M310型核电站反应堆冷却剂惰走试验及数据处理方法

2017-09-17白宇轩肖明

科技与创新 2017年18期

关键词：冷却剂环路反应堆

白宇轩，肖明

（中国核电工程有限公司，北京100089）

M310型核电站反应堆冷却剂惰走试验及数据处理方法

白宇轩，肖明

（中国核电工程有限公司，北京100089）

为了确保主泵失电惰转后反应堆冷却剂拥有足够的惰走流量，机组在临界前需通过反应堆冷却剂流量惰走试验模拟主泵失电工况，验证主泵惰转后反应堆压力容器冷却剂流量系数的大小是否满足要求。从该试验的组织结构、风险分析、试验数据的处理等几个方面详细描述了整个试验的执行过程，并针对试验准备过程中遇到的问题给出了具体的解决方案，以期为后续机组的同类型试验提供一定的参考。

主泵；冷却剂；惰走流量；数据处理

在正常工况下，主泵使反应堆冷却剂强迫循环，它的连续运行保证了反应堆冷却剂的正常流动。而在失去全部厂外电源等事故工况下，主泵由于失去动力电源而在电机飞轮惯性作用下开始惰转，反应堆冷却剂流量在主泵惰转转速的支持下以一定的速率开始下降直至建立自然循环。此时，反应堆冷却剂惰走流量的下降速率以及惰走流量的大小是维持堆芯远离最小偏离泡核沸腾比（DNBR）的关键。为了验证这一点，在反应堆冷却剂系统调试大纲中规定机组在临界前需执行反应堆冷却剂流量惰走试验，通过2种方式同时使3台主泵或2台主泵失电惰转，验证反应堆冷却剂系统在反应堆冷却剂强迫循环时，全部丧失或者部分丧失工况下维持堆芯安全的能力。

1 试验准备

反应堆冷却剂流量惰走试验由于其具有的重要性，它的试验结果是国家核安全局释放反应堆临界节点的一项重要判断依据。同时，从反应堆临界至满功率的数个功率平台，该试验都必须重复执行并将试验结果作为允许提升功率的先决条件之一，因此，该试验的前期准备工作尤为重要。

1.1 试验组织结构准备

由于该试验涉及部门较多，因此，编制了试验组织结构图，便于试验的开展，如图1所示

图1 试验组织结构图

1.2 风险预案准备

按照规程要求，该试验将由2种方案进行验证：①通过断开0GEW断路器使3台主泵同时失去动力电源开始惰转；②通过断开LGA001JA使得RCP002/003PO同时失去动力，电源开始惰转。由于2种方案的执行均要断开母线开关（超高压断路器或LGA母线断路器）来使3台或2台主泵失去动力电源而惰转，因此，将产生母线失电、主泵惰转以及热停工况下主泵完全停运3个重大风险源。为了确保试验能够安全、顺利执行，于是编制生效了《反应堆冷却剂流量惰走试验风险预案》。该预案的风险分析全面，应对措施有效，对于试验执行过程中机组状态的控制能够提供可靠的指导。

1.3 试验典型操作票准备

试验过程中由于涉及到母线失电，机组状态变化较多且大多数为瞬态变化，为了更好地控制机组状态以及顺利地开展试验，执行前需编制试验典型操作票。内容包括试验先决条件检查、试验步骤以及试验后状态恢复。

2 试验内容

2.1 试验方案I

方案I通过断开超高压断路器（0GEW）使3台主泵同时失去动力电源开始惰转，以验证3台主泵同时惰转工况下相关信号的触发时间以及冷却剂惰走流量的下降速率。为了更好地模拟这一工况，试验前需满足LGA/LGD母线下游负荷多和在RPA/RPB中模拟P7+P8信号的前提。

2.2 试验方案II

试验方案II总体执行思路与方案I是一致的，执行方式的区别是方案II通过断开LGA001JA使RCP002/003PO主泵同时失去动力电源开始惰转；方案II只在RPA/RPB中模拟P8信号，在流量下降过程中验证一个环路流量低（1/3）+P8触发反应堆停堆即可。在方案II中，还引入停堆断路器信号进行停堆触发时间点的比较。

3 试验数据处理

3.1 数据采集点的选择

由于试验准则中对数据的精度要求较高（小数点后四位），且流量探测器的响应时间均不超过0.4 s，因此，对于冷却剂流量以及主泵转速等关键数据点的扫描周期要求达到100 ms。为了达到这个目的，上述数据点均导入KDO中进行试验数据的采集。

3.2 数据采集起始点的选择

在试验的2种方案中数据采集的精度都比较高，主泵惰转开始的时间点作为整个计算的起始时间点。由于试验的2个方案中都是通过断开母线断路器使主泵失电开始惰转，即时间起始点的采集为相应母线断路器状态的记录，方案I记录0GEW断路器的状态，方案II记录LGA001JA的状态。

3.3 环路流量探测器响应时间τ的计算

环路探测器响应时间是指计算实际流量信号采集到显示的延时时间，且满足τ≤0.4 s，计算公式为：

式（1）中：y（t）为环路探测器响应曲线；a（t）为t时刻环路冷却剂的流量下降系数；Qt/Q0为t时刻流量与初始值的比值。

y（t）与时间t以及响应时间τ的函数关系为：

式（2）中：b为y（t）的斜率。

由式（1）通过Excel插入表格生成y（t）的散点图，各散点组成的直线与时间轴的交点决定了环路探测器的响应时间。以方案I中二环的计算为例，通过以上方法生成的y（t）散点图以及由散点图生成的直线如图2所示。

图2 二环环路探测器响应曲线

结合图2与式（2），可以计算出二环响应时间τ=0.020 1/0.065 2=0.31 s，同理，可计算出其他环路响应时间。

3.4 流量修正值的计算

由于受到探测器本身误差的影响，必须对冷却剂环路流量表进行热态试验下的重新标定，标定后数据如表1所示。反应堆冷却剂环路流量表均为0.25级仪表，即仪表最大示值误差为测量上限的0.25%.

表1 环路流量探测器标定后数据

以一环RCP025MD为例，根据P∝Q2可得以下关系式：

式（3）中：Qa为压差误差最大时的流量显示值，Qb为100%Qn时实测流量，由反应堆冷却剂流量验证试验报告可知Qb=246 25 m3/h，由此可计算出Qa（+）=24 669.29 m3/h，Qa（－）=24 580.63 m3/h。

因此，一环流量修正值△Q1=44.37 m3/h。

3.5 主泵转速下降评估

主泵转速下降曲线直接代表了主泵失电后转子惰转的能力，同时，也为反应堆冷却剂惰走流量的下降速率提供了一定的参考，因此，本次试验的运行准则中明确提出“主泵转速下降率慢于设计值”。主泵转速下降率公式为：

式（4）中：β（t）为t时刻主泵转速下降系数；Ω（t）表示t时刻主泵实测转速；Ω（t=0）为0时刻主泵转速（即惰转前转速）。在方案I中，通过式（4）计算出的前10个主泵转速下降系数如图3所示。

以方案I中RCP001PO转速评估为例，将β1（t）数据通过Excel绘制成曲线后与判定曲线进行对比，其对比图如图4所示。从图1中可以看出，β（t）曲线均在判定曲线之上，说明主泵转速的下降速率慢于要求的值，试验结果满足设计要求。

图3 主泵转速下降系数

图4 主泵转速下降系数对比示意图

3.6 压力容器流量系数评估

压力容器流量系数作为通过压力容器的实际流量与理论热工流量的比值，它的大小反映了堆芯远离最小DNBR的程度，在计算压力容器流量系数时为了更加准确地体现实际通过压力容器的流量，其计算过程需考虑响应时间（τ）以及流量计误差△Q的影响。考虑了探测器的响应时间后在t时刻环路的流量值Q*实际上是延时τ后的流量值Q，即：Q*（t）=Q（t+τ），相应的，环路实际流量下降系数a*（t）=a（t+τ）。此时，3个环路的总流量Q为：