基于模塊化設(shè)計(jì)思路的小型壓水堆余熱排出系統(tǒng)與凈化系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

摘" 要：該文以小型壓水堆余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)為例，提出一種基于模塊化設(shè)計(jì)思路。這種方法包括考慮法律法規(guī)要求、堆型總體設(shè)計(jì)要求、系統(tǒng)功能性要求、系統(tǒng)性能要求、接口性要求及經(jīng)驗(yàn)反饋等多個(gè)方面。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，可以更靈活地應(yīng)對(duì)不同的設(shè)計(jì)需求。該文以小型壓水堆余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)為例，展示如何通過(guò)設(shè)備模塊化分解與集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多功能集成。通過(guò)共用換熱器、泵等設(shè)備，可以顯著減少設(shè)備數(shù)量，簡(jiǎn)化系統(tǒng)工藝。

關(guān)鍵詞：模塊化；余熱排出系統(tǒng)；凈化系統(tǒng)；集成設(shè)計(jì)；多功能

中圖分類號(hào)：TM623" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）07-0001-04

壓水堆核電站余熱排出系統(tǒng)一般用于機(jī)組啟停期間的堆芯余熱排出。在正常冷卻停堆的第二階段，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)不可用時(shí)，由余熱排出系統(tǒng)將堆芯余熱通過(guò)設(shè)備冷卻水傳輸至最終熱阱，使反應(yīng)堆冷卻劑的溫度以可控的方式持續(xù)降低。部分堆型余熱排出系統(tǒng)還負(fù)責(zé)換料水池或換料水箱的溫度控制。壓水堆核電站凈化系統(tǒng)一般用于一回路的容積控制功能、化學(xué)控制功能和反應(yīng)性控制。此外，凈化系統(tǒng)根據(jù)堆型總體設(shè)計(jì)要求的不同，還可執(zhí)行為主泵提供軸封水，為穩(wěn)壓器提供輔助噴淋水，防止一回路處于單相時(shí)的超壓以及充水排氣和水壓實(shí)驗(yàn)等一系列輔助功能。

本文主要通過(guò)分析對(duì)比目前各類型反應(yīng)堆的余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、結(jié)合不同類型的反應(yīng)堆總體設(shè)計(jì)思路，模塊化設(shè)計(jì)有助于通過(guò)不同的組合模塊來(lái)構(gòu)成不同的產(chǎn)品[1]。通過(guò)模塊化系統(tǒng)功能分析討論壓水堆核電站余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景提供合適系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。

1" 主要堆型相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明

目前，世界范圍內(nèi)各主流壓水堆針對(duì)余熱排出和凈化兩大主要輔助功能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)差異較大。目前，譚彥標(biāo)[2]對(duì)AP1000與M310機(jī)組的余熱排出系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)，提出了AP1000機(jī)組的優(yōu)化方向。第二代核電堆型諸如CPR1000一般將余熱排出功能和凈化功能分別設(shè)置2個(gè)不同系統(tǒng)。該種設(shè)計(jì)理念可以使各系統(tǒng)功能更加明確，但也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備數(shù)量多，系統(tǒng)工藝復(fù)雜。近些年來(lái)，各國(guó)著手設(shè)計(jì)并建設(shè)第三代核電堆型以及推進(jìn)小型壓水堆的研發(fā)，逐漸將不同功能的系統(tǒng)進(jìn)行合并，以期達(dá)到系統(tǒng)工藝優(yōu)化的效果。本文將對(duì)幾種典型壓水堆余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)進(jìn)行分析，分析在壓水堆余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的重要因素。

1.1" EPR堆型相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

EPR堆型充分整合了安全注射系統(tǒng)和余熱排出系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，將這2個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行合并，使其相同的設(shè)備在不同工況執(zhí)行不同的功能，從而使得系統(tǒng)合并。EPR堆型凈化系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置，且根據(jù)一回路設(shè)計(jì)特點(diǎn)而設(shè)置加氫站、容控箱等設(shè)備以執(zhí)行不同的輔助功能。該堆型安全注入和余熱排出系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

1.2" AP1000堆型相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

AP1000堆型為簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足堆型總體設(shè)計(jì)要求，其余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)根據(jù)一回路總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行一定程度的優(yōu)化和改進(jìn)。主要包括以下幾個(gè)方面。

AP1000主泵采用屏蔽離心泵，無(wú)須保持連續(xù)的上充下泄流量，因此在凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以無(wú)須考慮泵持續(xù)供給流量的功能。

AP1000采用高壓加氫的方式，因此其凈化功能無(wú)須使用容控箱注氫。

AP1000加硼調(diào)節(jié)方法不同，采用灰棒完成負(fù)荷跟蹤。

因此AP1000的凈化系統(tǒng)采用全壓設(shè)計(jì)，系統(tǒng)循環(huán)由主泵提供壓頭，簡(jiǎn)化了泵、減壓裝置的使用，使整體系統(tǒng)工藝配置大幅度簡(jiǎn)化。該凈化系統(tǒng)共設(shè)置1臺(tái)換熱器、1臺(tái)再生式換熱器、除鹽床以及過(guò)濾器等。

在該堆型中設(shè)置單獨(dú)的余熱排出系統(tǒng)，該系統(tǒng)為非安全級(jí)系統(tǒng)。在非能動(dòng)安全系統(tǒng)成功緩解事故之后，可由該系統(tǒng)將熱量從堆芯導(dǎo)出。該系統(tǒng)共設(shè)置2臺(tái)換熱器、2臺(tái)余熱排出泵等。該堆型正常余熱排出系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

1.3" KLT-40S系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

KLT-40S系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案采取不同的設(shè)計(jì)思路，該堆型將余熱排出系統(tǒng)與凈化系統(tǒng)高度集成，通過(guò)一套系統(tǒng)、設(shè)備共用的方式執(zhí)行余熱排出和一回路凈化兩大核心輔助功能。該堆型系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下。

該系統(tǒng)設(shè)置1臺(tái)換熱器執(zhí)行堆芯余熱排出、一回路凈化冷卻以及回流再熱的功能。由于該堆型換熱器執(zhí)行多個(gè)功能，因此該換熱器設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，存在一回路冷卻流道以及再熱隔腔。

該系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)泵為系統(tǒng)循環(huán)提供壓頭。

該系統(tǒng)將過(guò)濾器與除鹽床集成為1臺(tái)一體式凈化過(guò)濾裝置，減少設(shè)備使用。

該系統(tǒng)采用全壓設(shè)計(jì)，減少降壓裝置的使用。

因此，該堆型余熱排出和凈化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，系統(tǒng)集成性更高。但該系統(tǒng)全部布置在安全殼中，增大了安全殼內(nèi)的布置壓力。該系統(tǒng)余熱排出和凈化系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

1.4" 系統(tǒng)優(yōu)化方式

根據(jù)以上典型堆型的設(shè)計(jì)方案分析，其相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方案均有所不同，詳見(jiàn)表1。

通過(guò)各堆型相關(guān)系統(tǒng)對(duì)比可以看出，余熱排出和凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式受諸多因素影響。根據(jù)堆型總體設(shè)計(jì)要求、接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、布置要求等多種因素的不同形成不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

2" 模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

核電工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一門(mén)技術(shù)，同樣也是一門(mén)藝術(shù)，不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)方案可能會(huì)存在較大差別。本節(jié)將通過(guò)模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路方式為系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師提供一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和幫助。

余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)屬于核電關(guān)鍵核輔助系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，可將核輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)影響因素進(jìn)行模塊化拆分和分析。

對(duì)于核電關(guān)鍵核輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)因素模塊化分解如圖4所示，主要包括6部分內(nèi)容：法律法規(guī)要求、堆型總體性設(shè)計(jì)要求、系統(tǒng)功能性要求、系統(tǒng)性能要求、接口性要求和經(jīng)驗(yàn)反饋。

2.1" 法律法規(guī)要求

在核電關(guān)鍵核輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之初應(yīng)明確國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)的要求與規(guī)定以及相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該部分內(nèi)容一般會(huì)根據(jù)所研發(fā)的項(xiàng)目預(yù)期應(yīng)用場(chǎng)景等因素由項(xiàng)目總體方進(jìn)行規(guī)定。

2.2" 堆型總體設(shè)計(jì)要求

該部分因素應(yīng)考慮堆型總體對(duì)余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)的影響和要求。尤其對(duì)于不同堆型的不同應(yīng)用下，其環(huán)境要求和空間尺寸要求會(huì)有較大不同。對(duì)于目前小型壓水堆的應(yīng)用情況來(lái)看，海洋和陸地2種不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)將會(huì)產(chǎn)生較大影響，尤其是部分應(yīng)用于破冰船、浮動(dòng)平臺(tái)的小型壓水堆，對(duì)空間尺寸提出更高的要求和挑戰(zhàn)，這就使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)著重考慮系統(tǒng)集成與簡(jiǎn)化。

2.3" 系統(tǒng)功能性要求

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期，應(yīng)根據(jù)堆型的總體架構(gòu)充分考慮系統(tǒng)的功能要求，包括系統(tǒng)應(yīng)執(zhí)行的安全功能、運(yùn)行功能以及輔助功能。系統(tǒng)執(zhí)行的功能不同，這將直接影響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。如余熱排出系統(tǒng)需執(zhí)行事故后應(yīng)急帶熱的安全功能，則在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮其單一故障等因素。

2.4" 系統(tǒng)性能要求

在系統(tǒng)定容設(shè)計(jì)與計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)充分結(jié)合堆型經(jīng)濟(jì)性、可靠性、布置空間等因素對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)判。如對(duì)于系統(tǒng)泵的設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮1臺(tái)泵100%負(fù)荷和2臺(tái)泵每臺(tái)泵50%負(fù)荷所帶來(lái)的不同影響。

2.5" 接口性要求

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮多系統(tǒng)之間的接口以及影響，充分考慮不同系統(tǒng)之間的設(shè)備共用的可能性，如EPR堆型低壓安注泵同時(shí)執(zhí)行安注和余熱排出2大功能，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。此外還應(yīng)考慮安全等級(jí)更高的系統(tǒng)與相關(guān)系統(tǒng)的接口，一同考慮系統(tǒng)接口和共用部分的可靠性以及安全性。

2.6" 經(jīng)驗(yàn)反饋

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮相關(guān)在運(yùn)堆型相近系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)中的經(jīng)驗(yàn)反饋，以便減少設(shè)計(jì)中的重復(fù)性問(wèn)題。

3" 小型壓水堆余熱排出和凈化系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)思路

3.1" 基于系統(tǒng)主要功能的設(shè)備模塊化分解與集成

本文以余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)為例，考慮系統(tǒng)集成多功能時(shí)不同功能模塊在系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方式?？蓪⒉煌到y(tǒng)的不同功能所配置的設(shè)備進(jìn)行分解與集成，如圖5所示。

針對(duì)小型壓水堆余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)的主要功能進(jìn)行分解并配置實(shí)現(xiàn)該功能的設(shè)備從而對(duì)多系統(tǒng)進(jìn)行集成。其中余熱排出系統(tǒng)主要執(zhí)行堆芯余熱排出功能，為此該系統(tǒng)需要具備溫度控制能力和流量控制能力，因此該系統(tǒng)需要配置換熱器與泵以滿足上述功能要求。對(duì)于一回路凈化系統(tǒng)需要進(jìn)行一回路水質(zhì)調(diào)節(jié)、pH控制、流量控制、溫度控制以及一回路冷卻水含氧量控制，為此需要配置換熱器、泵、過(guò)濾器、樹(shù)脂床和容控箱等設(shè)備。

在設(shè)備的模塊化分解后，可以清楚看到對(duì)于余熱排出和凈化系統(tǒng)集成應(yīng)該采用設(shè)計(jì)思路，即對(duì)于相同設(shè)備進(jìn)行共用性分析。在這2個(gè)系統(tǒng)中可以優(yōu)先考慮2個(gè)系統(tǒng)的換熱器、泵的集成。

此外，為更好地簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可以通過(guò)該方式將多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化分解和分析。

3.2" 模塊化設(shè)計(jì)中的多因素影響分析

在系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮結(jié)合前文中的各方面因素進(jìn)行考慮和分析。在余熱排出系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮所處堆型的總體設(shè)計(jì)要求，諸如在一回路冷卻劑含氧量控制中，若考慮高壓加氫方案或化學(xué)除氧方案則系統(tǒng)可考慮全壓設(shè)計(jì)。若一回路采用氮?dú)夥€(wěn)壓的方式則系統(tǒng)可考慮去除容控箱。

此外，可以根據(jù)國(guó)內(nèi)最新的設(shè)備研發(fā)成果，對(duì)各模塊進(jìn)行集成和合并，諸如KLT-40S的設(shè)計(jì)方案將過(guò)濾器與除鹽床進(jìn)行集成，極大簡(jiǎn)化系統(tǒng)工藝方案。

在該系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)中，還需要綜合考慮接口系統(tǒng)對(duì)其的影響，以及輔助功能的實(shí)現(xiàn)。如是否考慮安注系統(tǒng)與該系統(tǒng)共用接口以及該系統(tǒng)是否仍需執(zhí)行其他的輔助功能。

4" 結(jié)論

本文提出了一種模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，在模塊化設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮法律法規(guī)要求、堆型總體設(shè)計(jì)要求、系統(tǒng)功能性要求、系統(tǒng)性能要求、接口性要求以及經(jīng)驗(yàn)反饋等因素。這些因素共同影響著系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)和優(yōu)化。通過(guò)對(duì)核電關(guān)鍵核輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)影響因素進(jìn)行模塊化拆分和分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師可以更靈活地應(yīng)對(duì)不同的設(shè)計(jì)需求。模塊化設(shè)計(jì)不僅有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)工藝，還能提高系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

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Abstract： This paper takes the integrated design of the residual heat removal system and purification system for small PWR as an example， and proposes amodular design idea. This method includes considering legal and regulatory requirements， overall design requirements for heap types， system functional requirements， system performance requirements， interface requirements and experience feedback. Through modular design， different design needs can be more flexibly responded to. This paper takes the waste heat removal system and purification system of a small pressurized water reactor as examples to show how to achieve multi-functional integration of the system through modular decomposition and integration of equipment. By sharing equipment such as heat exchangers and pumps， the number of equipment can be significantly reduced and the system process can be simplified.

第一作者簡(jiǎn)介：李海陽(yáng)（1994-），男，工程師。研究方向?yàn)楹穗姽に囅到y(tǒng)研究。