“华龙一号”核电厂丧失WES后采用IRWST反冷分析

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

核电厂设备冷却水系统(WCC)的主要功能是冷却核岛各类热交换器，并通过设冷热交换器由重要厂用水系统将其热负荷传至最终热阱——海水。“华龙一号”WCC系统配置有两列，每个系列在事故工况下都能提供100%的应急冷却能力。WCC系统的主要冷却用户包括安全壳喷淋系统、电气厂房冷冻水系统、安全注入系统、余热排出系统、反应堆冷却剂系统主泵、化学和容积控制系统等等。核电厂发生丧失WES事故后，为了延长WCC系统的工作时间，根据电厂操作规程，可以利用换料水箱中较低温度的含硼水，对设备冷却水系统实行反冷操作。“华龙一号”核电厂采用兼作安全壳地坑的内置换料水箱，从位置标高与体积容量等均与传统M310堆型的PTR水箱差异较大，有必要对IRWST在丧失WES事故后的反冷作用进行分析。另外，本文计算分析结论能够为“华龙一号”核电厂故障操作规程的开发提供重要依据。

1 反冷操作系统描述

核电厂在失去重要厂用水功能后，根据操作规程，应采用安全壳喷淋系统试验管线、安喷泵(CSP)、安喷热交换器以及IRWST构成反冷回路[1](见图1)，通过CSP泵从IRWST水箱中抽取低温的含硼水进入安喷热交换器的CSP侧，WCC泵运行使得WCC系统中的流体经过安喷热交换器的WCC侧，借助于IRWST水箱的大热容量，可以在一定时间内使得WCC系统中的水得到冷却，即把IRWST作为WCC系统的热阱。

图1 IRWST反冷WCC的系统示意图Fig.1 The sketch of IRWST cooling WCC

2 反冷操作最晚时间窗口计算

根据“华龙一号”核电厂WCC系统设计基准，在核电厂所有运行工况下，当海水最高温度为30.7 ℃时，WCC的最高温度为35 ℃。但是下述两种情况除外：

1)在进入冷停堆和次临界停堆工况下，当海水最高温度为30.7 ℃时，WCC温度为40 ℃。

2)在丧失冷却剂事故(LOCA)工况下，当海水最高温度为35.5 ℃时，WCC温度为45 ℃。

丧失重要厂用水事故属于超设计基准事故，本文分析中不考虑叠加LOCA的极端不可能工况。而在实际运行中，海水及WCC温度不会一直如此之高，因此本文WCC系统初始温度选用35℃是足够保守的。

核电厂丧失重要厂用水功能后，设备冷却水失去热阱，设冷水温度开始升高，当水温达到55 ℃时，根据事故规程要求，必须停运反应堆主泵，隔离上充、下泄，并且必须将WCC泵停闭，这是因为高于55 ℃的WCC水便有可能对某些终端用户进行加热[2]。因此，本文计算中所采用的限制准则是WCC水温不高于55 ℃。

假设WCC初始水温为T0，计算终止温度为Te，由于丧失WES冷却，WCC的带热负荷全部用于WCC系统水温的升高，有如下公式：

m×Cp×(Te-T0)=P×t

式中，m——WCC系统除去波动箱及系统死管部分的水装量，计算取436.8 t左右;

Cp——水的比热，取4.18 kJ/(kg·℃);

P——WCC系统正常运行时的总带热负荷，取值为34.57 MW。

由上述公式很容易计算出，对于“华龙一号”核电厂，在发生丧失WES功能后，如果操作员不采取缓解措施，WCC水温将于17.6 min后升至55 ℃。

3 反冷操作效果的定量评价

3.1 程序与建模

本文计算使用RELAP5程序。RELAP5程序是美国爱达荷国家工程实验室(Idaho National Engineering Laboratory (INEL))于20世纪80年代逐渐开发，专门用于核电厂事故分析的大型热工水力最佳估算程序，可用于事故瞬态和失水事故的计算分析，是目前最常用的核电厂系统热工水力分析程序之一。

根据丧失WES后采用IRWST进行反冷的作用原理，使用RELAP5程序进行建模，节点划分见图2。其中：控制体160为内置换料水箱，115为CSP泵，130为安喷换热器CSP侧，控制体100、110、120、140、150代表使用安喷试验管线构成的反冷回路。250为安喷换热器WCC侧，205为WCC泵。控制体255、200、210、230代表WCC系统管道。300用于模拟WCC系统带热负荷。

图2 IRWST反冷回路RELAP5程序节点划分图Fig.2 The RELAP5 nodalization of IRWST cooling loop

在计算之前，首先要确定安喷热交换器的传热面积和传热系数，使其达到设计工作状态。表1给出CSP热交换器工作参数的调试结果。可以看出，本文RELAP5程序对CSP换热器模拟的计算值与设计值偏差很小，能够满足计算需求。

表1 安喷热交换器工作参数调试结果Table 1 The calculation results of the CSP heatexchanger working values

3.2 工况计算与分析

根据“华龙一号”WCC系统功能设计，需要WCC冷却的热交换器可以分成3类，分别是1)安全相关的热交换器，在处理Ⅲ类或Ⅳ类事故时起重要作用；2)在正常运行和丧失厂外电源时需要冷却的重要热交换器；3)在正常运行时使用，而在丧失厂外电源后不立刻起作用的热交换器。

根据电厂操作规程，在执行反冷操作中，为了增加WCC系统的有效工作时间，应逐步切除掉不必要的冷却用户。“华龙一号”核电厂用于处理正常运行工况下丧失WES事故操作规程的主要动作如表2所示。

表2 丧失WES事故后操作员动作

选择不同IRWST初始水温，采用RELAP5程序搭建的反冷回路模型进行计算，在计算过程中假设设冷水系统的设备、管道以及用户设备的金属材料不考虑散热、吸热，为保守起见，也不考虑设冷水温度上升造成传至设冷水系统的热负荷减少。由表3与图3给出的计算结果可以知道，当IRWST初始水温为35 ℃时，由于反冷回路中安喷热交换器两侧流体的温差较小，并且在事故前期WCC系统的热负荷仍然处于较高的水平，因此WCC系统的水温一直处于上升趋势，当事故后2 030 s，尽管此时将WCC的热负荷降低至最低水平9.754 MW，WCC系统的升温趋势开始减缓，但在此之前1 800 s左右，WCC系统的水温已经超过55 ℃， 0.5 h对于操作员恢复WES系统功能来说是不充分的，因为可以认为IRWST初始温度为35 ℃时的反冷作用是不成功的。对于IRWST初始温度低于30 ℃的工况，此反冷作用能够保证WCC系统维持有效工作的时间在2.8 h以上，为操作员恢复WES功能提供了较大的时间裕量。

表3 IRWST反冷持续时间

图3 WCC与IRWST水温的变化曲线Fig.3 The water temperature curve of WCC and IRWST

图3 WCC与IRWST水温的变化曲线(续)Fig.3 The water temperature curve of WCC and IRWST

4 结 论

“华龙一号”核电厂丧失重要厂用水之后，根据电厂操作规程，可以采用IRWST水箱、安喷试验管线以及安喷热交换器构成反冷回路，同时对WCC系统非必要用户的热负荷进行切除的方式对WCC系统进行反冷。

针对WCC初始水温为35 ℃的工况，此反冷操作应在17.6 min之内投入。在IRWST初始水温低于30 ℃时，依靠IRWST水箱的热惯性，在很大程度上延缓了WCC系统水温的上升趋势，能够在数小时内保证WCC系统继续有效工作，为操作员恢复WES系统功能提供了较大的时间裕量。