核电厂乏燃料水池温度变化的计算

江亚烈 宋迎雷 谢佳彬 黄伟龙 林拓

摘 要：分析某电厂乏燃料水池冷却系统，计算不同系统参数与设置下的热交换器的换热参数，根据乏燃料水池中乏燃料组件衰变热功率，计算在不同情况下，乏燃料水池温度的变化趋势，确保乏燃料水池温度不超出运行限值，为确定设备检修窗口，监视乏燃料水池冷却情况提供明确参考。

关键词：乏燃料水池;温度;预测

0 引言

核电厂乏燃料组件的冷却，是停堆安全的重要组成部分。保障乏燃料水池的冷却，确保乏燃料水池的温度不超过运行限值，是重要核安全关注事项。

在机组正常运行期间，乏燃料水池中贮存的乏燃料组件衰变热功率较低，一般通过一列冷却回路即可导出其衰变热;在大修卸料后，一般通过两列冷却回路进行冷却，确保乏池的温度低于运行限值。在大修期间，由于系统设备检修等工作，将乏池的冷却由正常的两列冷却调整为一列冷却，导致冷却回路的换热效率降低，乏燃料水池的温度上升，导致乏池温度超出正常运行限值的风险。

分析某电厂的乏池冷却回路和热交换器参数，计算不同冷却模式下的换热参数;根据乏池中的衰变热功率、乏池温度及冷却水温度，计算乏燃料水池的温度变化趋势，确定乏池的最高温度是否满足相关要求，为相关检修方案提供参考，也为运行人员监视乏池冷却情况提供明确参考，有利于及时发现乏池冷却错误的情况。

1 乏燃料水池冷却系统

某CPR1000机组乏燃料水池冷却系统（PTR）采用3台冷却水泵和3个额度负荷为5.4MW的板式热交换器，另外设置了一条净化回路，系统流程简图见图1。正常运行期间，乏燃料水池采用1台冷却水泵和1个热交换器运行;大修卸料工况下，采用2台冷却水泵和2个热交换器运行，能够满足热负荷下的乏池冷却要求，保证乏池温度不超过50℃（假设热交换器冷侧入口温度假设35℃）。

当1台冷却水泵和1个热交换器运行时（单泵单冷模式），热交换器的热侧流量=泵流量-净化回路流量=421-60=361m3/h。

当2台冷却水泵和2个热交换器运行时（双泵双冷模式），热侧流量=421-60/2=391 m3/h。

两种冷却模式下，每台热交换器的冷侧流量保持542 m3/h不变，由于热侧流量的不同，因此热交换器的换热效率存在差异。根据PTR系统的设计手册提供了单泵单冷模式下热交换器的额定参数，计算热交换系数K1为2.94℃/MW;进一步根据额定参数，推导双泵双冷时的换热参数，计算出双泵双冷模式下，每台板式热交换器的热交换系数K为2.78℃/MW，双泵双冷模式下总的热交换系数K2为1.39℃/MW。

查询机组历史数据发现，在大修期间，由于某些特殊原因，乏池的冷却除了单泵单冷和双泵双冷之外，可能还有采用其他的运行模式，如单泵双冷等，这种情况下，需要根据相关阀门的开关情况和冷却泵的启停情况，梳理出乏池含硼水在冷却系统中的流经路线，确定热交换器的热侧流量，计算该模式下的换热效率。

2 燃料水池的基本情况

乏燃料水池与传输池、装罐池通过气闸门隔开，正常運行期间，乏燃料组件贮存在乏池，由乏池的水进行冷却;在大修装卸料期间，乏池与传输池及反应堆水池连通，大修的堆芯组件和之前贮存的乏燃料组件由乏池、反应堆水池及传输池的水共同冷却，因此不同工况下，冷却燃料组件的水量不同。本文仅考虑乏池与其他水池隔离的情况进行计算。

乏燃料水池的温度变化趋势计算，主要是用于参考与指导，不需要非常精确，因此对于乏池的水量可以采用估算值，不考虑乏燃料组件放入乏池排水导致水量的减少以及实际液位与假设液位的偏差。根据乏燃料水池的设计参数，简单估算乏池的水容积为1326m3，采用常温常压下的水参数作为计算假设：比容为1.0078m3/t，定压比容c为4.1786KJ/（kg℃）。

大修停堆前，计算堆芯燃料组件的衰变热功率和乏池已贮存组件的衰变热功率。根据换料方案，分别计算卸料后及装料后乏池衰变热功率，用于制定大修期间乏池冷却泵与热交换器的投运策略以及计算乏池失去冷却后温度上升速率。某电厂某次大修衰变热计算结果如下表3所示。

3 乏池温度的预测计算

3.1 正常运行期间乏池温度预测

正常运行期间，通过单泵单冷模式保持乏池的冷却，乏池温度基本稳定，衰变热功率与热交换器换热功率保持平衡，热交换器的换热功率QC=ΔT/K=（Tinh-Tinc）/K1=衰变热功率QD。

Tinh为热交换器的热侧入口温度，即乏池温度TPTR;

Tinc为热交换器的冷侧入口温度，即设备冷却水温度TRRI。

TPTR= QDK1+TRRI

因此在正常运行期间，乏池与设备冷却水的温差随衰变热功率的衰减而缓慢缩小，乏池水温主要随着RRI水温的变化而变化。

3.2 大修期间乏池温度预测计算

大修卸料结束后，乏燃料水池未与其他水池连通，双泵双冷模式下，当衰变热功率与热交换器换热功率平衡时，TPTR= QDK2+TRRI。

当乏池温度未达到平衡，或者平衡被打破时，乏池温度将发生变化，重新达到平衡平衡状态，如在双泵双冷模式平衡状态下，切换为单泵单冷模式，热交换功率比衰变热功率小，乏池将被加热，温度上升，热交换功率随之增大，直到达到衰变热功率，达到新的平衡状态。提前计算乏池温度的变化趋势，为运行人员监视乏池冷却以及为维修专业确定检修工期提供指导与参考。

乏池温度的变化计算过程如下：

其中c为乏池水的等压比容，m为乏池水的质量，QD为衰变热功率，QC为热交换器换热功率，TRRI为热交换器冷侧入口温度。

当t=∞时，QD=QC，即

T（∞）=QD K+TRRI

解得方程：

定义平衡温度TB=T（∞）=QDK+TRRI

乏池温度与平衡温度之差按指数衰减，衰减半衰期为ln2*K*c*m。

以上推导过程未考虑衰变热功率QD的变化，因此在实际应用中，特别是在大修期间衰变热功率衰减较快的阶段，需要考虑衰变热功率的变化。另外，现场的温度测量也存在一定的误差，设备冷却水温度TRRI也是一直在变化，使乏池温度预测的计算结果与实际的温度变化存在一定的偏差，但均在合理范围内。

对于衰变热功率变化采取简化处理，根据衰变热计算报告结果，通过线性插值的方法获得不同时间的衰变热功率，在计算乏池温度时，衰变热功率采用实时插值计算得出的功率值。

以某电厂4号机组大修期间的数据进行了计算与验证，期间进行了两次模式切换，首先是由双泵双冷模式切换为单泵单冷模式，达到平衡一段时间后，再切回双泵双冷模式。RRI侧入口温度采用切换模式时的温度值，计算了切换模式后乏池温度变化趋势，并通过机组的实际数据对计算结果进行了验证，验证结果见图2，实际温度与预测的温度趋势十分相符，同时会随着RRI侧入口温度的波动而波动。

4 总结

考虑衰变热功率的不确定性，相关温度信号的测量误差，以及热交换器的实际参数与额定参数的差异导致的换热性能的偏差，乏燃料水池温度变化的预测计算结果，存在一定的不确定性。虽然如此，但实际数据与计算结果的对比情况，也验证了计算结果的准确性，也验证了采用的衰变热功率的准确性，可以用于指导现场。对于这些偏差，也可以通过平衡状态下的实际数据对不同机组在不同模式下的热交换系数进行修正，从而在未对热交换器开展特性试验的情况下，获得更加符合实际的相关参数。