AP1000核电厂真空充水操作分析

郭东海

摘要：与以往核电厂采用充水、排气的方法不同，非能动核电厂采用抽真空后对一回路进行充水。与传统操作相比，真空冲水可以避免因主泵动态赶气而产生的风险，简化了充水、赶气过程。但真空充水操作较为复杂，如操作不当，后果是严重的，本文将对非能动核电厂的真空充水过程及注意点进行深入探讨。

关键字：真空充水；喷射泵；启动时间；一回路空气含量

1.引言

核电厂充水排气操作是反应堆调试及换料后重启运行中所必须经历的过程，特别是AP1000首堆真空充水操作尤为重要，将为后续核电厂启动运行提供铺垫和保障。以往核电厂一般采用静态放气和动态排气相结合的方式，排气结束后还必须加联氨除氧，待反应堆冷却剂系统氧含量合格后才允许升温升压，而AP1000采用真空充水。可简化核电厂的启动过程，但真空充水是一项复杂人操作程序，必须对AP1000真空充水模块的设计性能、工作流程、操作风险等进行梳理探讨，为AP1000核电厂的调试启动、运行做准备。

2. AP1000主系统简介

图1 AP1000主回路系统简图

反应堆冷却剂系统由两条传热环路组成，每条环路上有一台蒸汽发生器、两台反应堆冷却剂泵，一个热段以及两个冷段，用以反应堆冷却剂循环。此外，系统还包括稳压器、内部连接管道、阀门，以及用于运行控制和触发安保的仪表。反应堆冷却剂系统的所有设备均布置在反应堆安全壳内。

主泵驱动冷却剂通过堆芯被加热。，然后经蒸汽发生器将其热量传递给二回路蒸汽系统后，又回到主泵入口，如此返复循环，将核能转化为热能，最后转变成电能。

反应堆冷却剂系统压力边界作为一道屏障，防止在堆芯内产生的放射性向外释放，同时设计保证电站运行的全过程中压力边界的完整性。

反应堆冷却剂系统的压力控制通过稳压器的运行实现。在稳压器内，通过电加热器或喷雾动作，或二者共同动作使水、汽处于平衡态。蒸汽通过加热器形成或通过喷雾冷凝，以控制因反应堆冷却剂膨胀及收缩而导致的压力变化。

弹簧式安全阀安装在稳压器顶上，并与稳压器相连，为反应堆冷却剂系统提供超压保护。安全阀向安全壳大气排放。稳压器还连接有反应堆冷却剂系统的三级自动卸压阀。这些阀门通过鼓泡器将蒸汽和水排放至非能动堆芯冷却系统（PXS）的安全壳内换料水箱（IRWST）中。第4级自动卸压阀通过两条冗余路径连接到每条反应堆冷却剂环路热段，并直接排向安全壳大气。

支持反应堆冷却剂系统的辅助系统包括：化学和容积控制系统（CVS），非能动堆芯冷却系统（PXS），正常余热排出系统（RNS），蒸汽发生器系统（SGS），一回路取样系统（PSS），放射性液体废物处理系统（WLS）以及设备冷却水系统（CCS）。

3. AP1000主要设备简介（与真空充水有关的设备）

AP1000蒸汽发生器为立式，传热管为倒U形管，一般充水方法会使大量空气积聚在倒U形管内和控制棒导向管上部，排气十分困难，必须通过多次动态排气，才能使一回路游离在水中空气排出。动态赶气需多次启停主泵、开关阀门，过程繁复，耗费时间长，还要考虑便于组织气流的管道布置。AP1000设计了真空充水模块来完成RCS系统充水排气，缩短了一回路充水排气时间。采用真空充水在理想情况下，RCS系统不需要加联氨除氧，就可以升温升压。

AP1000反应堆冷却剂系统在设计中己考虑真空充水相关固定设施。

3.1 屏蔽电机泵

AP1000反应堆冷却剂泵是高惯性、高可靠性、低维护的屏蔽电机泵，反应堆冷却剂泵与蒸汽发生器管侧封头整合在一起。

泵吸入口与蒸汽发生器管侧封头底部直接相连，取消冷却剂环路的过渡段，减少环路压降，简化蒸汽发生器、泵和管道的基础和支撑系统，并且通过取消环路密封需求来降低在小失水事故下堆芯裸露的可能性。

每台反应堆冷却剂泵都是立式单级离心泵，在高温、高压下泵送大流量反应堆冷却剂。电机的定子和转子都包容在能承受系统全压的抗腐蚀的屏蔽套中。

AP1000主泵通过采用变频驱动控制转速，降低泵冷态启动时的电机功率，将泵的电机尺寸做到最小。变频驱动应用于泵运行的各种模式，为反应堆冷却剂泵提供所需的电压和频率。在反应堆冷却剂低温时，泵在启动和运行中受变频驱动控制低速运行。

3.2 压力壳入口接管嘴与出口接管嘴布置与半管运行（mid-loop）

AP1000反應堆热段主管道（出口接管嘴）和冷段主管道（入口接管嘴）布置在两个标高不同的平面上，如此布置下，停堆换料时反应堆冷却剂系统疏水到半管运行（mid-loop）工况，水位在出口接管嘴中心线附近，一方面保持堆芯淹没，正常余热排出系统得以正常运行；另一方面，冷段主管道排空，保持蒸汽发生器到稳压器等处排气通道的畅通，便于停堆换料结束后进行真空充水操作，便于蒸汽发生器倒U形管疏水放气后维修蒸汽发生器、主泵等设备。为避免半管运行期间余热排出泵吸入空气的可能性，热段主管道与RNS吸入母管连接处设置梯级变径管嘴，见图。

图2 冷热接管嘴偏移布置与RNS梯级变径管嘴

4.稳压器建立汽腔和RCS升温升压过程简述

AP1000核电厂启动过程中优先采用稳压器先建立汽腔，然后启动主泵的运行方式，这可以降低主泵启动过程中的压力波动。目前国内核电厂启动过程绝大部分是在水实体或稳压器充氮气后启动之泵的运行方式，

AP1000核电厂启动过程首先压力壳加盖密闭，然后RCS充水到热管段半水位（mid-loop）。RCS抽真空达到要求后，RCS进行真空自流充水，当稳压器宽量程水位达92%（窄量程水位88%）时，隔离正常余热排出热交换器（抽真空过程中RNS保持运行），投入稳压器电加热器。RCS依靠堆芯衰变热（有核燃料情况）和稳压器的电加热（开启全部电加热器）缓缓升温。当稳压器饱和水温度达到105℃左右时，通过ADS阀门进行排放气、汽混合物，放气结束后关闭ADS阀门，继续升温升压，当RZP水温达到215℃～220℃，”相应饱和蒸汽压力为2～2.5MPa）时，为主泵提供足够净正吸入压头。然后启动主泵，稳压器恢复电加热，用主泵加热RCS。加热过程中注意控制升温升压速率及稳压器和RCS温差。反应堆真空充水操作启动的升温升压曲线见图3。

图3 RCS升温升压过程

5.AP1000真空充水模块

5.1功能要求

AP1000停堆换料完成后.采用真空充水启动方法，将整个反应堆冷却剂系统，包括反应堆顶盖处、蒸汽发生器倒U形传热管顶部和稳压器内空气排出，使一回路达到尽可能高的真空度，降低反应堆冷却剂中氧含量。AP1000真空充水模块设计可使RCS压力最低可达0.01 MPa，此时相应的饱和温度约45.2℃，理论上可抽出RCS内>90%的空气。

RCS冷却剂温度与真空度和抽出气体比例关系见表2。

表2 RCS冷却剂温度与真空度和抽出气体比例

饱和温度（℃/℉） 45.2/113.3 52.3/126.1 6.9/134.4 60.1/140.1 100/212

RCS压力（psia） 1.4 2 52.5 2.9 14.7

抽出空气比例（%） 90 86 83 80 0

备注 RCS压力=0.01MPa RCS压力=大气压

5.2设计方案

真空充水模块核心装置是两个系列的真空泵，容积式电动真空泵和2级空气喷射泵模块。容积式真空泵为临时装置，单独配备电源，用后移去，用于抽主泵定子腔真空。2级喷射泵为永久装置，安装在屏蔽厂房和安全壳厂房（钢制安全壳）之间，具有非能动特性（无能动部件），操作简单，由厂用气系统提供的压缩空气驱动。真空充水模块还设有主泵定子腔回充氮气瓶等，以及与其它支持系统的接口，一起完成抽真空操作。

真空充水操作流程原理见图4，操纵员根据电厂运行状态，估计RCS可以达到的最低温度，然后确定真空充水目标真空度，即最低温度下的饱和压力。

5.3主要性能参数

表3 真空充水模块主要性能参数

容积式真空泵 数量 1

流量 8.5～10.2m3/hr

最小可达真空度 0.01MPa

2级喷射泵 数量 2

吸入流量 8.1 m3/min [286scfm]

排放流量 27.5 m3/min [970scfm]

入口压力 0.62MPa[90psig]

模块总体工作指标 一回路真空度 9.65kPa[1.4psia]

对应饱和温度 45.2℃[113.3℉]

抽出空气比例（%） 90

6. AP1000核电厂的真空充水操作

充水排气为反应堆在水压试验、换料停堆期间必须经历的过程，AP1000核电厂真空充水操作即在相应情况下进行。

6.1 真空充水运行过程描述及分析

6.1.1 RCS抽真空前系统初始状态

（1）确认RCS平均温度已低于45℃；

（2）RCS热管段水位已下降到半水位，以确保一回路各设备气空间相连接。

（3）切断ADS与IRWST的连接，防止IRWST水在抽真空过程中回流。

（4）闭锁真空破坏阀。

6.1.2主泵定子腔和RCS抽真空

参照 RCS抽真空操作系统流程原理图（见如下面RCS抽真空操作系统流程原理图）进行RCS抽真空操作

（1）启动容积式真空泵对四台主泵定子腔抽真空，当真空度达到要求以后，观察真空表指示变化趋势，确认该系统是否密封，发现有泄漏点，应立即处理，否则RCS不允许抽真空。

（2）启动2级喷射泵一回路进行抽真空，当一回路压力稍高于定子抢压力后，用2级喷射泵同时给RCS和主泵定子腔抽真空。

（3）当RCS压力达到0.015MPa～0.01MPa后，维持RCS真空。

①整个过程中容积式真空泵继续运行，作为主泵定子腔抽真空备用。

②在抽空过程中监视RNS运行工况，防止RNS入口水汽化，造成流量不稳定。

6.1.3 RCS充水操作程序

当RCS压力达到0.01 MPa左右，可取下述两类水源对RCS充水：放射性废液系统流出物暂存箱（EHT）中水或CVS硼酸制备箱和除盐水储存箱混合来水。

以第一种水源为例说明充水操作流程：

（1）开启CVS补水泵（单泵运行），将流出液暂存箱水注入一回路；

（2）当排出液暂存箱A低水位报警时，转向液暂存箱B取水；当液暂存箱B低水位报警时而RCS水量仍未满足要求时，取CVS硼酸制備箱和除盐水储存箱混合来水为水源继续充水；

（3）当PRZ基本充满后，关闭CVS补水泵，停止充水；关闭容积式真空泵、2级喷射泵模块并连通大气，平衡后关闭。

（4）关闭ADS系统A列阀门和堆顶放气阀门。

（5）稳压器加热建立汽腔。

（6）主泵定子腔回充氮气。

6.2 真空充水操作风险分析

（1）主泵定子屏蔽套鼓包

主泵定子屏蔽套厚度约为0.381mm，主泵正常运行时RCS压力载荷由屏蔽套背部支撑部件承受，屏蔽套不承压。如果主泵定子腔侧压力高于RCS侧压力超过10kPa（1.5psig），屏蔽套将变形，主泵将损坏。为确保一回路侧压力始终大于主泵定子腔侧压力，一回路抽真空前必须先对四台主泵定子腔抽真空，待主泵定子腔建立真空并稳定在规定值时才允许抽RCS真空。

为进一步保证定子屏蔽套的安全，可设计2级喷射泵模块与主泵定子腔压力的连锁。

（2）失去RNS冷却

停堆换料情况下RCS余热由RNS排出，必须时刻关注RNS正常运行，以维持RCS温度在要求限值内。任何时候失去RNS冷却，必须立即停闭抽真空设备并破坏RCS真空，以升高一回路压力（相应升高冷却剂沸点），提高安全裕度。

此外还应保证真空降低过程中RNS泵有足够的净正吸入压头，保持其流量稳定正常运行。运行经验表明当压力降低到0.068～0.05MPa范围内时部分溶解在水是空气会分离出来导致RNS流量瞬时波动，属正常现象，真空度进一步提高后将消失。

7. 结论

AP1000核电厂设计有真空充水模块，可在无核燃料水压试验前、有核燃料首次启动及有核燃料换料停堆后对反应堆一回路进行真空充水操作，无需主泵点动排气、动态赶气，减低了操作难度，同时其缩短了联氨除氧时间，提高了电厂经济性。