AP1000与M310机组余热排出系统对比及优化分析

□谭彦标

压水堆核电厂正常运行时，核反应产生的能量由反应堆冷却剂经蒸汽发生器传递给二回路系统，并通过汽轮发电机转化成电能。停堆初期堆芯余热仍由蒸汽发生器通过二回路以蒸汽的形式排放，当二回路或蒸汽发生器不能再运行时则由余热排出系统来承担。余热排出系统带出的堆芯热量通过设备冷却水系统、厂用水系统传递到电厂的最终热阱——海水。本文就RNS和RRA进行比较，并对RNS提出了一定的优化建议。

一、RNS概述

如图1所示：RNS有两个序列，每一序列包括一台RNS泵和一台RNS热交换器，两列共用一条来自反应堆冷却剂系统(RCS)的进水母管和一条返回RCS的出水母管。进水母管在流出安全壳之前有条支路与安全壳内部换料储存水箱(IRWST)相连。进水母管在安全壳外有一电动隔离阀，正常运行时处于关闭状态，其下游分为两条独立的管线，每条管线各有一台泵。RNS泵出口直接连到各自的RNS热交换器，热交换器出口连接到公共出水母管，母管上有一个常闭的电动安全壳隔离阀。为保护泵从RNS热交换器下游到RNS泵入口管线之间设置了最小流量管线，内含节流孔板。公共出水母管在安全壳内有一逆止阀，可作为安全壳隔离阀。逆止阀下游分成两条管线，分别接到各自非能动堆芯冷却系统(PXS)的直接注入管嘴。每个分支管上有一个截止阀和一个逆止阀，作为RCS的压力边界。公共出水母管有一条到化学和容积控制系统(CVS)的除盐装置分支管线，用于停堆时对RCS的净化。还有一条到IRWST的分支管线，用于冷却该水箱。安全壳内的RNS进水母管上有一个安全卸压阀，为RCS提供低温超压保护。另一个安全卸压阀位于安全壳外的泵出水母管，当RNS与RCS隔离后对RNS管道和设备提供超压保护。进水母管与出水母管上分别设有与乏燃料水池的连接管线，用于乏燃料水池的冷却。进水母管上设有与乏燃料容器装载井的连接管线，用于乏燃料容器装载井的循环。

图1 RNS流程图

二、RRA概述

如图2所示：RRA从反应堆冷却剂系统(RCP)的2号环路热段吸水，经两列电动隔离阀流入余热排出泵的入口母管，两台余排泵并联布置，驱动冷却剂流经热交换器及其旁路管线，并最终通过中压安注的注入管线回到RCP的1号和3号环路冷段。泵出口母管上设置了两个卸压阀组用以避免一回路和余热排出系统超压。为了保护RRA泵，在热交换器下游设置了一条回到泵入口的最小流量循环管线。RRA泵的入口母管和热交换器出口母管各有一条与反应堆换料水池和乏燃料水池冷却和处理系统(PTR)相连的管线。RRA热交换器上游设置了一条与化学和容积控制系统(RCV)下泄孔板下游相连的低压下泄管线。下泄流提供了反应堆冷却剂的化学和容积控制，回流通常经上充管线返回。在上充泵不能运行的情况下，通过位于化容系统净化回路下游的RCV-RRA连接管线返回到RRA泵入口。

图2 RRA流程图

三、RNS与RRA对比分析

RNS与RRA虽然同为余热排出系统，但是由于AP1000与M310两种堆型设计理念的差异，两种余热排出系统之间还是存在许多差异，本文主要从功能、流程、主要设备三个方面对两者进行比较。

(一)功能对比。

1.相同功能。第一，排出堆芯余热和反应堆冷却剂系统的热量并维持冷却剂温度在冷停堆工况；第二，冷停堆期间，为一回路提供低温超压保护；第三，反应堆停堆和启动过程中而主泵未投运时保证一回路冷却剂的强制循环；第四，换料期间，对反应堆冷却剂系统排水；第五，换料期间，通过与化学和容积控制系统的链接管线保障下泄流，净化一回路冷却剂。

2.不同功能。第一，RNS可以用来冷却IRWST中的水而M310换料水箱中的水则是通过安全壳喷淋系统的热交换器进行冷却；第二，在失去正常乏燃料水池冷却能力后，RNS一个序列可补充或代替乏燃料水池冷却系统(SFS)，而M310机组乏燃料水池的冷却回路却是用来作为RRA系统的应急备用；第三，RNS在自动降压系统(ADS)第1、2、3级动作时可以对RCS进行低压补水，以防止ADS第4级的不必要动作而RRA并无此项功能；第四，RNS用于提供事故后长期的安全壳补水而RRA并无此项功能。

(二)流程对比。

1.相同流程。第一，均为从一回路热段取水，经过两台并联的余热排出泵和余热排出热交换器返回一回路；第二，都设置了与化容系统和乏燃料水池的连接管线。

2.不同流程。第一，RNS设有与安全壳内换料水箱和乏燃料容器装载井的连接管线；第二，RNS的回水是通过PXS返回SG冷段腔室，而RRA的回水是通过中压安注返回一回路冷段；第三，两台RNS泵直接与热交换器连接，而两台RRA泵则是通过一个集水母管与热交换器连接；第四，RNS的两个安全阀分别位于进水母管及出水母管上，而RRA的两个安全阀则位于泵和热交换器之间的集水母管上；第五，RNS与SFS的连接管线是单向流通的，而RRA与PTR的连接管线是双向流通的；第六，RNS每台热交换器上并联一条设有流量调节阀的旁路管线，而RRA则是两台热交换器共用一条设有流量调节阀的旁路管线；第七，RNS每一列余热排出泵的入口至余热排出热交换器的出口间均并联一条设有阀门及节流孔板的小流量回流管线，而RRA仅在余热排出泵进水母管至余热排出热交换器出水母管间并联一条小流量回流管线且管线上无任何节流设备。

(三)余热排出泵对比。RNS设有两台单级立式离心泵，RRA设有两台单级卧式离心泵。具体的设计参数对比如表1所示。

表1 RNS与RRA余热排出泵设计参数对比表

通过对比可以看出,RNS泵具有更高的设计压力和设计扬程，但设计流量相对较小。

(四)余热排出热交换器对比。RNS和RRA均设有两台立式、U型管壳式余热排出热交换器，管侧为反应堆冷却剂，壳侧为设备冷却水。具体的设计参数对比如表2所示。

表2 RNS与RRA余热排出热交换器设计参数对比表

通过对比可以看出,RNS热交换器管侧具有更高的设计压力和设计温度，但设计流量相对RRA热交换器管侧要低很多。壳侧的设计压力和设计温度相差不大但RNS热交换器壳侧设计流量明显较低。

(五)安全阀对比。RNS设有两个弹簧加载式安全阀，分别为入口安全阀RNS-V021、出口安全阀RNS-V045。RNS-V021开启压力设定值为3.45MPa，排放管线连接到WLS安全壳地坑。RNS-V045开启压力设定值为4.68MPa，排放管线连接到WLS流出液暂存箱。

RRA设有两组四个先导式安全阀，分别为RRA018VP，120VP和RRA115VP，121VP。RRA018VP开启压力整定值为4.4±0.1MPa，RRA120VP开启压力整定值为3.7±0.1MPa；RRA115VP开启压力整定值为3.9±0.1MPa，RRA121VP开启压力整定值为3.7±0.1MPa。两组安全阀的排放管线均连接到稳压器泄压箱。

四、RNS改进建议

RNS相对于RRA虽然有明显的改进，但通过对RRA的参考，还是能够有所借鉴。第一，虽然RNS在设计上能够有效避免涡流的产生，出于对机组运行的保守考虑以及对RNS泵体的保护，建议在RNS泵吸入口设置涡流探测系统。当涡流形成后，空气进入RNS系统管道中，气水混合物经过RNS泵后，泵的出口压力以及电流将发生明显的波动。根据这一机理，利用位于RNS泵出口压力表来探测RNS泵吸入口是否出现涡流，即将RNS泵出口压力表测得的压力模拟信号送至数值处理单元，经该单元处理测得的压力信号可知是否有涡流产生。出现涡流时提醒操纵员注意，通过对RNS运行流量进行限定以限制涡流的持续发展。第二，建议将RNS与SFS的连接管线设置为双向流通的形式，在RCS打开之后，当RNS失效时SFS作为RNS的应急备用，通过SFS冷却反应堆堆芯。第三，建议将RNS的两个安全阀改为类似RRA的两组安全阀，每组阀门有两个安全阀串接在一起；上游阀门起安全释放作用，下游阀门起隔离作用。

五、结语

通过对RNS和RRA的比较可以看出RNS有了明显的改进，增设涡流抑制器，避免了涡流在RNS内的生成，拥有更高的设计压力以避免系统本身的超压风险，优化了安全阀的位置。在此基础上本文也对RNS进行了一定的改进，在RNS泵吸入口设置涡流探测装置，增设了SFS对RNS的应急备用，改进安全阀配置，对RNS的优化提出了自己的建议。