貯存每次卸出的堆芯燃料組件，其最大值為貯存14次的乏燃料組件量。此時(shí)水池中空出的位置足夠放置整個(gè)堆芯燃料組件量以備事故需要，熱負(fù)荷如表1所示。

　　1.1.2正常換料工況

　　乏池冷卻系統(tǒng)提供兩個(gè)冷卻系列導(dǎo)出余熱。

　　正常換料工況，是在14次乏燃料貯存的基礎(chǔ)上，整個(gè)堆芯燃料組件全部卸入乏燃料水池，在將未更換部分堆芯組件返回堆芯之前的這段時(shí)間，余熱大，水溫高，雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但仍需給予關(guān)注，熱負(fù)荷如表1所示。

　　1.1.3事故工況

　　乏池冷卻系統(tǒng)提供兩個(gè)冷卻系列導(dǎo)出余熱。

　　事故工況是指反應(yīng)堆發(fā)生事故后，需要全堆強(qiáng)迫卸料，因事故之后，希望將燃料組件盡快卸出，因此冷卻時(shí)間為5天，其最大值發(fā)生在14次卸料后，同時(shí)考慮事故發(fā)生在平衡循環(huán)末期，因?yàn)榇藭r(shí)強(qiáng)迫卸料的危險(xiǎn)最大，熱負(fù)荷如表1所示。

　　從上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可以看出，為保證換料末期乏燃料水池的安全運(yùn)行，系統(tǒng)容量按照最大剩余熱功率考慮，因此在電廠運(yùn)行初期，乏燃料較少的情況下，會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱量較小換熱能力過(guò)強(qiáng)的現(xiàn)象。

　　1.2設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

　　設(shè)備冷卻水系統(tǒng)根據(jù)電廠運(yùn)行情況可分為六個(gè)工況：

　　當(dāng)海水最高溫度為T(mén)7℃時(shí)，提供的設(shè)備冷卻水最高溫度為35℃，但下述情況除外：在進(jìn)入冷停堆和次臨界停堆工況下，當(dāng)海水最高溫度為T(mén)7℃時(shí)，供給的冷卻水溫度為40℃;在失冷卻劑事故(LOCA)工況下，當(dāng)海水最高溫度為T(mén)max℃時(shí)，供給的冷卻水溫度為45℃。

　　表1不同工況下乏燃料水池最大剩余功率

　　表2不同工況下海水溫度和設(shè)備冷卻水溫度設(shè)計(jì)要求

　　(1)T7：歷年最高第七日平均水溫。

　　(2)Tmax：歷史最高水溫。

　　根據(jù)上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的冷卻能力相當(dāng)于電站在各種工況下需要同時(shí)運(yùn)行的各種設(shè)備的總熱負(fù)荷。因此，當(dāng)機(jī)組冬季運(yùn)行，海水溫度低于10℃時(shí)，設(shè)備冷卻水溫度會(huì)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，對(duì)于乏燃料來(lái)說(shuō)就會(huì)出現(xiàn)冷卻水溫度較低甚至接近硼結(jié)晶溫度的風(fēng)險(xiǎn)。

　　2、福清核電站冷卻水溫度

　　根據(jù)福清現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況反饋，2018年2月出現(xiàn)低溫氣象，最低氣溫達(dá)到2℃左右，此時(shí)運(yùn)行的設(shè)備冷卻水溫度到12℃左右，福清2號(hào)機(jī)乏燃料水池水溫在13℃左右。根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求乏燃料水池溫度低于10℃不允許在燃料廠房進(jìn)行任何操作，在溫度低于7℃機(jī)組要后撤到停堆狀態(tài)。為了防止上述風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)，首先對(duì)福清廠址的歷年海水溫度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出最低日平均水溫及歷史最低溫度，再根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)提出運(yùn)行措施。

　　依據(jù)福清廠址2006年3月的觀測(cè)資料與平潭同期資料建立了相關(guān)關(guān)系：

　　廠址站與平潭站表層水溫相關(guān)方程是：

　　圖1廠址站與平潭站表層水溫相關(guān)圖(2006年3月)

　　根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，平潭站最低日平均水溫值為10.9℃，根據(jù)廠址和平潭站的相關(guān)方程(式1)推算的廠址的最低日平均水溫值為8.7℃。平潭站歷史最低測(cè)量海水溫度為7.2℃，推算的廠址的最低海水溫度為5.4℃。另外根據(jù)電廠運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的用戶(hù)一般不會(huì)全部投入運(yùn)行，機(jī)組冬季滿(mǎn)功率運(yùn)行期間設(shè)備發(fā)熱量一般占設(shè)計(jì)值的50%左右。因此可推算，該廠址條件下冬季機(jī)組正常運(yùn)行期間，設(shè)備冷卻水最低運(yùn)行溫度為8.16℃。

　　3、福清核電機(jī)組采取的應(yīng)對(duì)措施

　　乏燃料水池的冷卻是通過(guò)乏池冷卻系統(tǒng)的換熱器將乏池水的熱量傳遞給設(shè)備冷卻水來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為防止乏燃料水池硼水結(jié)晶可以采取兩種措施，一種是減少換熱器冷側(cè)設(shè)備冷卻水的流量，另一種是減少換熱器熱側(cè)乏池水的流量。福清核電機(jī)組乏燃料水池冷卻系統(tǒng)的示意圖如圖2、3所示[1]。

　　圖2福清1-4號(hào)機(jī)組乏池冷卻水與設(shè)備冷卻水換熱示意圖

　　圖3福清5、6號(hào)機(jī)組華龍一號(hào)乏池冷卻水與設(shè)備冷卻水換熱示意圖

　　如圖2所示，福清1-4號(hào)機(jī)組采用1/3堆芯換料方式，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的溫度為35℃時(shí)，乏燃料水池冷卻系統(tǒng)單列運(yùn)行，設(shè)備冷卻水側(cè)串聯(lián)運(yùn)行，保證乏燃料水池的溫度低于50℃。為了防止乏燃料水池硼水結(jié)晶，當(dāng)設(shè)備冷卻水水溫低于15℃可以通過(guò)換熱器的旁通管線(xiàn)分流部分冷卻水，使得乏池水溫提高，避免硼水結(jié)晶。

　　如圖3所示，華龍一號(hào)采用全堆芯卸料方式，貯存工況下乏燃料水池冷卻系統(tǒng)單列運(yùn)行(如運(yùn)行001系列)，設(shè)備冷卻水側(cè)并聯(lián)運(yùn)行。為了防止乏燃料水池硼水結(jié)晶，當(dāng)設(shè)備冷卻水水溫低于15℃可以通過(guò)開(kāi)啟003或002RF，旁通部分乏池水，最終高溫乏池水和冷卻后的低溫乏池水混合后提高乏池溫度。

　　上述兩種措施都可以實(shí)現(xiàn)提高乏池水溫度防止硼水結(jié)晶，需要通過(guò)換熱計(jì)算驗(yàn)證措施有效性。

　　4、換熱計(jì)算及分析

　　4.1計(jì)算方法

　　華龍一號(hào)乏池冷卻系統(tǒng)為了較少設(shè)備廠房空間，采用板式換熱器與設(shè)備冷卻水進(jìn)行換熱。由于板式換熱器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其換熱性能受板片組合、板片波紋角度、板片波紋深度等參數(shù)影響較大[2]，通常采用的計(jì)算方法如下[3]。

　　4.1.1傳熱基本方程式

　　式中，Q為傳熱量，J/s;A為換熱面積，m2;K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)Δtm為傳熱平均溫差，對(duì)數(shù)平均溫差乘以板片組合校正系數(shù)，℃

　　4.1.2換熱量計(jì)算式

　　式中，qm為流體質(zhì)量流量，kg/s;Cp為流體比熱容，J/(kg·K);t'和t"為分別表示某側(cè)流體進(jìn)出口溫度，℃

　　4.1.3總傳熱系數(shù)計(jì)算式

　　式中，α1和α2分別為板片兩側(cè)的傳熱膜系數(shù)，W/(m2·K);R1和R2為板片兩側(cè)污垢系數(shù)，m2·K/W;δP為板片厚度，m;λP為板片導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)。

　　4.2乏燃料衰變熱計(jì)算

　　以華龍一號(hào)機(jī)組為例進(jìn)行衰變熱計(jì)算，對(duì)于停堆卸入乏池的整個(gè)堆芯的衰變熱如圖4所示[1]。

　　表3不同換料批次最小衰變熱

　　表4乏池流量不變、乏池入口溫度45℃時(shí)所需的最小冷卻水流量

　　圖4停堆卸入乏池的堆芯衰變熱曲線(xiàn)

　　換料方式是在第三次換料后，由年換料調(diào)整為18個(gè)月?lián)Q料模式(每次卸出68個(gè)燃料組件)，池內(nèi)貯存的乏燃料組件數(shù)量以及池內(nèi)衰變熱如表3所示。

　　4.3乏燃料水池水溫計(jì)算

　　一般在換料工況下，不會(huì)出現(xiàn)硼水結(jié)晶的情況。因?yàn)閾Q料時(shí)，熱負(fù)荷最小為6.12MW，在設(shè)冷水入口溫度最小為8.16℃時(shí)，乏池入口溫度為17.4℃，出口溫度為10.14℃。不會(huì)到達(dá)硼結(jié)晶閾值。因此，換料工況不存在硼水結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)。

　　對(duì)于措施一旁通設(shè)備冷卻水流量的方式，正常貯存時(shí)，當(dāng)設(shè)冷水入口溫度最小為8.16℃時(shí)，保持乏池入口溫度為45℃，所需的最小冷卻流量，如表4所示。

　　對(duì)于措施二旁通乏池水流量的方式，冷卻水入口溫度8.16℃時(shí)，保持冷卻水側(cè)流量不變時(shí)，乏池側(cè)進(jìn)出口溫度如表5所示。

　　從表4表5可以看出，采用調(diào)整設(shè)備冷卻水的方案，可以保證乏池內(nèi)水溫始終高于報(bào)警值的要求，當(dāng)冬季氣溫較低時(shí)，晝夜海水溫度起伏變化，最低海水溫度可能出現(xiàn)在某個(gè)時(shí)刻，為減少操作員動(dòng)作可以調(diào)整冷卻水到最小流量，不需要根據(jù)水溫實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。采用調(diào)整乏池水的方案，同樣可以實(shí)現(xiàn)防止乏池內(nèi)硼水結(jié)晶，但是對(duì)于換熱器出口混合前的局部管道內(nèi)可能出現(xiàn)溫度較低的情況，如果換熱流量較低需要操作員關(guān)注局部的硼結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。

　　5、結(jié)論

　　本文為防止華龍一號(hào)乏燃料水池硼水結(jié)晶提出兩種運(yùn)行措施，措施一是減少換熱器冷側(cè)設(shè)備冷卻水的流量，措施二是減少換熱器熱側(cè)乏池水的流量。通過(guò)換熱計(jì)算，兩種措施都可以降低硼結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)，采用措施二時(shí)需要關(guān)注換熱器出口的乏池水溫度防止局部產(chǎn)生硼結(jié)晶。

　　表5冷卻水流量不變、乏池入口溫度45℃時(shí)所需的最小乏池流量

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]于沛,李博,王廣飛.壓水堆核電廠乏池冷卻系統(tǒng)擴(kuò)容改進(jìn)研究[J].核科學(xué)與工程,2016,36(6):729-734.

　　[2]朱金雄,歐陽(yáng)欽,管玉峰,等.熱阻法在核電站人字形板式換熱器性能分析上的應(yīng)用[J].能源技術(shù)與管理,2014,39(5):121-123.

　　[3]于沛,付浩然.華龍一號(hào)設(shè)備冷卻水系統(tǒng)板式換熱器性能研究[J].核動(dòng)力工程,2018.