华龙一号核反应堆电厂低温水密实超压保护方案优化

杜思佳+李健+任春明+王静卉

【摘 要】为了实现华龙一号反应堆全范围工况下的超压保护，华龙一号对低温水密实超压保护方案进行了优化，在保留了余热排出系统的低温超压保护功能外，对稳压器安全阀的控制逻辑进行了优化设计，增加了稳压器安全阀在低温水密实工况下的保护功能。分析验证结果表明，该方案能够有效应对水密实工况下可能出现的能量注入或质量注入导致的超压事件，可以保证RCS在低温水密实工况下的完整性，满足单一故障准则和保护多样性要求，大大减小RCS压力边界完整性受损的风险。

【关键词】低温水密实；稳压器安全阀；低温超压保护模式

中图分类号： TL364 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）35-0072-003

Optimization of Low Temperature Water - tight Overpressure Protection Scheme for Hualong - Ⅰ Nuclear Power Plant

DU Si-jia1，2 LI Jian1，2 REN Chun-ming1，2 WANG Jing-hui2

（1. Key Laboratory of Design and Technology of Nuclear Reactor， China National Nuclear Power Research Institute， Chengdu 610213， China； 2.China Nuclear Power Research Institute， Chengdu 610213， China）

【Abstract】In order to realize the overpressure protection in the full range of Hualong-1 reactor， Hualong-1 optimized the low-temperature watertight overpressure protection scheme. In addition to the low-temperature overpressure protection function of waste heat removal system， The control logic of the pressure relief valve has been optimized and the protection function of the safety valve of the pressure regulator has been increased under low temperature water tight conditions. The analysis and verification results show that the scheme can effectively deal with overpressure events caused by energy injection or mass injection under watertight conditions， ensure the integrity of RCS under low-temperature water-tight conditions， meet single fault criteria and protect diverse The requirement to substantially reduce the risk of compromising the integrity of the pressure boundary of the RCS.

【Key words】Low-temperature water-tight； Regulator safety valve； Low-temperature over-voltage protection mode

0 前言

在低温工况下反应堆压力容器材料的韧性比正常运行工况下差。随着压力容器中子辐照的积累，材料韧性降低并且在低温下抗压应力性能更差。因此，反应堆冷却剂系统（RCS）的压力在低温下必须维持在低压，仅当温度上升时压力才升高。

当RCS处于水密实状态时，尤其在停堆期间压力容器发生超压的可能性非常大。压力波动会较快地发展，以致于操纵员不能及时采取行动来缓解。如果大大超出RCS的压力温度限值，可能会引起压力容器的脆裂。因此，在启/停堆工况期间，当冷却剂温度小于等于反应堆压力容器脆性断裂保护功能的实施温度时，启用低温超压保护功能措施。

在反应堆启/停堆工况期间，反应堆存在低温水密实状态，“低温水密实状态”是指反应堆处于停堆，稳压器满水的状态。此时若发生能量输入或者质量注入的瞬态都将可能引起系统超压，从而威胁系統的完整性。通常，由于反应堆冷却剂泵误停后的再启动和安注系统误动作引起的超压是这两类当中最严重的。

在华龙一号核电厂的早期设计中，采用了与M310核电厂类似的低温超压保护方案，其低温超压保护功能由接入冷却剂系统的余热排出系统的安全阀提供。技术规格书要求，当冷却剂系统温度低于180℃时，余热排出系统被允许接入冷却剂系统，当冷却剂系统温度低于160℃时，余热排出系统必须接入冷却剂系统。从而保证低温水密实工况下的超压保护能力。

随着设计的深入，由于余热排出系统的布置发生较大变化，余热排出系统的安全阀和换热器移至安全壳外。由于华龙一号采用了安注信号来触发安全壳的A阶段隔离，该措施对低温水密实超压工况存在不利影响。若在低温水密实工况下发生安全壳外破口事故或者其他原因导致发出误安注信号，余热排出系统将被自动隔离，导致卸压手段的丧失，从而威胁到冷却剂系统的完整性。endprint

为此，需要对原低温水密实超压保护功能进行优化设计，以确保在各种情况下反应堆系统具有足够的超压保护能力。

1 低温超压保护功能要求

如前文所述，在余热排出系统连接入冷却剂系统时，余排安全阀可以针对大多数工况提供低温超压保护功能。但无法应对产生安注信号时的低温超压工况。因此，新低温超压保护方案的设计需要重点针对安注误启动工况进行设计。

考虑到安注信号会触发安全壳A阶段隔离，此时低温超压保护的卸压途径应选择在一回路主系统上的不会被隔离的卸压设备。同时，还应考虑到正常运行时该设备必须能够承担正常运行的压力。这就要求所选择的超压保护设备必须具有正常运行和低温超压保护两种相互独立的功能，并可以进行控制。

经过多次筛选论证，最终选择了稳压器安全阀来实现低温超压保护。

为了实现低温超压保护的技术方案，稳压器安全阀应满足以下功能要求：

（1）稳压器安全阀除了执行功率运行工况下的超压保护功能外，还能够提供低温工况RCS超压保护功能。

（2）稳压器安全阀的容量和开启/关闭动作时间需满足相应的设计指标，既要滿足正常超压保护的要求，也要满足低温水密实工况下的卸压要求。

（3）稳压器安全阀提供低温超压保护的整定值可以设置和调整。

（4）稳压器安全阀能够排放的介质包括蒸汽、汽水混合物以及过冷水。

华龙一号的稳压器安全阀采用了SEBIM公司的双控先导式阀，该阀门可以实现在正常运行时，通过先导阀检测系统压力并按照设置的整定值自动触发安全阀的开启；也可以通过信号控制或操纵员手动控制电磁阀强制开启，实现安全阀的开启关闭。两种阀门开启模式相互独立，通过电磁阀的强制开启模式可以通过逻辑设置实现整定值的调整。该阀门可以排放蒸汽、汽水混合物以及过冷水。满足上述主要功能要求。

2 低温超压保护方案研究

2.1 基本原理

通过稳压器安全阀提供低温超压保护功能的主要原理如下：

在低温水密实工况是若发生压力瞬态事件，当反应堆冷却剂系统压力超过预设的整定值时，由控制逻辑和相关的设备自动触发稳压器安全阀的开启，提供卸压途径，防止RCS超压，进而确保RCS压力边界的完整性。安全阀开启后冷却剂系统压力下降到一定水平时，自动关闭安全阀，防止过度卸压。为区分稳压器安全阀的正常超压保护模式，将稳压器安全阀在水密实工况下的超压保护模式

稳压器安全阀提供低温超压保护的措施中涉及测量系统、控制逻辑、操纵员接口和安全阀设备。

测量系统主要是测量反应堆冷却剂系统的温度和压力；

控制逻辑根据测量温度判断是否进入“低温超压保护模式”；

在“低温超压保护模式”下，测量的压力信号经过模数转换后与低温超压的压力设定值进行比较产生保护动作信号；

稳压器安全阀在低温超压保护模式下接收到保护动作信号后通过电磁阀开启；

操纵员接口提供操纵员手动开启安全阀的能力；

“低温超压保护模式”生效和闭锁时，应具有相应的指示和报警信号。

2.2 低温超压保护方案设计

在启/停堆工况期间，考虑到余热排出系统需要接入冷却剂系统，余排系统的安全阀除了安注误信号导致的超压工况外也具有超压保护的功能。因此，华龙一号的低温超压保护方案设计为稳压器安全阀的低温超压保护模式能够独立为反应堆冷却剂系统提供超压保护；余热排出系统安全阀为余热排出系统提供超压保护，同时在余热排出系统接入冷却剂系统时能缓解反应堆冷却剂系统的超压瞬态。

以下分别根据电厂的升温阶段和降温阶段给出具体的低温超压保护方案。

（1）电厂降温阶段的低温超压保护

第一步：正常降温

操纵员控制电厂冷却（从热停堆到冷停堆工况），在此期间内，稳压器安全阀工作在正常保护模式，稳压器中存在一定的汽空间，操纵员按照操作规程先将余热排出系统接入冷却剂系统。

第二步：RHR安全阀提供保护

冷却剂系统继续降温，稳压器的汽空间逐渐减小。在此期间内（冷却剂系统温度为120℃～180℃），依靠RHR安全阀实施超压保护。

第三步：稳压器安全阀低温超压保护模式生效

当冷却剂系统继续降温，热段环路温度小于等于120℃时，稳压器安全阀由正常模式进入低温超压保护（LTOP）模式，主控室出现相应指示，当RCS环路压力大于设定压力时，自动开启电磁阀实现低温超压保护，并发出“低温超压报警”。

（2）电厂升温阶段的低温超压保护

第一步：稳压器安全阀低温超压保护模式的闭锁

操纵员控制电厂升温过程中，当冷却剂系统热段环路温度低于125℃时，稳压器安全阀处于低温超压保护模式。当热段环路温度大于等于125℃，稳压器安全阀由低温超压保护模式转换至正常运行模式，承担正常超压保护功能，同时低温超压保护模式的指示消失。低温超压保护模式闭锁时的温度定值与降温过程中模式生效时的温度定值不同，这主要是为了避免小的温度扰动导致低温超压保护模式的频繁转换。

第二步：RHR安全阀提供保护及正常升温。

冷却剂系统继续升温，稳压器建立的汽空间并逐渐增大。在此期间内（冷却剂系统温度为125℃～180℃），依靠RHR安全阀实施超压保护。操纵员按照正常的管理规程控制电厂升温。

2.3 低温超压保护模式设计参数

稳压器安全阀提供低温超压保护的设计参数如下：

（1）“低温超压保护模式”生效温度

设定稳压器安全阀低温超压保护模式的生效温度为120℃，对应RCS热段测量温度，这时RCS已处于低温水密实状态。

（2）“低温超压保护模式”下稳压器安全阀的开/关整定值endprint

开启定值（绝对压力）：第一组：3.4MPa，第二组3.4MPa，第三组3.5MPa；

关闭定值（绝对压力）：第一组：3.1MPa，第二组3.1MPa，第三组3.2MPa。

（3）稳压器安全阀设计容量

阀门容量（最小值）：对应17.23 MPa下排放饱和蒸汽为175t/h。

（4）稳压器安全阀动作时间

低温超压保护稳压器安全阀开启时间：1.0s。

以上设计参数将在保护措施有效性评价中验证。

3 低温超压保护方案有效性评价

通过最恶劣的能量注入和质量注入导致的超压瞬态，即反应堆冷却剂泵误停后的再启动和中压安注误动作工况，对低温超压保护方案以及相应的设计参数进行有效性评价。

这两类瞬态按照II类工况进行分析。

根据《压水堆核电厂反应堆冷却剂系统和主蒸汽系统超压分析要求》（NB/T 20100-2016RK），在低温水密实工况下，为确保维持反应堆冷却剂系统的完整性，应使反应堆温度和压力不超过温度-压力曲线的限值，保證反应堆压力容器不发生脆性断裂。若超过温度-压力曲线的限值，应通过快速断裂分析验证反应堆压力容器不发生脆性断裂。对于华龙一号，在不同温度条件下最小的温度-压力曲线限值为4.6MPa。

3.1 反应堆冷却剂泵误停后的再启动工况论证

当反应堆一回路系统处于单相满水时，如果温度高于70℃并且压力高于2.5MPa，应至少运行一台主泵。但是，多种原因可能引起主泵停运。如，失去厂外电源，操作员误停泵等。当主泵停下来后，如果反应堆冷却剂温度仍高于70℃，操作员认为应必须尽快重新启动主泵，同时规程中要求操作员也只能启动一台主泵。

但是，就在主泵停运和重新启动的这段时间中，一次侧和二次侧间就建立起了温差。这时，蒸汽发生器的温度可能高于主冷却剂系统的温度。当反应堆冷却剂主泵重新启动后，较冷的冷却剂流经蒸汽发生器并被加热。由于反应堆冷却剂系统处于单相满水状态，冷却剂被加热后会导致压力升高，升高的幅度取决于一、二次侧温差的大小。

该瞬态的分析，考虑以下假设条件：

-反应堆初始功率为零功率；

-一回路初始流量为0，并在零时刻一台主泵启动；

-蒸汽发生器一、二侧传热系数取最大值；

-稳压器满水；

对于反应堆冷却剂泵误停后的再启动，考虑1列稳压器安全阀不可用，3列余排系统安全阀有效；

图1和图2分别给出了冷却剂系统和余排系统的压力瞬态结果。分析结果表明，在瞬态开始后9.6s，余热排出系统安全阀首先开启；瞬态开始后9.8s，稳压器安全阀开始开启，由于阀门开启有一个过程，此时系统压力继续上升，10.1s时，系统达到压力峰值，一回路压力峰值为4.17MPa，余热排出系统压力峰值为3.88MPa。随后由于稳压器安全阀和余排系统安全阀的卸压能力超过了能量注入导致压力上升的幅度，系统压力开始下降，直至达到阀门关闭定值，稳压器安全阀和余排系统安全阀相继关闭。但此时一回路和二回路仍存在温差，蒸汽发生器会继续向一回路传热，导致一回路压力再次上升，阀门再次开启。如此若干循环后，系统逐渐趋于平衡。

3.2 中压安注误启动工况论证

当反应堆一回路系统处于单相满水时，由于各种原因，如操作员误动作、误安注信号等原因，中压安注泵投入运行。由于反应堆一回路系统处于单相满水状态，这种额外的质量注入将迅速引起反应堆一回路系统和余热排出系统压力升高，升高的幅度取决于质量注入的速率。

对于误安注信号触发的中压安注泵投入运行，RHR将被自动隔离，RHR安全阀无法起到超压保护的功能，反应堆一回路系统的超压保护由稳压器安全阀（LTOP）提供。

该瞬态的分析，考虑以下假设条件：

-反应堆初始功率为零功率；

-稳压器满水；

-假设在零时刻，误安注信号触发2台中压安注泵误启动，以最大安注流量向主冷却剂系统注入安注水；

-RHR在零时刻被自动隔离；

-考虑1列稳压器安全阀不可用；

图3给出了误安注信号触发的中压安注泵误启动各计算工况的压力瞬态结果。分析结果表明，在瞬态开始后1.9s，稳压器安全阀开始开启，一回路压力继续上升，直至2.5s稳压器安全阀的排放流量超过安注注入流量，压力开始下降，直到阀门关闭定值，安全阀开始关闭。此时安注系统仍然继续向一回路注水，导致压力重新上升，阀门再次开启，如此反复。若无操纵员干预，该瞬态会一直反复持续。分析中假设30分钟后操纵员手动停止安注，瞬态终止。瞬态过程中最高压力峰值出现在稳压器安全阀第一次开启过程中，一回路系统压力峰值为4.55MPa。

3.3 分析结论

通过上述分析表明，在最恶劣的能量注入和质量注入的低温水密实超压工况中，华龙一号的低温超压保护方案可以有效保证一回路系统压力未超过温度压力限值曲线对应的限值压力，余热排出系统压力未超过其设计压力。满足超压准则的要求。

另外，若在120～180℃区间发生超压事件，稳压器安全阀的低温超压保护模式未生效，余热排出系统接入。

4 结论和建议

本文研究了华龙一号反应堆低温水密实超压保护方案的设计，并开展了事故工况的超压验证。分析结果表明，采用稳压器安全阀低温超压保护模式和余热排出系统安全阀功能实施低温超压保护功能的设计，可以保证RCS在低温水密实工况下的完整性，满足单一故障准则和保护多样性要求，大大减小RCS压力边界完整性受损的风险。endprint