宁德核电厂RRI系统适应低温海水条件设计改进

张仰程

（福建宁德核电有限公司，福建 福鼎 355200）

宁德核电厂是我国《核电中长期发展规划（2005—2020）》颁布后建设的第一个核电项目，以岭澳二期核电站为参考电站，采用成熟的二代改进型压水堆核电技术（CPR1000），一期工程建设4台百万千瓦级机组，1、2号机组已分别于2013年4月15日、2014年5月4日和2015年6月10日投产。宁德核电厂厂址位于福建省东北部，东临台湾海峡，属中亚热带季风湿润气候［1］，气象、水文等条件与参考电站有所不同，部分工艺系统和设备有所改进，本文对宁德核电厂设备冷却水（RRI）系统适应低温海水条件设计改进进行分析。

1 RRI系统简介

1.1 RRI系统的主要功能［2］

（1）向核岛各用户提供冷却水；

（2）把热负荷通过重要厂用水（SEC）系统传到海水之中；

（3）在核岛各热交换器和海水之间形成屏障，防止来自有关热交换器的放射性流体释放到海水中。

1.2 系统的安全功能

（1）在正常和事故运行工况下，把来自与安全有关的构筑物、系统和设备的热量通过SEC系统传到海水之中；

（2）从辐射防护观点看，在被冷却的热交换器（被污染的或可能被污染的）万一泄漏时，RRI系统即可防止放射性流体不可控制地释放到海水中。

1.3 系统的作用原理

RRI系统的作用原理如图1所示［3］。

图1 RRI系统的作用原理

2 改进的必要性

2.1 RRI系统设计准则

宁德核电厂RRI、SEC系统设计过程中，有关RRI／SEC换热器设计遵循压水堆核电站系统设计和建造规则（RCC-P）第2.3.6.3.9节的规定［4］：

（1）在各种功率运行工况：TRRI≤35℃（此时SEC水温历年第7天的最高温度为T7设计）；

（2）失水事故（LOCA）工况：TRRI≤45℃（此时SEC水温为历史最高温度TMAX）。

RRI系统冷却能力与如下运行工况需要同时运行的各设备的总热负荷相适应：

（1）机组启动；

（2）正常功率运行；

（3）停堆后4～20小时冷停堆；

（4）停堆后20小时保持冷停堆；

（5）LOCA；

（6）次临界停堆（RRI仅一个系列可用）。

目前，宁德核电厂RRI／SEC换热器设计满足以上原则。其中RRI／SEC换热器选取的设计工况为：反应堆次临界停堆（RRI仅一个系列可用），此时对应的海水温度为T7设计。

2.2 改进的必要性

在现有的设计规范中，并未对设备冷却水的低温下限进行规定和约束，根据宁德核电厂附近三沙海洋站表层1960～2011年水温的观测数据，宁德核电厂厂址海水温度极端低温为6.5℃，根据最近50年统计数据最低可达到TMIN=5.9℃，T低，多年平均=9.1℃，T7低，平均=9.3℃，海水在冬季将有一段时间维持在9℃左右。

若此时RRI系统用户需要导出的热负荷较小，换热器校核选取海水多年最低温度平均值9.1℃计算，正常功率运行工况低负荷下，TRRI约为9.89℃，最恶劣的工况（低温低负荷启动工况）下，TRRI约为9.57℃，其他工况下温度都维持在10℃以上。

从换热的角度出发，冬季TRRI一段时间内处于10℃以下对绝大部分用户是有利的，但也会给某些已经采购的设备长期稳定运行带来不利，主要是电气厂房冷冻水系统（DEL）和核岛冷冻水系统（DEG）的冷水机组。由于其采购技术规格书按照冷却水低温15℃来进行采购，因此存在冬季冷却水温度过低，冷水机组不能长期稳定运行的风险。

因此，需要通过改造将RRI系统通往DEL、DEG系统冷凝器入口处的冷却水温度提升到满足冷水机组稳定运行的水温要求。

3 改进方案

3.1 改进原则

对RRI／SEC系统的改进，必须满足以下原则：

（1）系统传热特性既要满足正常运行传热要求，又要满足最大、最小运行负荷以及事故工况下的瞬态变化要求；

（2）系统改动（包括运行方式）尽可能少，并且集中在一个系统和关键用户进行，避免对其它系统的连带改进；

（3）运行、检修和维护尽可能简单，并考虑备用期间的设备可用性问题；

（4）满足用于沸水堆、压水堆和压力管式反应堆的安全功能和部件分级（HAD102／03）、核电厂最终热阱及其直接有关输热系统（HAD102／09）的要求；

（5）满足RCC-P、压水堆核岛机械设备设计建造规则（RCC-M）及初步安全分析报告（PSAR）／最终安全分析报告（FSAR）的要求。

3.2 改进方案

系统及设备的改进集中在RRI侧进行，SEC系统保持参考电站设计不变。

本改进拟采用“旁通+回流”的组合：通过在RRI系统每个系列并联的RRI／SEC换热器RRI侧增加旁通回路，调整进入RRI／SEC换热器RRI侧的流量，使通过RRI／SEC换热器冷却的设备冷却水与旁通的未被冷却的设备冷却水混合，从而提高换热器RRI出口设备冷却水温度。同时，由于旁通能力有限，还需要通过对DEL、DEG冷凝器RRI侧管线进行局部回流改造，最终满足冷水机组的运行要求。

3.2.1 RRI／SEC换热器RRI侧增加旁通管路

以RRI系统1号机组A系列为例，在每个RRI／SEC换热器RRI侧各加装一条旁通管路，工艺流程简图如图2所示。

图2 RRI侧旁通方案示意图

3.2.2 DEL冷凝器RRI侧出口增加回流管线

以RRI系统1号机组为例，DEL冷水机组为RRI系统安全用户，A、B系列各有一台，在每个DEL冷水机组RRI侧出口处各加装一回流管路，通过泵循环达到提升入口温度的要求，工艺流程简图如图3所示。

图3 DEL冷凝器RRI侧回流方案示意图

3.2.3 DEG冷凝器RRI侧出口增加回流管线

DEG冷水机组为RRI系统公用用户，一共3台，在3台DEG冷水机组RRI侧总出口处加装两条回流管路至总入口处（1用1备），通过泵循环达到提升入口温度的要求，工艺流程简图如图4所示。

3.3 3、4号机组不同点

RRI／SEC换热器RRI侧增加旁通管路提升冷却水温度后，DEL、DEG供货商进行了分析。DEG冷水机组设备厂家自身改造（增加冷媒泵以适应RRI系统冷却水温度）后在RRI系统9.3℃情况可以长期稳定运行。

图4 DEG冷凝器RRI侧回流方案示意图

DEL冷水机组供货商确认冷水机组在冷却水温度为9.3℃时可以稳定运行，但需要控制冷却水在13m3／h流量，故在每个DEL冷水机组RRI侧出口处各加装一小流量调节回路，通过小流量调节阀的调节满足DEL冷水机组低流量要求。

即1、2号机组改进方案为“RRI／SEC换热器RRI侧旁通+DEL／DEG系统RRI侧回流”，3、4号机组改进方案为“RRI／SEC换热器RRI侧旁通+DEL系统RRI侧小流量调节+DEG系统厂家自身改造”。

4 改进后的主要影响及运行分析

（1）对核安全的影响

在事故工况（一回路破口事故和蒸汽管线破裂事故），RRI／SEC保证释放到安全壳内能量的导出和所有要求设备的冷却。如果RRI／SEC热交换器RRI侧的旁路回路处于开启状态，则不能保证释放到安全壳内能量的导出和所有要求设备的冷却。因此，RRI／SEC热交换器RRI侧的旁路回路必须位于关闭位置或可以关闭，其未处于关闭位置且不能关闭等效于热交换器不可用［5］。

（2）对事故工况的影响

接到再循环喷淋信号后，自动关闭换热器旁通管线上的电动隔离阀，以适应再循环喷淋阶段的热负荷快速上升。DEL和DEG回流泵维持其运行状态。

（3）概率安全分析（PSA）

PSA分析表明，该改进对RRI系统事故情况下的可靠性略有影响［6］：

1）在海水非低温条件下，RRI系统可靠性不变；

2）在低温条件下，由于增加了相关的管线、阀门等设备，且事故下旁路管线需隔离，这种情况下RRI系统可靠性略有下降，从而对总的堆芯损坏频率（CDF）也略有贡献（约增加4%，增加的主要贡献为电动阀的拒关共因失效）。

（4）系统运行

1）冬季海水高温运行

SEC海水温度高于15℃，RRI／SEC换热器旁通管线上电动隔离阀关闭，RRI系统运行与参考电站一致。DEL、DEG冷凝器RRI侧回流管线上回流泵停运，DEL、DEG系统运行与参考电站一致。

2）冬季海水低温运行

SEC海水温度低于15℃，触发温度黄色报警，提醒运行人员将旁通回路电动隔离阀远程手动打开，此时电动调节阀处于关闭状态。当RRI出口温度低于18℃，触发RRI系统温度白色报警，自动开大换热器旁通管线电动调节阀开度；当RRI出口温度高于32℃，触发RRI系统温度白色报警，自动关小换热器旁通管线电动调节阀开度，使RRI出口温度维持在18～32℃之间，调节阀的开度每次调整10%，调整间隔时间120s。若阀门全开仍不能将RRI出口温度控制在18℃，则维持阀门全开状态，不必有后续动作。

如果RRI系统旁路调节阀全开，由于海水温度及负荷继续降低，导致RRI出口温度低于15℃时，则主控室会发出温度黄色报警，并由操纵员在主控室远程手动启动DEL和DEG冷凝器RRI侧回流泵，回流管线上手动隔离阀初始状态为打开状态。如果RRI出口温度高于16℃时，则通过报警手动停运DEL和DEG回流泵。

5 结语

本改进通过“RRI／SEC换热器RRI侧旁通+DEL／DEG系统RRI侧回流”的方案组合，解决了宁德核电厂RRI系统由于冬季海水低温、低负荷工况下带来的传热适应性问题。

在RRI／SEC换热器RRI侧增加旁通，减少通过换热器的流量，以进水和出水温度的混合来提高换热器出口温度；通过电动调节阀自动调节，可以解决冬季负荷及海水潮位变化的影响。同时在DEL、DEG冷水机组RRI侧进行局部的回流改造，进一步提升通往冷凝器的入口水温，满足冬季低温低负荷工况下冷水机组稳定运行的要求。

［1］ 福建宁德核电有限公司.宁德核电厂一、二号机组最终安全分析报告［R］.B版，2012.

［2］ 陈济东.大亚湾核电站系统及运行［M］.北京：原子能出版社，1994.

［3］ 广东核电培训中心.900MW压水堆核电站系统与设备［M］.北京：原子能出版社，2005.

［4］ 深圳中广核工程设计有限公司.RRI系统适应低温海水条件设计改进论证报告［R］.B版，2012.

［5］ 福建宁德核电有限公司.《宁德核电厂一、二号机组运行技术规范》解释［R］.2版，2014.

［6］ 深圳中广核工程设计有限公司.RRI系统设计改进概率安全评价报告［R］.A版，2012.