安全注入系统设计研究

王广飞WANG Guang-fei；张志明ZHANG Zhi-ming

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

1 概述

安全注入系统（下文简称安注系统）是核电厂非常重要的专设安全设施之一，其主要功能是在反应堆冷却剂系统发生失水事故时投入动作，将换料水箱中的含硼水迅速注入反应堆冷却剂系统冷却堆芯，带走堆芯余热，限制堆芯损坏和放射性物质的释放，该系统对减轻破口失水事故引起的后果有重要的作用。核电厂运行前要对每个系统进行严格的调试，每个系统设计中也必须制定严格的调试准则。对于安注系统而言，调试中安注系统的流量应满足调试准则的要求。调试准则的确定是系统设计中一项重要内容。本文以国内某新堆型为例，对安注系统的设计及安全准则制定进行研究分析。

2 安注系统设计

2.1 系统设计流程

安注系统的设计需要满足事故分析的要求，即事故工况下注入堆芯的硼水流量应能够保证不同事故工况下堆芯的安全，系统的设计首先事故分析专业提出不同事故工况下的安注流量需求，然后根据流量需求、管路设计布置情况，计算设备设计参数及管路阻力配置，并根据最终的系统实际配置重新计算，校核是否能够满足事故分析要求。若不能够满足要求，则设备需要重新选型、管路需要重新配置，完成并再一次进行校核。以该设计流程为基础进行设计的安注系统校核计算一般均能够满足要求而不再进行调整。对于一个新设计的堆型，事故分析专业很难能够从设计之初提出安注流量需求，安注系统的设计通常采用如图1 所示的流程。首先是根据设计经验，先选择确定设备容量（安注泵、调节阀及孔板）及管路配置方案，并进行不同工况下安注流量计算，事故分析专业根据计算结果对不同事故进行校核，如果校核通过，则系统设计固化，如果未通过，则重新进行设计。

图1 新堆型安注系统设计流程

2.2 系统配置方案

基于主回路系统配置方案及电厂支持系统设计（电气系统、设备冷却水系统等），国内某堆型安注系统设计主要包括了非能动安注子系统和能动安注子系统，非能动安注子系统主要包括三台安注箱，分别注入主回路系统三个环路的冷管段；能动安注子系统流程简图如图2 所示，包括两列中压安注和两列低压安注，两台中压安注泵和两台低压安注泵分别合并母管后分为三个支管，分别注入主回路三个环路的冷段（共三个冷段注入点），同时每台泵的出口还设置有主回路系统热段注入管线。

图2 安注系统流程图简图

2.3 设备初步选型

上述安注系统配置方案中，国内某堆型安注系统设计首先是根据工程经验及定性事故分析，选取中压安注泵及低压安注泵的特性曲线（每台泵分别选取最小特性曲线和最大特性曲线，选取依据设计经验及国际上相似机型泵的参数），分别如图3 中（a）图和（b）图所示，根据管路实际配置，分别计算最大及最小安注流量，将计算结果提交事故分析专业，确定是否满足要求。

图3 初步选型的中压及低压安注泵特性曲线

3 计算分析

系统安注系统配置方案及设备初步选型确定之后，需要根据设计方案建立系统计算模型，根据模型计算主回路不同压力下安注泵向主回路的有效注入流量，结合安注系统的设计方案及相关规范要求，计算时需要综合考虑如下因素：①结合后期调试情况，考虑三个支路之间的流量不平衡；②始发事件影响：假设一个注入点失效，计算两个注入点的有效注入流量；③单一故障影响：考虑某列的低压安注泵和中压安注泵失效。

综合以上因素，首先计算三个支路流量基本平衡时一台中压安注泵、一台低压安注泵运行时两个注入点的有效注入流量，并分别确定中压安注及低压安注支路上流量分配阻力件的阻力，根据计算流量校核事故分析，根据图1所示的流程，最终确定安注泵及流量分配阻力件的阻力。

3.1 注入点之间流量不平衡分析

安注系统中两台中压安注泵及两台低压安注泵均是出口合并一根母管后再分出三个支管，分别注入主回路三个环路的冷管段，安注系统设计应尽量保证三个注入点之间流量尽量平衡，但在实际调试过程中三个环路流量必然存在差异，为了保证调试的顺利进行，需要考虑各注入点间的流量不平衡因素，流量不平衡量A 的计算如下：

假设三个注入点的注入流量分别为q1、q2、q3，并且q1＞q2＞q3，则管路间的不平衡量可以用式（1）表示。

测量误差可以用式（2）表示。

为简化计算进行如下假设：

因此可以得到：

式中：ΔPmax为传感器量程；ΔP 为测量值；dΔP 为传感器精度。

3.2 不平衡量确定

不平衡量的计算分析中，最关键的是确定最大流量注入点。分别假设三个注入点为最大流量，即在原有流量分配阻力件基础上增加另外两个支路阻力件的阻力，计算此时三个注入点的注入流量，根据计算结果，得出不平衡量A。根据图2 所示的配置方案，假设冷管段C1 的流量最大，增加C2 和C3 管路的阻力，根据泵的最小流量曲线，计算三个环路的注入流量，根据计算结果得出此配置下的注入流量的不平衡量。然后再分别假设C2 和C3 支路的流量最大，计算此时的注入流量不平衡量。

考虑注入管线之间的流量不平衡，将直接导致考虑2个有效注入点时的注入流量减少。假设最不利的结果，中压安注的最大流量支路和低压安注的最大流量支路相同，此时将导致2 个有效注入点时的注入流量最低，此时计算得到各工况下的注入流量若能够满足事故分析的要求，则安注系统设计就能够满足要求。

由于事故分析的最低流量需求未知，因此不平衡量准则的确定需要首先假设中压安注及低压安注的流量不平衡量，然后根据不平衡量分别计算各个组合工况下的有效注入流量，将计算结果交由事故分析专业校核是否满足要求，如果不满足要求，则需要重新减小不平衡量，重新计算分析。在完成三个支路流量基本平衡时的注入流量计算后，再考虑注入点之间流量不平衡对有效注入流量的影响，流量不平衡量的假定应考虑对后期调试的便利性，若不平衡量假设过小，则增加后期调试难度。根据设计经验，综合考虑其它机型不平衡量的数值以及后期调试的便利性，本机型设计中假定中压安注注入点间不平衡量为10%，低压安注注入点间不平衡量为13%，确定中压安注泵及低压安注泵分别注入时不平衡量值，然后再分别计算不同工况下的注入流量（应假设流量最大的注入点注入无效）。

3.3 计算结果

根据上述分析，分别计算考虑和不考虑注入点间流量不平衡时一台中压安注泵、一台低压安注泵运行时两个注入点的有效注入流量，如图4 所示。将考虑注入点间流量不平衡之后的计算结果进行事故分析校核，若事故分析能够通过，则目前设计可以满足要求，若不能通过，则需要重新根据图1 所示的流程，对泵及其它设备进行重新选型，重新校核计算，直至事故分析结果满足要求为止。上述计算中仅计算了最小安注流量，而最大安注流量在考虑流量不平衡之后同样会导致有效注入流量降低，但若最小安注流量能够满足事故分析要求，则最大安注流量一定能够满足事故分析要求，因此最大安注流量将不再重复计算。

图4 安注流量计算曲线

3.4 调试验收准则确定

安注系统设计及计算完成之后，还需要给出系统调试时流量验收准则，即调试时，系统实际安注流量要求。调试结果必须满足准则要求。根据3.3 节的计算结果，在考虑注入点间流量不平衡的基础上，得出中压安注泵及低压安注泵调试验收准则，即分别如图5 中（a）图和（b）图所示。

图5 安注流量验收准则

图中纵坐标为泵的吸入口水源液位与注入点液位差，每幅图中两条曲线分别为最小和最大流量曲线。调试时，实际测量安注流量在经过误差修正后，必须在上述最小及最大流量准则曲线内。

4 结论

本文以国内某新堆型为例对安注系统设计过程进行了详细的阐述及分析，并主要得出如下结论：①明确了新堆型安注系统的一种设计流程，并依此完成了国内某新堆型安注系统配置方案设计及流量计算。②掌握了不平衡量及其调试过程中误差的计算方法，并提出了系统设计中不平衡量确定方法，为后期调试提供了有力保证。③根据确定的不平衡量限值，计算得出了国内某新堆型分别在考虑和不考虑注入点间流量不平衡量时的安注流量，并根据安注流量计算结果确定了安注流量调试验收准则。