华龙一号安注箱注入特性优化研究

盛美玲，丘锦萌，唐 辉

(华龙国际核电技术有限公司，北京 100036)

安全注入系统是华龙一号机组最重要的安全系统，其主要功能是在一回路发生破口事故时，通过安注箱和安注泵向一回路应急注水实现应急堆芯冷却。特别是在一回路大、中破口事故工况下，当一回路压力降低至安注箱氮气初始蓄压时，安注箱内含硼水通过非能动方式快速充满压力容器下封头，后续通过能动的安注泵将含硼水注入堆芯，实现堆芯淹没和持续应急堆芯冷却，最终达到可控状态。

传统安注箱在应对一回路破口时，主要是满足大流量堆芯淹没功能，然后依靠能动的低压安注泵满足长期阶段的流量需求，若低压安注泵不能有效注入一回路，堆芯将无法得到有效冷却。为此，日本三菱公司和韩国APR1400分别提出了一种改进型的先进安注箱[1-3]，在大流量注入后过渡到小流量注入，可以延长安注箱的有效注入时间，从而优化低压安注泵的功能要求，更进一步可能可以取消低压安注功能，减少能动安全设施[4-5]。但这种先进安注箱的设计对水力学部件(阻尼器)的依赖性较高，且容积相对传统安注箱较大，不利于反应堆厂房内的布置。

常规安注箱注入方式一般是通过每个环路的冷管段注入到压力容器，该设计的主要缺点是当发生冷段破口时，直接导致一台安注箱内含硼水无法有效注入堆芯。因此，采用压力容器直接注入是应对上述缺点的主要措施，且采用直接注入方式，含硼水直接从压力容器下降段注入堆芯，有效地完成再充水和再淹没过程。在工程实践上，AP1000机组就是通过直接注入管线连接到安注箱，实现了压力容器直接注入的安注方式[6]。但与AP1000采用堆芯补水箱、安注箱、内置换料水箱等非能动执行应急堆芯注入的方式不同，华龙一号机组的设计采用能动设备执行安注功能，配置了中压安注泵、低压安注泵和安注箱执行应急堆芯注入的功能[7]，由于安注箱和安注泵的注入流量和持续时间相差较大，安注箱和安注泵的注入口一般单独设置，即使合并为1条注入管线，也是在与一回路较近的位置进行合并，且注入管线管径很大，才能同时满足安注箱和安注泵的注入要求。

华龙一号机组安全注入系统优化方案之一是采用压力容器直接注入的方式，安注泵和安注箱的注入管线合并，均通过直接注入管线连接至压力容器，安注箱采用传统安注箱的设计。通过这种优化改进，不仅减少安全注入系统与一回路或压力容器的注入接口数量，在发生冷段破口事故时所有安注箱都能有效注入，又能充分利用安注箱可持续注入时间的延长以及中压安注泵在低压段的注入流量，取消独立设置的低压安注泵。

在安全注入系统优化改进的基础上，本文针对华龙一号机组安注箱直接注入方式的注入特性进行研究，通过FLOWMASTER软件建立模型，分别对安注箱下游的直接注入管线的阻力特性、安注箱容积和安注箱初始蓄压进行敏感性分析，在满足安全分析要求的基础上，通过优化直接注入管线的管径和布置长度、减小安注箱容积、合理选取安注箱初始蓄压，优化安注箱的注入性能，提升安注箱的安全特性，降低对安注泵在低压长期阶段的容量需求，减少反应堆厂房布置空间。

1 模型建立

1.1 安注箱管线布置

安全注入系统的安注箱是利用氮气加压、充有含硼水的容器，位于反应堆厂房内，通过直接注入管线连接至压力容器，直接注入管线与压力容器的接管和安注箱出口之间的高度差为8 m，注入管线上串联布置了1台常开隔离阀和两台止回阀，隔离阀采用阻力较小的闸阀[8]。安注箱出口至压力容器之间共布置了3个三通、6个弯头、1个大小头，安注泵的注入管线连接至安注箱注入管线大小头的下游。安注箱至压力容器之间的注入管线布置如图1所示。

图1 安注箱注入管线布置示意图

1.2 建立模型

利用FLOWMASTER对核电站的流体系统进行模拟计算，较为精确地分析系统压力、流量、流速、温度等参数，用于指导系统优化设计、解决电站调试问题。FLOWMASTER已在核电站设计中得到广泛应用，根据工程实践和调试数据对比，能完全模拟实际的系统运行情况[9-10]。

本文根据华龙一号安全注入系统布置参数建立单台安注箱注入管系的FLOWMASTER模型，如图2所示。其中安注箱内的含硼水按不可压缩的常物性流体处理，安注箱上部氮气采用理想气体的可压缩模型，压力容器采用压力源进行模拟。安注箱至大小头之间的管线管径选取DN300，大小头至压力容器之间的管线管径选取DN150，安注箱初始蓄压为5 MPa(绝对压力)，安注箱容积为65 m3[11]。安注箱至第一道止回阀之间的管线外径为323.9 mm，壁厚为12.7 mm；第一道止回阀至大小头之间的管线外径为323.9 mm，壁厚为28.58 mm；大小头至压力容器之间的管线外径为168.3 mm，壁厚为18.26 mm。根据系统管道的阻力计算方法[12]，闸阀的局部阻力特性等效为管道长度时约为15倍的管道直径，止回阀的局部阻力特性等效为50倍的管道直径，弯头和三通的阻力特性等效为15倍的管道直径。

图2 安注箱注入模型

2 安全分析要求

华龙一号安全注入系统发生大破口事故最为恶劣，根据安全分析要求，该事故工况下单台安注箱需要注入的流量要求如图3所示。根据上述安注箱注入模型，可计算得到安注箱的注入流量与注入时间的关系，同样示于图3。由图3可知，华龙一号安全注入系统采用压力容器直接注入方式，安注箱的注入流量和可持续注入时间满足安全分析的要求，仅用中压安注泵即可满足低压安注的注入需求，可取消独立设置的低压安注泵。

图3 安注箱注入流量与注入时间的关系

3 敏感性分析

安注箱和安注泵采用压力容器直接注入的方式，可提高安注箱的有效注入性能、简化安注泵的配置，达到优化安全注入系统的目的。安注箱的注入特性既与注入方式有关[6]，也与安注箱出口注入管线阻力特性、安注箱容积和初始蓄压等因素有直接关系，本文针对安注箱下游的直接注入管线的阻力特性、安注箱容积和安注箱初始蓄压进行敏感性分析，为进一步优化安注箱和安注泵的设计提供依据。

3.1 直接注入管线阻力特性

结合目前工程实践的安注箱设计，安注箱下游注入管线管径通常选取DN300，以实现快速淹没堆芯的功能。对于华龙一号安全注入系统的优化方案中，安注箱下游注入管线管径也选取DN300，仅优化安注箱与安注泵共用管线的管径，通过最小改进实现系统的功能，即对大小头下游的管线管径进行阻力特性敏感性分析。

压力容器直接注入管线的管径受到压力容器强度要求和堆坑布置空间的限制，本文对大小头下游的直接注入管线选取公称直径为DN200、DN150、DN125进行敏感性分析。分析时其他参数如下：安注箱初始蓄压为5 MPa(绝对压力)，安注箱容积为65 m3，根据管线布置参数和管件阻力特性的等效长度，大小头下游的直接注入管线等效长度为9 m。不同直接注入管线管径下安注箱注入流量与注入时间的关系如图4所示。

图4 不同直接注入管线管径下安注箱注入流量与注入时间的关系

由图4可知：直接注入管线管径选取较小时，直接注入管线的阻力增大，可以延长安注箱的注入时间，但注入峰值流量下降，无法满足快速淹没堆芯的要求；直接注入管线管径选取较大时，直接注入管线的阻力较小，安注箱注入峰值流量增大，但会减少安注箱的可持续注入时间，无法满足缓解低压安注容量的要求。

管线阻力特性不仅与管线管径有关，还与实际布置的管线长度有关。当管线管径不变时，管线长度越长，管系阻力越大，安注箱可持续注入时间越长；管线长度越短，管系阻力越小，安注箱注入峰值流量越高。因此，结合图4的注入特性曲线，大小头下游的直接注入管线选取DN200的管径时需要增加管线长度，以降低注入峰值流量，延长安注箱注入时间；对于管径选取DN125时，需要减小管线长度，以缩短安注箱注入时间，同时增加注入流量峰值。本文针对大小头下游的直接注入管线选取DN200、DN150、DN125时，进行管线长度的敏感性分析，计算得到3种不同的管径对应不同的管线长度，安注箱注入流量与直接注入管线管径和长度的关系如图5所示。

图5 安注箱注入流量与直接注入管线管径和长度的关系

由图5可知，为满足安全分析的要求和尽量减少改进范围，华龙一号安注箱直接注入管线大小头上游管线管径选取DN300，大小头下游管线可根据布置空间、压力容器强度等因素选取3组不同的管径和等效长度，即大小头下游直接注入管线管径选取DN150时，管线等效长度布置在9 m左右；大小头下游直接注入管线管径选取DN200时，管线等效长度布置在22 m左右；大小头下游直接注入管线管径选取DN125时，管线等效长度布置在4 m左右。

3.2 安注箱容积

安注箱布置在反应堆厂房，安注箱的容积不仅影响安注对缓解事故的作用[13]，也直接影响反应堆厂房的空间和尺寸，因此有必要对安注箱的容积进行敏感性分析，以便选取最优的安注箱容积，优化反应堆厂房布置。本文对安注箱容积选取65、60、55、50 m3进行敏感性分析，同时安注箱初始蓄压设计为5 MPa(绝对压力)，大小头下游的直接注入管线管径为DN150、等效长度为9 m。安注箱注入流量与安注箱容积的关系如图6所示。

图6 安注箱注入流量与安注箱容积的关系

由图6可知，在安注箱初始蓄压不变的情况下，安注箱容积越大，含硼水的体积越大，安注箱可持续注入的时间越长，对于事故分析越有利，但会增加反应堆厂房的布置难度。根据安全分析的要求，在安注箱初始蓄压为5 MPa(绝对压力)、大小头下游的直接注入管线管径为DN150时，华龙一号安注箱容积减小至55 m3，满足安注箱的注入要求。通过压力容器直接注入的方式及合理选取管线管径和安注箱容积，传统安注箱也可发挥类似先进安注箱的注入功能，同时，传统安注箱的容积与先进安注箱的容积相比较小[14-15]，更有利于节省反应堆厂房的布置空间。

3.3 安注箱初始蓄压

安注箱向一回路注入时，流量先增后减主要是因为一回路的压力快速下降引起安注箱与一回路的压差先大后小[16]，安注箱的初始蓄压直接影响安全注入的流量峰值。安注箱的初始蓄压由压缩氮气维持，氮气来自于核岛氮气分配系统，因此安注箱的初始蓄压受到核岛氮气分配系统的限制。本文针对安注箱的初始蓄压进行压力谱分析，得到不同蓄压下安注箱的注入特性曲线，如图7所示。安注箱注入峰值流量和可注入时间与初始蓄压间的关系如图8所示。

图7 安注箱注入特性与安注箱初始蓄压的关系

图8 安注箱注入峰值流量和可注入时间与安注箱初始蓄压的关系

由图7可知：在安注箱容积为65 m3、大小头下游直接注入管线管径选取DN150时，安注箱的初始蓄压设置在4.5～6 MPa(绝对压力)之间，均满足安全分析的注入要求。安注箱内初始蓄压较高时，安注箱注入流量较大，导致安注箱中的水过早过多地排空，安注箱内过多的含硼水注入堆芯之后，会通过一回路破口流向安全壳，不仅削弱了安注的效果，还增加了安全壳内的质能释放量；安注箱内初始蓄压较低时，安注箱注入时间虽长，但在一回路破口事故中注入堆芯的流量不足，会造成堆芯裸露。由图8可知，安注箱注入峰值流量和可注入时间与初始蓄压之间并非线性关系，需根据具体布置参数和系统设计进行详细计算，以便得到安注箱最优的注入性能。华龙一号安全注入系统在安注箱容积设计为65 m3、大小头下游直接注入管线管径选取DN150时，安注箱的初始蓄压选取4.5 MPa(绝对压力)，既可满足注入流量的要求，又可有效延长安注箱的注入时间，进一步降低安注泵在低压长期阶段的流量需求。

4 结论

本文通过FLOWMASTER建立华龙一号安注箱压力容器直接注入管系模型，对一回路破口事故工况下的注入特性进行分析，在满足事故分析的基础上，通过对安注箱注入管系参数、安注箱容积和蓄压的优化，可进一步降低对安注泵的注入要求和节省反应堆厂房内的布置空间。本文所得结论如下。

1)在安注箱初始蓄压为5 MPa(绝对压力)、容积为65 m3时，大小头下游直接注入管线管径选取DN150可满足安全分析的要求；针对大小头下游直接注入管线选取DN200或DN125的管径时，通过合理的管线布置，也可得到满足安全分析要求的管线参数。

2)在安注箱初始蓄压不变的情况下，华龙一号安注箱的容积选取55 m3满足注入要求。与先进安注箱相比，通过压力容器直接注入的方式及合理选取管线管径，传统安注箱不仅可发挥类似先进安注箱的注入功能，较小的容积也有利于节省反应堆厂房的布置空间。

3)安注箱内初始蓄压较高会导致安注箱注入峰值过高，过早的排空，削弱了安注的效果；初始蓄压较低，可能在一回路破口事故中注入流量不足，造成堆芯裸露。华龙一号安注箱的初始蓄压选取4.5 MPa(绝对压力)，既可满足安全分析的要求，又可延长安注箱的注入时间，进一步降低安注泵在低压长期阶段的流量需求。