VVER机组含硼水储存系统降温运行分析

VVER机组含硼水储存系统降温运行分析

钱君

江苏核电有限公司            江苏连云港          222000

摘要：：VVER机组含硼水储存系统原设计工作温度为不低于70℃，该温度处于不锈钢应力腐蚀敏感区间，田湾二期工程通过降温运行改造，目前系统工作温度降为不低于20℃。本文通过理论分析、模拟机验证以及机组实际验证等方式，对含硼水储存系统降温后影响较大的大流量注硼工况下上充水与一回路冷段温差以及一回路余热导出预热方式进行分析，提出了保障上充水与一回路冷段温差小于30℃的措施，优化了一回路余热导出预热的方式。

关键字：含硼水储存系统；降温运行；温差；余热导出预热；验证

Cooling operation analysis of boron containing water storage system in VVER unit

（ Qian Jun，Jiangsu Nuclear Power Co., Ltd. Lianyungang City, Jiangsu Province）

Abstract: The original design working temperature of the boron containing water storage system for VVER units was not less than 70 ℃, which is within the sensitive range of stainless steel stress corrosion. The Tianwan Phase II project has undergone cooling operation modification, and the current system working temperature has been reduced to not less than 20 ℃. This article analyzes the temperature difference between the upper filling water and the cold section of the primary circuit, as well as the preheating method of the primary circuit waste heat export, which has a significant impact on the cooling of the boron containing water storage system under high flow boron injection conditions through theoretical analysis, simulation machine verification, and actual unit verification. Measures are proposed to ensure that the temperature difference between the upper filling water and the cold section of the primary circuit is less than 30 ℃, and the preheating method of the primary circuit waste heat export is optimized.

Keywords:boron contanining water storage system;cooling operation;temperature difference;waste heat export preheating;verification

1.研究背景

田湾二期工程3、4号机组含硼水储存系统（以下简称JNK系统）用于贮存低浓度和高浓度的含硼水，执行发生失水事故时的应急堆芯冷却的安全功能。每个机组的JNK系统包含两个容量为1200m3的低浓度硼水储存箱JNK10(40)BB001和两个容量为150m3的高浓度硼水储存箱JNK10(40)BB002。低浓度硼水箱内壁为由不锈钢板焊接而成的钢衬里，钢衬里与混凝土结构之间填充保温材料，原设计水箱内贮存温度为70℃的低浓度硼酸溶液；高浓度硼水箱为不锈钢立式圆柱形容器，水箱内贮存温度为70℃的高浓度硼酸。

2010年田湾核电站1、2号机组JNK系统低浓度硼水贮存箱开始出现泄漏，漏量逐年增加。田湾核电站从水箱钢衬里取样并开展了失效分析，结果表明钢衬里泄漏的原因为氯离子应力腐蚀开裂[1]，裂纹起源于钢衬里焊缝处，从外壁向内壁扩展，氯离子主要来源于浮石混凝土保温材料对空气中氯离子的吸附。根据失效分析结果，目前水箱运行温度70-75

℃正处于不锈钢应力腐蚀的敏感温度区50-300℃，这是导致材料应力腐蚀敏感性提高的重要环境因素。

田湾核电站3、4号机组建设阶段根据1、2号机组经验反馈已采取了一系列改进，包括增大钢板尺寸来减少钢衬里的焊缝数量、控制钢衬里与混凝土结构之间保温材料浮石混凝土的氯离子含量、采用耐应力腐蚀性能更好的材料等，但水箱运行温度与1、2号机组相同，仍处于奥氏体不锈钢应力腐蚀的敏感温度区间，存在钢衬里被腐蚀导致泄漏的风险。

为了降低介质温度对水箱泄漏的影响，3、4号机组已通过技术改造将JNK水箱温度降至不低于20℃运行。由于JNK系统运行工况与原先不一致，可能会影响大流量注硼工况下上充水与一回路冷段温差，导致温差超限，还可能会对一回路余热导出预热时间产生影响。因此，特对上述问题进行分析验证，以保证机组安全可靠运行。

2.含硼水储存系统降温运行改造实施内容

JNK10(40)BB001/002水箱设置有两种运行工况，工况1对应水箱温度21-30℃，工况2对应水箱温度71-75℃。日常运行期间，水箱的运行模式为工况1，当水箱温度低于21℃时投入加热程序，当水箱温度高于30℃时，停止加热。当水箱运行模式为工况2时，温度低于71℃投入加热程序，温度高于75℃时停止加热。水箱温度低于21℃和高于75℃都会发出W报警提示主控操纵员。

3.含硼水储存系统降温运行对机组影响分析及验证

3.1  大流量注硼时上充水与一回路冷段温差控制问题

机组非计划后撤时，由于JNK水箱温度都在21-30℃之间，通过JNK10/40BB002进行大流量注硼建立停堆硼浓度可能存在上充水温度与一回路冷段温度温差超过30℃的情况，为此按以下方式进行了验证：

验证方式1：进行热工计算，通过对大流量注硼拟合计算，得出理论最大温差。以下为某次大修期间大流量注硼过程相关参数（表1）：

表1：某次大修期间大流量注硼过程参数

通过对表中数据进行处理，得到换热器的其余热力参数：

换热器热侧旁路流量：Q旁=QC*（T混-TC2）/（TH1-T混）=52.11kg/s

热侧换热量：WH=4.18*QH*（TH1-TH2）=8095.82KW

冷侧热量：WC=4.18*QC*（TC2-TC1）=8967.86KW

换热量平均值：W均=（WH+WC）/2=8531.84KW

上端差：T上=TH1-TC2=51.4℃

下端差：T下=TH2-TC1=46.6℃

对数平均温差：T均=（T上-T下）/LN（T上/T下）=48.96℃

换热因子：J= W均/T均=174.26KW/℃

本次计算通过设定换热器冷侧入口温度为20℃，逐步增加换热器冷侧出口温度，进而推导出新的换热因子与原换热因子对比，差异最小时的数据即为理论计算值。实际计算过程中，逐步增加换热器冷侧出口温度至205℃时，换热因子差异最小。计算过程如下：

换热量W=4.18*TC*（TC2-TC1）

换热器热侧出口温度TH2=TH1-W/4.18/QH

计算换热因子J1=W/｛[TH1-TC2-（TH2-TC1）]/LN[（TH1-TC2）/（TH2-TC1）]｝

换热器出口与旁路混合后温度T混=（TH1*Q旁+TC2*QC）/（QC+Q旁）

当TC2=205℃时，J1=175.55KW/℃，与原换热因子J差异最小，相应的T混=263.9℃。

搅混后的上充水温度约为263.9℃，一回路冷段温度约为280℃，计算温差为16.1℃，满足与一回路冷段温度温差小于30℃的要求。

验证方式2：通过核电厂全范围模拟机验证大流量注清水工况（由于模拟机浓硼箱温度固定为70℃无法修改，故使用大流量注清水替代），同时投运两列反应堆冷却剂净化系统（以下简称KBE系统）离子床，逐步增加上充水流量，记录上充水与一回路冷段温差数据（表2）。

表2：上充水与一回路冷段温差数据

从模拟机上验证的数据来看，大流量注硼工况下当流量达到14kg/s时，温差为15.3℃，满足上充水与一回路冷段温差小于30℃的要求。

验证方式3：为验证JNK降温运行后，机组上大流量注硼工况上充水与一回路冷段实际温差，在3号机组调停期间，最大温差22.3℃，此时的上充流量为15.8kg/s；在4号机大修期间，最大温差23.1℃，此时的上充流量为14.7kg/s。

综上上述三种验证方式的结果来看，如果温度降低到21℃，仍然以14kg/s左右的流量上充，不会导致上充水温度与一回路冷段温差超过30℃。

3.2  余热导出管线预热问题

3.2.1计划性大修或小修时余热导出预热方式

由于JNK低浓度硼水箱日常保持21-30℃，机组在计划性大修或小修时，可提前考虑对水箱进行加热，温度维持70-75℃，与降温运行改造前的运行方式一致，余热导出预热参照以往模式进行即可，预热步骤如下（以预热安全2通道为例）：

第一步：预热安全壳喷淋系统（以下简称JMN）泵JMN20AP001入口、出口管道。

在一回路温度降低到150℃之前的一个小时内（即一回路温度为180℃左右）进行预热。提前加热JNK10BB001至75℃，启动JMN20AP001沿大流量试验管线预热。当泵出口温度JMN20CT004达到55-60℃时，预热结束，具体流程见图1。

图1：启动JMN20AP001沿试验管线预热出入口管道流程示意图

第二步：余热导出系统（以下简称JNA）JNA20管道充水排气。

从JNK10BB001向JNA20管道进行充水排气，直到排气阀JNA20AA551有稳定水流，重复排气至少5次。

第三步：预热低压安注系统（以下简称JNG）JNG20与一回路相连的出口管道。

当一回路温度低于150℃且压力低于2MPa时，通过将一回路冷却剂排向反应堆厂房设备疏水系统（以下简称KTA）预热JNG20出口管道。打开逆止阀的旁路阀及阀门KTA19AA103,104预热，直到KTA19CT002显示温度达到90～100℃时，预热结束，具体流程见图2。

图2：JNG20出口管道预热

第四步：进行JMN/JNA20联合预热。

通过将一回路冷却剂排向KTA系统进行联合预热。打开反应堆冷却剂泄漏收集系统（以下简称JET）疏水阀JET52AA103,104、JET51AA103,104以及KTA19AA103,104进行预热，当JNA20CT001显示温度达到90～100℃时，关闭JET52疏水阀。直到KTA19CT002显示的温度升高到与一回路冷段温度之差小于30℃，预热结束，具体流程见图3。

图3：JMN/JNA20联合预热流程示意图

3.2.2 计划性大修或小修时一、四通道余热导出预热方式优化

低硼水箱加热与不加热主要影响了JMN出入口管道预热的速度，为了验证低硼水箱不加热能否快速完成预热，研究通过启动JMN泵沿再循环运行预热出入口管道。针对低硼水箱温度为21-30℃情况，无法通过启动JMN泵沿试验管线运行预热JMN出口管道至65-70℃。由于JMN泵为6KV大功率泵且观察到每次定期试验时JMN泵出口温度均会有所上升（JMN泵定期试验沿再循环管线运行，属于自身打循环，介质不进入JNK水箱），据此编制了40JMN10AP001沿再循环管线运行加热至65-70℃方案，验证预热所需时间。验证结果如下：泵出口温度40JMN10CT004从26.2℃上升到70℃共7h43min，泵出口温度从26.2℃上升到65℃共5h6min。

通过对余热导出预热方式的研究以及上述验证，优化了机组计划性大修或小修JNK水箱不加热时的余热导出管线预热流程。对于一通道和四通道余热导出预热，分为以下四步预热（以一通道为例），除第一步与正常预热有差别，其余步骤与正常预热一致：

第一步：通过启动JMN10AP001沿再循环运行预热出入口管道及JNG管道。

退出JMN10AC001换热器KAA侧冷却水，在稳压器升液位后启动JMN10AP001沿再循环运行加热出口管道至70℃，随后打开JMN16AA101/102，KTA19AA101/102，JET51AA101/102进行排水，提前预热JNG管道。当JMN10CT004温度低于60℃时，关闭排水阀，重新进行加热。当准备进行JNA10管道充注时停运JMN10AP001，预热结束，具体流程见图4。

图4：JMN10AP001沿再循环运行预热出入口管道及JNG管道流程示意图

第二步：从JNK10BB001取水充注JNA10管道并排气。

第三步：通过把一回路冷却剂排向KTA系统预热JNG10出口管道。

第四步：通过把一回路冷却剂排向KTA系统，进行JMN/JNA10系统联合预热。

3.2.3 计划性大修或小修时二、三通道余热导出预热方式优化

在进行二、三通道余热导出预热时，由于无法将JMN20/30AC001的冷却水侧隔离，故无法通过启动JMN泵沿再循环运行进行预热。经细致分析，JMN20/30管道预热（JMN20/30AP001泵体及换热器预热）采用直接一回路换水预热方案进行，不再单独对JMN20/30管道进行预热，具体预热步骤如下（以二通道为例）：

第一步：从JNK10BB001给JNA20管道进行充水排气。

第二步：进行JMN/JNA20系统联合预热。

当一回路温度低于150℃且压力低于2MPa时，通过将一回路冷却剂排向KTA系统进行联合预热。打开疏水阀JET52AA103/104，JET51AA103/104，KTA19AA103/104，当JNA20CT001温度到90-100℃时，关闭JET52疏水阀。当一回路冷段温度与KTA19CT002温差小于30℃时，关闭JNG20AA801安全壳隔离阀，关闭KTA19阀门，保持JET51处持续有水排出。

第三步：通过把一回路冷却剂排向KTA系统预热JNG20出口管道。

第四步：再次进行联合预热。

通过打开JNG20AA801和KTA19AA103/104，再次将系统进行联合预热，当一回路冷段温度与KTA19CT002温差小于30℃时，预热结束。

3.2.4 余热导出预热时间对比分析

在4号机组大修期间，按上述方案分别进行了余热导出预热时间验证。对于得到的数据进行对比分析，见表3：

表3:4号机组大修期间各通道以不同方式进行预热所需时间表

调取历史记录，以往大修期间JNK水箱加热到75℃后余热时间见表4：

表4：JNK水箱加热到75℃后余热导出预热所需时间表

从表中数据分析来看：

1、JNK水箱常温下，通过启泵打循环预热JMN出口管道以及KTA19管道比不进行预热可以节约1.3小时左右的时间；

2、JNK水箱常温下，通过一回路直接放水进行余热导出预热大约需要5h左右，在发生紧急情况需要机组状态后撤时，也能满足要求；

3、JNK水箱常温下，通过JMN泵沿再循环管线预热可以达到预期的预热目标，和JNK水箱加热到75℃通过JMN泵沿试验管线运行预热管道的效果接近，后续可采用此方法作为替代。

3.2.5 非计划后撤时余热导出预热

机组非计划后撤时余热导出管线预热方式与正常预热（JNK水箱加热到75℃）方式存在偏差。

由于日常运行期间JNK水箱维持21-30℃，非计划后撤时可参照前文所述的余热导出预热优化方案进行。有所区别的是，在进行一、四通道预热时，可在收到值长后撤命令后，立即启动JMN泵沿再循环运行进行预热。对于二、三通道的紧急后撤，可在满足条件后直接通过一回路放水进行联合预热。

3.2.6 二、三通道余热导出预热流程的进一步优化

通过分析二、三通道余热导出预热方式及预热效果，可以进一步优化预热方式，节约预热时间。

在JNK水箱常温情况下，直接放水进行联合预热大约需3小时，根据历次大修经验，以三通道为例，JNG管道预热的时间为1小时。可以在第二步联合预热的同时，通过关闭JNG30AA801安全壳隔离阀，同步进行JNG30管道预热。这样在完成JNG30管道预热后，打开JNG30AA801阀门，再进行联合预热，实际在JNG预热的同时也在进行联合预热，可节约预热时间。

4. 结论

本文通过对含硼水储存系统降温运行后可能对机组产生的影响进行分析，结合理论与实际验证，得到以下结论：

（1）大流量注硼工况下，为避免上充水温度与一回路冷段温差超限，需控制JNK浓硼箱温度尽量高一些，注水流量尽量控制在14kg/s左右；

（2）在对余热导出预热方式优化后，机组正常大修期间也可保持JNK水箱常温进行余热导出预热；

（3）紧急后撤工况下，机组余热导出预热可采用一、四通道启动JMN泵沿再循环管线运行预热，二、三通道可采用一回路直接放水预热与JNG出口管道同步预热的方式。

参考文献

[1]王立波.不锈钢应力腐蚀破坏分析[J]. 科技创业家. 2013 (02)