“华龙一号”非能动安全壳热量导出系统布置优化研究
2020-12-08王凯，高元
王 凯，高 元
(中国核电工程有限公司，北京 100840)
“华龙一号”共设计有三个非能动的安全系统，分别是非能动安全壳热量导出系统(PCS)、堆腔注水冷却系统(CIS系统)和二次侧非能动余热排出系统(PRS系统)。在设计时，为了满足PCS系统的要求，在反应堆的安全壳外高处设置有换热水箱，换热水箱的底部设置阀门管道间，以供PCS和PRS相关阀门和管道的布置使用。
1 PCS系统的功能
在核电站发生严重事故时，PCS系统通过设置在安全壳内的换热器将壳内的热量导出到换热水箱，经汽水分离器分离后，蒸汽进入到导热隔间，经过排气管道排入自然环境中。这一过程不需要能动部件的参与，利用水和蒸汽的物理特性实现自然循环。经过这一循环过程，导出安全壳内的热量，降低安全壳内的温度和压力，从而确保严重事故下安全壳的完整性，保证放射性物质不会外泄。
1.1 事故后安全壳冷却
PCS系统用于在超设计基准事故工况下安全壳的长期排热，包括与全厂断电、喷淋系统故障相关的事故。在电站发生超设计基准事故(包括严重事故)时，将安全壳内的压力和温度降低至可以接受的水平，保持安全壳完整性。
1.2 安全壳冷却水箱水质保持
PCS系统配备了外置安全壳冷却水箱的液封措施，防止安全壳换热水箱水质被壳外环境污染。电站正常运行和检修时，系统配置了循环水泵和加药措施防止安全壳外换热水箱微生物滋生和水质降低。
1.3 安全壳第三道屏障的完整性
系统安全壳内换热器、安全壳外隔离阀和两者之间的管道为电站第三道安全屏障的组成部分。在系统设备、管道出现破口时，及时关闭隔离阀，防止放射性物质外泄，确保电站第三道安全屏障的完整性。
1.4 其他功能
换热水箱为PRS系统提供冷却水源。在二次侧丧失动力和冷却水源的时候，为蒸发器二次侧提供自然循环冷却动力和冷却水源。
收集事故后换热器外表面冷凝水，汇流至CIS系统，用于事故后堆腔注水和冷却。
2 PCS系统现有的施工难点
2.1 PCS换热器的安装不方便
每组PCS换热器的尺寸非常大，又是安装在安全壳内壁的钢衬里上，环吊吊钩行程无法将换热器直接安装到位，需要设置临时的安装平台，而这部分平台的高度差较大，容易带来危险。
2.2 PCS换热器的安装不方便
PCS换热水箱和阀门管道间采用外悬挑结构设计，而安全壳筒体采用整体抬升大模板施工方式，因此外挂水箱无法随筒体一起施工，需要对阀门管道间和换热水箱进行二次浇注。
在二次浇注时，由于水箱本身自重很大，施工时对施工缝处理的难度较大。经测算，PCS水箱重量约3 000 t，PRS补水箱重量约1 000 t，混凝土结构其自身自重约9 500 t。墙体需要的混凝土量约为2 316 m3(不含女儿墙、不含39.05 m～42.3 m墙)；楼板需要的混凝土量约为1 240 m3。
在土建施工时，由于该处位置较高，距离LX厂房屋面11.5 m(42.3～30.8 m),距离SR厂房15.7 m(42.3～26.6 m)、距离SL厂房20.7 m(42.3～21.6 m)，所需要搭建的脚手架高度差大、工程量大，从而导致施工风险较大。
3 对施工难点的处理方案及后续改进方案
3.1 对施工难点的处理方案
3.1.1 对换热器安装方式的处理方案
修改换热器三角支撑的设计，将原有的支撑进行了延长和加固，安装时可以直接将换热器放置在新增的三角支撑上，然后人工推拉到位后固定换热器。安装完成后新增的三角支撑与蒸发器隔间顶部连接，作为人员通道的一部分。
3.1.2 对结构施工难点的处理方案
对结构施工难点的处理方案可以从以下四个方面考虑：
1) 悬挑结构与反应堆厂房APC壳同时施工，这种施工方式能减少脚手架的使用时间，可以从时间上减少危险性。水箱与APC壳同时浇筑，不存在施工缝的问题，但会稍微增加APC壳的施工时间。
2) 采用模块化设计，可以将水箱及混凝土部分做成结构模块在地面整体浇筑，待筒体施工完成后吊装就位。其优点在于：模块化施工可以交叉作业，节省工期。
3) 将阀门管道间及换热水箱整体上移到穹顶的位置，使其外径与反应堆厂房APC壳外径一致，不会产生悬挑结构，其优点是解决了施工中的问题，无需大面积搭设脚手架，降低施工难度和风险，同时增加了水头高度。
4) 在阀门管道间的底部设置钢结构，按照一定的角度将型钢插入到反应堆厂房的APC大壳上。可以将型钢设置成上下两层，上层用以支撑水箱的部分重量，下层用作人员的通道和施工平台，这种方式可以有效的减少脚手架的搭建工作，减少风险的产生。
3.2 后续改进设计
因排气管直接与大气接触，换热水箱内的水与大气环境不是绝对密封的，在海边潮湿的气候下，空气中的部分盐离子可能会进入到换热水箱内，使水质变差，而这些盐离子是不能通过加药系统进行净化的。因此，在后续的设计中可以在循环回路中设置永久性除盐床。
为保证换热质量和速度，布置在安全壳内的换热器传热管的壁厚只有2 mm，且直接暴露于环境中，容易被外部事件破坏。因此在PCS换热器的后续设计中可以考虑将导热管衬于钢衬里和混凝土之间，以类似水冷壁的形式进行设计和布置，其优点在于不需要在安全壳内增加设备，不需要对钢衬里进行开孔操作，并能利用钢衬里进行大面积换热。并且其部分管道和阀门可以设置在双壳之间，减少外部阀门管道间的设备和管道数量，能有效地减少现在阀门管道间的拥挤程度。
4 结论
“华龙一号”PCS系统作为一个全新的系统设计，在前期已经通过试验进行了验证和评估，验证了PCS系统的设计是合理的、可行的。在施工的过程中虽然也遇到了一些问题，但通过对这些问题的分析和研究，可以对后续的设计改进积累丰富的经验。通过“华龙一号”全球首堆PCS系统的施工验证，为今后的工作积累下丰富的布置与设计经验，这些经验和数据将在后续的机组建设中将使得PCS系统的布置更加优化。
