高位排气系统排放容量要求及主要影响因素分析

武铃珺+王小吉+邓坚

【摘 要】在三哩岛事故中，反应堆冷却剂系统内氢气气泡的产生并积聚在压力容器顶部位置阻碍了冷却剂流动，从而影响了堆芯的冷却效果。为消除事故过程中大量积聚在反应堆压力容器顶部的不可凝结气体对机组安全造成的重大威胁，电站需要设置压力容器顶部的事故排气系统，在事故中通过此系统将大量积聚在反应堆压力容器顶部的不可凝结气体排出。对于高位排气系统，其排放不可凝气体的容量受多种因素的影响，文章将对此系统排放容量的要求及其因素进行分析。

【关键词】高位排气；氢气；系统容量

【Abstract】One of the post-TMI requirements is that each applicant and licensee shall install reactor vessel head vent system （RVHVS）. The basic function of RVHVS is to remove non-condensable gases or steam from the reactor vessel head. This system is designed to mitigate a possible condition of inadequate core cooling or impaired natural circulation resulting from the accumulation of non-condensable gases in the Reactor Coolant System （RCS）. This paper will discuss the venting capability criterion for RVHVS， and compares the impact of several main affect factors in meeting this criterion.

【Key words】Reactor vessel head vent system； Hydrogen； Venting capability

0 引言

在美国三哩岛事故（TMI-2）中，反应堆冷却剂系统内产生的氢气气泡在压力容器顶部等位置积聚，阻碍了冷却剂流动，从而影响了堆芯的冷却效果。基于以上原因，三哩岛事故之后，美国修订并出台新规定（10 CFR 50.44修订、50.46a），要求所有电厂需“提供不可凝气体从反应堆高位排放的能力以及其它为维持足够堆芯冷却要求的系统。”[2]用以事故中排出积聚在一回路高位处的不可凝气体。目前，美国在役的多数核电厂以及其所设计的AP1000堆型均设置了高位排气系统。法国EPR堆型核电厂在提交给美国的U.S. EPR的后期设计中也考虑了设置专门的高位排气系统。

在我国自主研发的三代百万千瓦级压水式反应堆上也增设了事故后高位排气系统，在事故过程中通过此系统将大量积聚在压力容器顶部的不可凝结气体排出，保持反应堆冷却剂系统唯一汽水界面。电厂增设此系统，有利于事故工况下维持堆芯冷却，缓解事故进程。

1 系统简介

反应堆高位排气系统由两列平行的流动路径构成，每列包括两个串联的排放阀。系统管路上设置有一个限流孔板，其目的是为满足SRP 5.4.12中LOCA限值要求，即由高位排气系统泄漏或破口引起的反应堆冷却剂的丧失量不应超过正常的补给水量，故此限流孔板尺寸最大为当量直径9.5mm。排放系统连接通向卸压箱的排放管线，最终通过卸压箱排放入安全壳。系统简化流程示意图如图1。

2 排气系统容量需求

关于高位排气系统容量的衡量标准，在NUREG-0737中指出，可通过多种方式来确定排气系统的排气尺寸，其中一种方式，也是NRC认为很合理的方式，是指定在规定排放时间内排出不可凝气体的体积[3]。例如，具备在1小时内排放相当于反应堆冷却剂系统一半容积的不可凝气体的能力。之后，在核电厂的应用过程中，这一推荐的评判标准被广泛接受及应用，例如美国Watts Bar 核电厂1、2号机组、Indian Point 3 核电厂、Indian Point 2 核电厂以及U.S. EPR，在其高位排气系统容量论证时均采用了这一准则。之后，在URD第三卷中也明确了对此系统容量的要求“The safety depressurization and vent system （SDVS） shall have sufficient capacity to vent one-half of the RCS volume in one hour”[4]。

对于我国自主研发的三代百万千瓦级压水式反应堆，其反应堆冷却剂系统热态总容积约为320m3，因此，高位排气系统容量的验收准则是：在反应堆冷却剂系统设计压力和温度下，高位排气系统能够通过并联的两列路径中的任意一列在1小时内排放约160m3的氢气。

3 验收准则讨论

在所采用的针对高位排气系统的容量准则中有两个问题不够明确：

3.1 未明确指出需求排气体积是衡量管路中哪个位置的排放能力

准则必须具备一定的通用性，必然是选择具有可衡量的统一标准，高位排气系统路径中压降梯度较大，可压缩气体在其内的密度变化差异较为显著，在此前提下，不可能选取某一中间位置作为衡量的依据。据此，排放准则中可衡量的位置仅可能为排放路径初始位置（即，压力容器出口处）或者排放路径末端（即安全壳入口处）。

假设准则采用的是排入安全壳的气体体积作为容量论证数据，则在安全壳环境下（压力0.101MPa）满足一小时排放160m3氢气的要求，所排放的氢气质量约为15kg，即使是考虑取安全壳设计工况（压力0.52MPa）的条件，折合氢气质量也仅约48kg。对于我国自主研发的三代百万千瓦级压水式反应堆，100%锆水反应产生的氢气总质量约1000kg，即使是我国现行六百兆瓦级核电站，其100%锆水反应产生的氢气总质量也有约700kg。相较于此数值，安全壳入口处氢气体积的衡量标准显然是不具有参考性的，也很显然无法满足高位排气系统设定功能的基本要求。因此，此种假设可以被排除。

如果采用排放路径初始位置（即压力容器出口处）的氢气体积作为衡量标准，满足一小时排放160m3氢气的要求，所排放氢气质量约为1080kg（压力容器压力、温度分别为设计值17.23MPa、343℃）相较100%锆水反应所能产生的氢气总质量1000kg（约），具有一定的可参考性，也符合排气系统设定功能的基本要求。

因此，可以判断准则中所指排放氢气体积的参考位置为排气路径的初始位置，即排放管与压力容器连接处。

3.2 在准则中并未明确指出需求排放氢气的状态是否包含水蒸汽

准则必须具备一定的通用性，必然是选择具有可衡量的统一标准，在此前提下，准则中并未明确指出要求排放氢气的状态是否包含水蒸汽，则只能有两种可能，其一，准则所判断的氢气排放量为干氢气状态，不包含水蒸汽；其二，氢气排放标准所指为包含饱和蒸汽的状态。

假设排放标准所指为包含饱和蒸汽的状态，则在准则要求的反应堆冷却剂系统设计压力和温度下，仅考虑9.5mm限流孔板处阻力的情况中（阻力最小化假设），排气系统一小时排放混合气体20m3（约），此数值与我们所需的一小时排放160m3氢气的要求相差甚远。如此，想得到满足要求的排量只能增大限流孔板的面积来减小这部分阻力造成的影响，但需要扩大的程度为9.5mm的n倍，此种管径尺寸无疑将大大增加了LOCA风险，这显然与高位排气系统设置要求中不增加LOCA风险是相违背的。

因此，可以判断准则中所指氢气为干氢气状态。

综合以上分析，验收准则的限制条件是：在压力容器出口处干氢气的体积流量。

4 排气系统容量影响因素分析

高位排气系统的排放介质为可压缩流体（氢气），其沿管道的压力损失决定了管路各处的实际压力，管路中的实际压力和温度又决定了该处的流体密度，而流体的密度又影响着该处压降的计算。因此，可压缩流体的压降计算中，流体的密度和压力有着较复杂的耦合，管道中具体位置的压力和密度不容易确定。

为研究反应堆高位排气系统容量及其影响因素，应用RELAP5计算程序，根据系统设计参数，进行建模，所采用的模型节点划分如图2所示。

排气系统的排放能力取决于流体流经管路中所受各种阻力的总和。反应堆高位排气系统的阻力来源有：限流孔板、排放阀门、管径、管段长度、弯头接管等。本文将对各阻力组成部分进行敏感性分析，研究影响高位排气系统容量的主要因素。

拟定初始状态为基准进行敏感性分析，初始假设条件为：

1）高位排气系统采用了冗余的两列排气管线设计，容量分析时仅考虑一列阀门开启情况。为使计算结果偏保守，选取管长较长的一条管线，即V-1阀门所在分支列进行分析；

2）反应堆冷却剂系统始终处于设计压力和温度下，压力：17.23MPa、温度：343℃；

3）安全壳大气环境取设计值，压力：0.52MPa.a；

4）反应堆冷却剂系统内全部为干氢气；

5）排气系统上游接管直径（外）2.54cm（1 in），总长度约28m，有三通、弯头等16个；排放阀后下游管直径（外）30.48cm（12 in），到卸压箱的排放管长度约为24m，有三通、弯头等5个；

在初始假设条件下一列排放阀在1小时内氢气排量为162.8m3，对于我国自主研发的三代百万千瓦级压水式反应堆，拟定初始设计状态能够满足容量的需求。

4.1 限流孔板影响

为满足SRP的要求，限流孔板只能选取≤9.5mm的尺寸，为研究限流孔板对容量的影响，分别选取不同的尺寸做敏感性分析，结果如表1。

4.2 事故排放阀影响

事故排放阀的喉部面积最终决定其排放能力，分别选取不同尺寸的事故排放阀喉部面积做敏感性分析，结果如表2。

4.3 管径影响

排放管的管径将直接影响到限流孔板和排放阀的阻力。排放系统下游所连接的排放管直径为12in部分，其位置在排放阀后，管径较流道前端管径大n倍，对总体阻力的影响很小，这里不做分析。根据实际排放管规格，分别选取不同尺寸的上游管管径做敏感性分析，结果如表3。

4.4 管长度影响

管子长度对流体在排放管中所受摩擦阻力有一定影响。在固定的电站设计中，排气系统的布置位置是确定的，管子长度的减小是十分困难的，因此分别不同程度的等比例增大上游管总长度做敏感性分析，结果如表4。

4.5 弯头、三通等影响

排放路径中的弯头、三通的个数会增加流体在排放管中所受的阻力总和。在固定的电站设计中，排气系统的布置位置是确定的，弯头、三通的个数减少是十分困难的，因此分别增加上游管中弯头、三通的个数做敏感性分析，结果如表5。

4.6 结果分析

为满足SRP的要求，排气系统中限流孔板的孔径存在一允许的最大值，如果减小这一孔径，会在很大程度上影响系统的排放能力，孔径越小对流体的阻碍作用越大。

排放阀的排放能力增加（喉部）会很明显的增加系统的排放能力，但也应注意到，当排放阀喉部直径接近排气管管径时，其对流体的阻碍作用会越来越弱，对系统排放能力的影响也越小。

管径的选择将直接影响到限流孔板和排放阀部位的阻力，当排气管径与限流孔板或排放阀的喉部直径相近时，管径的变化对排量的影响较为明显，但当管径较限流孔板孔径或排放阀的喉部直径比值超过一定范围时，管径对其阻力的影响将不再显著，因此对于管径对排气系统排放能力的影响，需与限流孔板和排放阀喉部一起考虑，存在一优化值。

排气管长度的增加将直接造成流体在流道中所受沿程摩擦阻力的增加，但由分析结果可以看出，沿程阻力对排量的影响较小，即排气路径中沿程摩擦阻力是很小的。

三通、弯管等部件成倍增加的情况下，排气系统的容量并未受到较大的影响，表明排气路径中这部分阻力也是较小的。

5 结论

对于专为防止事故下不可凝气体在压力容器顶部积聚所设置的高位排气系统，其系统容量的衡量标准可采用“在反应堆冷却剂系统设计压力和温度下，高位排气系统能够在1小时内排放相当于反应堆冷却剂系统一半容积的不可凝气体（在压力容器出口处干氢气）。”

影响高位排气系统容量的主要阻力源为限流孔板和排放阀。流道中管径的选取可根据限流孔板孔径和排放阀阻力来进行优化，管长及三通等阻力贡献单元对排量的影响较前者要小的多，可根据实际需要确定。

【参考文献】

[1]U.S.NRC， “Follow up Actions resulting from the NRC Staff Reviews Regarding the Three Mile Island Unit 2 Accident”，1979[Z].

[2]U.S.NRC， “Acceptance Criteria for Reactor Coolant System Venting Systems”， 10 CFR 50.46a， 2003[Z].

[3]U.S.NRC， “Clarification of TMI Action Plan Requirements： II.B.1， Reactor Coolant System Vents”. NUREG-0737， 1980[Z].

[4]EPRI， “Advanced Light Water Reactor Utility Requirements Document： VOLUME II”， Rev 8， 1999[Z].

[5]U.S.NRC， “Standard Review Plan： 5.4.12 Reactor Coolant System High Point Vents”， NUREG-0800， Revision 1， 2007[Z].

[6]U.S. EPR， “FSAR： 5.4.12 Reactor Coolant System High Point Vents”， Rev 2， 2010[Z].

[责任编辑：汤静]