重水堆壓力管主系統(tǒng)重水疏排初步研究

梁 鋒

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

1 換管及重水疏排背景

秦山三期重水堆機(jī)組是從加拿大原子能有限公司AECL（現(xiàn)為加拿大Candu能源公司，簡(jiǎn)稱CE）引進(jìn)的CANDU-6型核電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組的反應(yīng)堆全堆芯有380根壓力管貫穿于排管容器的排管內(nèi)，壓力管作為燃料承載容器，內(nèi)裝12根燃料棒束，全堆共裝載4 560根燃料棒束?；谥厮讯研镜墓逃性O(shè)計(jì)特點(diǎn)，由端部組件、壓力管、排管以及排管和壓力管之間的定位環(huán)等組成的燃料通道組件，長(zhǎng)期處于高輻照和高溫高壓工況下。隨著電廠的連續(xù)運(yùn)行，這些燃料通道組件將不可避免地發(fā)生老化和性能降級(jí)現(xiàn)象，特別是承載燃料組件及一回路冷卻劑壓力邊界的壓力管，會(huì)發(fā)生老化變形和延遲氫脆等材料性能變化，最終導(dǎo)致其不滿足設(shè)計(jì)安全要求，所以在機(jī)組運(yùn)行到一定年限后必須進(jìn)行壓力管更換。加拿大CE公司有成熟、并已經(jīng)過(guò)考驗(yàn)的設(shè)計(jì)，但為了應(yīng)對(duì)國(guó)際合作存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，建議繼續(xù)開(kāi)展重水真空疏排裝置研制工作，對(duì)重水真空疏排工藝進(jìn)行自主化設(shè)計(jì)，掌握重水真空疏排工藝核心技術(shù)，從而保證換管項(xiàng)目的順利實(shí)施。

機(jī)組壓力管換管前，需將主熱傳輸系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)內(nèi)重水（約192.4 t/單機(jī)組）疏排干凈，貯存在重水臨時(shí)貯存設(shè)施內(nèi)，為壓力管更換建立條件，同時(shí)減少重水損失，降低壓力管更換期間人員的攝氚劑量以及放射性物質(zhì)的環(huán)境釋放量。目前，主熱傳輸系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)的大部分重水可通過(guò)已有疏水管線排出，但是僅能使主系統(tǒng)正常疏水至集液管處，在壓力管、Feeder管、主系統(tǒng)及部分設(shè)備低點(diǎn)處的重水難于正常排出，在壓力管更換過(guò)程中，從已經(jīng)實(shí)施過(guò)換管項(xiàng)目的國(guó)外電廠可以看出，主系統(tǒng)的重水在經(jīng)過(guò)自身系統(tǒng)疏排到對(duì)應(yīng)的重水儲(chǔ)存箱中后，在壓力管、上支管、主系統(tǒng)及部分設(shè)備低點(diǎn)處會(huì)有11～16 t的殘余重水，因此需要在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加真空疏排裝置，將殘余重水全部排空。

2 真空疏排原理

當(dāng)液體上方大氣的壓力（外壓）降低時(shí)，液體的沸點(diǎn)溫度也就較正常沸點(diǎn)溫度要低，例如，重水在0.0066MPa下，溫度達(dá)到37.5℃即開(kāi)始沸騰；而在0.02MPa下，溫度需要達(dá)到62℃才開(kāi)始沸騰。當(dāng)壓力增加，溫度降低，水蒸氣產(chǎn)生速率也會(huì)降低。反之，壓力降低，溫度升高，水蒸氣產(chǎn)生速率也會(huì)提高。因此，影響液體沸騰的主要因素為溫度和氣壓，以及液體沸騰面積和液體上方空氣流動(dòng)速度。

重水真空疏排工藝即通過(guò)一臺(tái)真空泵對(duì)主熱傳輸系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)進(jìn)行抽吸，使其內(nèi)部成負(fù)壓狀態(tài)，重水在較低溫度下沸騰形成蒸汽，并在泵的抽吸作用下蒸汽經(jīng)過(guò)冷凝器冷凝，冷凝液收集在重水儲(chǔ)存箱中。

3 國(guó)外設(shè)計(jì)情況

Candu能源公司設(shè)計(jì)了一套真空疏排裝置，可將堆芯內(nèi)主系統(tǒng)殘余重水排空，并在相關(guān)電站進(jìn)行了有效的實(shí)施，具體方案如下：抽真空疏排裝置是通過(guò)對(duì)熱傳輸支管導(dǎo)入熱空氣和端屏蔽冷卻系統(tǒng)加熱，使主系統(tǒng)相關(guān)的壓力管的部件或設(shè)備溫度保持在50～60℃，然后將真空疏排裝置連接到停堆冷卻系統(tǒng)，通過(guò)真空疏排裝置使主系統(tǒng)內(nèi)壓力降低到50mmHg以下，達(dá)到該重水溫度下的飽和壓力，使重水沸騰形成蒸汽而抽出，重水蒸汽經(jīng)過(guò)冷凝器中冷凝并收集，最終通過(guò)冷凝液泵排至重水收集裝置。概念設(shè)計(jì)圖如圖1所示，部分設(shè)備圖如圖2所示。

4 國(guó)內(nèi)自主化評(píng)估及研究方向

4.1 部件生產(chǎn)能力、硬件能力

由于我國(guó)目前僅有兩臺(tái)CANDU6型重水堆機(jī)組，缺乏壓力管更換的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)儲(chǔ)備，在重水真空疏排領(lǐng)域的研究還是空白。但是，在民用領(lǐng)域已有類似的研究和應(yīng)用。

（1）真空泵：是重水真空疏排工藝中的核心設(shè)備。目前，國(guó)內(nèi)真空泵的生產(chǎn)制造技術(shù)能力已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

（2）冷凝器：作為重水真空疏排裝置冷凝單元的核心設(shè)備，是常見(jiàn)的化工設(shè)備。目前，國(guó)內(nèi)各類冷凝器的生產(chǎn)制造技術(shù)都已非常成熟。冷凝器應(yīng)用最多的主要有板式換熱器和管式換熱器。

4.2 自主化研究方向及難點(diǎn)

4.2.1 系統(tǒng)內(nèi)殘余重水分布情況及關(guān)鍵問(wèn)題分析

對(duì)于主熱傳輸系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)殘余重水的存量、分布以及較難疏排的區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)分析，完成工藝關(guān)鍵問(wèn)題研究，包括明確疏水工作范圍、系統(tǒng)接口以及先決條件，分析關(guān)鍵設(shè)備選型和疏水終點(diǎn)判斷依據(jù)，評(píng)估系統(tǒng)加熱能力和工作范圍內(nèi)系統(tǒng)耐負(fù)壓能力等。

4.2.2 系統(tǒng)加熱能力評(píng)估

根據(jù)主熱傳輸系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)殘余重水分布情況，分析需要預(yù)熱的管段和設(shè)備。預(yù)熱方式需考慮重水蒸汽在系統(tǒng)內(nèi)不會(huì)再次凝結(jié)并重新返回到較難疏排的區(qū)域。重水預(yù)熱可以選擇通熱空氣、電伴熱或通過(guò)運(yùn)行慢化劑系統(tǒng)循環(huán)泵和端屏蔽泵等方式實(shí)現(xiàn)。通過(guò)運(yùn)行慢化劑系統(tǒng)循環(huán)泵和端屏蔽泵加熱的可行性及其加熱能力需進(jìn)一步分析論證。

4.2.3 工作范圍內(nèi)系統(tǒng)耐負(fù)壓能力評(píng)估

新增的重水真空疏排系統(tǒng)應(yīng)不影響原有系統(tǒng)（即主熱傳輸系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)）的正常運(yùn)行。根據(jù)重水真空疏排系統(tǒng)對(duì)真空度的要求以及系統(tǒng)正常工作時(shí)的壓力范圍，并基于設(shè)備和管道的材料特性，評(píng)估工作范圍內(nèi)系統(tǒng)耐負(fù)壓能力，提出相關(guān)應(yīng)對(duì)措施。例如，疏水臨近結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)液態(tài)重水幾乎排空，已再無(wú)重水蒸汽產(chǎn)生，系統(tǒng)內(nèi)壓力無(wú)法得到補(bǔ)充，管道內(nèi)又含有大量重水蒸汽未排出，此時(shí)真空泵如繼續(xù)工作會(huì)使管內(nèi)壓力持續(xù)減小，管道可能存在安全性問(wèn)題，因此可以考慮通過(guò)“停止抽氣、注入空氣、再抽真空”的方式排出殘余重水蒸汽。

4.3 重水真空疏排工藝方案設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制分析

根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)殘余重水分布情況及關(guān)鍵問(wèn)題分析，完成重水真空疏排工藝方案設(shè)計(jì)，編制工藝流程圖和設(shè)計(jì)說(shuō)明。初步制訂重水真空疏排工藝方案如下。

首先，通過(guò)向熱傳輸支管保溫層導(dǎo)入熱空氣對(duì)熱傳輸支管進(jìn)行預(yù)熱，采用反饋式電柜對(duì)端屏蔽冷卻系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，以及啟動(dòng)慢化劑系統(tǒng)的循環(huán)泵使慢化劑升溫，對(duì)壓力管及部件進(jìn)行預(yù)熱，使重水溫度保持在一定范圍內(nèi)（初設(shè)值為60℃）。然后，將重水真空疏排裝置連接到停堆冷卻換熱器出口閥3341-MV17/MV18處，啟動(dòng)真空泵使主系統(tǒng)內(nèi)壓力降低至一定值以下（初設(shè)值為0.006 6MPa），達(dá)到該重水溫度下的飽和蒸汽壓，使重水沸騰形成蒸汽而抽出。重水蒸汽經(jīng)過(guò)停堆冷卻系統(tǒng)熱交換器和臨時(shí)新增的兩級(jí)冷凝器冷凝并收集在重水收集箱中，最終通過(guò)冷凝液泵排至重水儲(chǔ)存箱。不凝性氣體排至重水蒸汽回收系統(tǒng)進(jìn)行干燥處理。

重水真空疏排工藝的主要熱工參數(shù)包括重水加熱溫度、真空泵背壓和疏水速率。三者之間相互聯(lián)系，確定重水加熱溫度和真空泵背壓后即可確定疏水速率。

4.3.1 重水加熱溫度

單從提高疏水速率方面考慮，熱源的加熱能力越強(qiáng)越好。但是，如果加熱能力太強(qiáng)，存在系統(tǒng)超溫風(fēng)險(xiǎn)。沸騰產(chǎn)生的重水蒸氣過(guò)多，由于管道流動(dòng)阻力存在會(huì)導(dǎo)致重水蒸氣產(chǎn)生區(qū)域局部壓力升高，局部壓力升高會(huì)導(dǎo)致沸點(diǎn)升高，由于傳熱溫差的存在熱源（慢化劑、端屏蔽）的溫度也會(huì)進(jìn)一步升高，為保證設(shè)備安全，慢化劑和端屏蔽溫度不能無(wú)限制提高，因此應(yīng)該將其限制在合理可行盡量高的范圍內(nèi)。目前，設(shè)備安全方面限制有如下兩點(diǎn)：（1）堆腔混凝土溫度不能高于65℃，防止堆腔混凝土脫水；（2）HTS系統(tǒng)溫度高于55℃時(shí)，端屏蔽系統(tǒng)需要保持運(yùn)行，屏蔽環(huán)溫度正常范圍為60℃～66℃。

4.3.2 真空背壓

單從提高疏排速率方面考慮，背壓越低越好。降低背壓需要提高真空泵能力，會(huì)導(dǎo)致成本增加，同時(shí)設(shè)備尺寸也會(huì)變大，設(shè)備的吊運(yùn)、安裝難度也會(huì)增加。安全方面主要考慮以下兩點(diǎn)：（1）主熱傳輸系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)真空邊界范圍內(nèi)設(shè)備耐負(fù)壓能力，主系統(tǒng)抽到絕對(duì)真空（0kPa），反應(yīng)堆廠房壓力在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，主系統(tǒng)承受的外壓是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即101kPa。為確保真空邊界內(nèi)設(shè)備安全，需要對(duì)相關(guān)設(shè)備耐負(fù)壓能力進(jìn)行分析；（2）在系統(tǒng)真空度過(guò)低的情況下，重水蒸發(fā)吸熱導(dǎo)致溫度下降，是否存在引起局部區(qū)域重水結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下重水冰點(diǎn)3.8℃），需要對(duì)此風(fēng)險(xiǎn)做進(jìn)一步研究。

4.3.3 疏水速率

扣除前期重水疏排、換料機(jī)疏排（如果有）、系統(tǒng)升溫、設(shè)備端接以及拆除所需的時(shí)間，保守估計(jì)真空疏排時(shí)間至少為8d。假設(shè)主熱傳輸系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)內(nèi)殘留的重水量為14t（實(shí)際情況預(yù)計(jì)高于此值），并且重水真空疏排裝置24 h連續(xù)運(yùn)行，則疏水速率至少應(yīng)為73 kg/h。根據(jù)主熱傳輸系統(tǒng)重水疏排允許的實(shí)際窗口時(shí)間，需對(duì)疏水速率作進(jìn)一步分析，并通過(guò)數(shù)值模擬分析軟件對(duì)疏水速率與重水加熱溫度、真空背壓之間的關(guān)系進(jìn)行研究分析。

4.4 重水真空疏排裝置樣機(jī)設(shè)計(jì)、制造及試驗(yàn)

按照制訂的重水真空疏排工藝方案及設(shè)計(jì)技術(shù)要求，對(duì)小型移動(dòng)式重水真空疏排裝置樣機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。采用模塊化技術(shù)對(duì)真空泵、冷凝器等設(shè)備進(jìn)行高度集成。同時(shí)，對(duì)設(shè)備布置和接口進(jìn)行優(yōu)化，減少裝置占地面積。

5 建議

對(duì)于主系統(tǒng)重水真空疏排裝置，加拿大CE公司有成熟、并已經(jīng)過(guò)考驗(yàn)的設(shè)計(jì)，考慮到國(guó)內(nèi)的硬件建設(shè)能力已經(jīng)具備，雖然沒(méi)有換管相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)儲(chǔ)備，同時(shí)也存在不少需要科研攻關(guān)的難點(diǎn)，但仍然建議繼續(xù)開(kāi)展重水真空疏排裝置研制工作，對(duì)重水真空疏排工藝進(jìn)行自主化設(shè)計(jì)，掌握重水真空疏排工藝核心技術(shù)，提升主熱傳輸系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)的疏水效率，進(jìn)一步縮短疏水時(shí)間，提高壓力管更換項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，并應(yīng)對(duì)國(guó)際合作存在的風(fēng)險(xiǎn)從而保證換管項(xiàng)目的順利實(shí)施。