设备管理_核电厂系统及设备培训课件

1 核电厂系统及设备第五讲 2011 2012学年第2学期 主讲 田丽霞 2 一回路主要辅助系统 1化学和容积控制系统2反应堆硼和水的补给系统3余热排出系统4设备冷却水系统5重要厂用水系统6换料水池和乏燃料池冷却和净化系统7废物处理系统 3 概述一回路主要辅助系统是核岛的重组成部分 它不仅对核电厂正常运行是不可缺少的 而且在事故工况下 为核电厂安全设施系统提供支持 4 按其功能可分为以下几类 排出核燃料剩余功率 对反应堆冷却剂进行化学和容积控制 进行设备的冷却 废物的收集和处理 核岛通风空调系统 5 1化学和容积控制系统 CVCS 1 1系统的功能1 2设计依据1 3系统流程1 4系统设备布置1 5系统运行 6 1 1系统的功能 化容系统主要功能如下 通过改变反应堆冷却剂的硼浓度 对堆芯进行反应性控制 维持稳压器的水位 控制一回路系统的水装量 对反应堆冷却剂的水质进行化学控制和净化 减少反应堆冷却剂对设备的腐蚀 控制反应堆冷却剂中裂变产物和腐蚀产物的含量 降低反应堆冷却剂的放射性水平 7 向反应堆冷却剂泵提供轴封水 为反应堆冷却剂系统提供充水和水压试验手段 对于上充泵兼作高压安注泵的化容系统 事故时用上充泵向堆芯注入应急冷却水 8 9 1 2设计依据 1反应性控制改变冷却剂硼浓度是通过向一回路注入浓硼酸或纯水同时排出等量的一回路水来实现的 这一过程需要几分钟到几十分钟 对反应性调节速度较慢 仅适于控制较慢的反应性变化 电厂升温过程中反应性的变化 燃耗引起的反应性变化和裂变产物氙和钐引起的反应性变化 10 对于补偿快速的反应性变化 如多普勒效应 空泡效应 快速的负荷跟踪和紧急停堆等必须采用控制棒 表4 1为典型的压水堆可溶性毒物反应性和棒控反应性分配 可以看出 硼酸控制的反应性量占总的反应性控制量的70 左右 11 表4 1压水堆反应性控制的分配 12 硼酸浓度对慢化剂的温度系数有着重要的影响 在较高的硼浓度下 可能出现正的慢化剂温度系数 在压水堆核电厂 为保证反应堆安全运行 技术规范 TechnicalSpecification 中规定 运行中应使慢化剂温度系数保持负值 规定了反应堆工作温度下冷却剂的硼浓度不应大于1400 10 6 13 根据该电厂运行的需要 化容系统调节冷却剂的硼浓度 控制反应性的慢变化 并在冷停堆和换料过程中保持足够的停堆深度 启动及停堆冷停堆前 应提高冷却剂硼浓度 以提供足够的停堆深度 反应堆启动前 应使冷却剂硼浓度减小到临界所需的范围 大型压水堆的冷停堆和启动要求冷却剂硼浓度的相应改变量为 300 500 10 6 14 补偿燃耗运行过程中 剩余反应性逐渐减少 需不断调整冷却剂的硼浓度 通过注入除盐水来实现 反应堆检修及换料换料冷停和维修冷停堆 要求硼浓度至少2100 10 6 保持必须的停堆深度 负荷变化负荷变化也可通过改变硼浓度实现 15 2容积控制化容系统补偿核电厂从冷态到热态零功率启动过程或从热态零功率到冷停堆过程中按允许升温或降温速率运行所引起的一回路水体积的变化 在正常的变功率运行过程中 该系统维持稳压器的程序水位 16 对于较快的负荷变化 如每分钟 5 额定功率的线性功率变化 或 10 额定功率的功率阶跃改变 化容系统与稳压器共同承担容积补偿 一般说来 化容系统分担上述过程中容积变化的30 40 对于一回路小的泄漏 由化容系统提供足够的补给水 17 容积控制就是通过CVCS吸收稳压器不能全部吸收的那部分一回路水容积的变化的量 维持稳压器水位在一个整定的范围内 一回路水容积变化的原因主要是温度的改变 如下图所示 18 从图可见当反应堆冷却剂系统RCP从冷态 60 增温到热态 291 时 其比容增加将近40 图 1 水的比容随温度变化曲线 19 图 2 容积控制原理 20 3水质控制化容系统在设计规定的燃料包壳破损率 一般为0 5 情况下 应能保证冷却剂达到规定的放射性水平和水质指标 1 放射性水平的控制 水及其中杂质的活化 裂变产物的释放 腐蚀产物的活化 化学添加物的活化 21 裂变产物向冷却剂的释放速度是以逃逸系数来衡量的 定义为单位时间内裂片核由燃料包壳缺陷释放出来的份额 单位为s 1 实验证明 裂变产物的释放速度正比于它在燃料中的累积量 对一定的核素可以列出如下两个方程 22 Nf NL分别为燃料和冷却剂中的核素数目 F为裂变率 Y为裂变产额 为衰变常数 kd为核素在冷却剂中的减少率 核素在离子交换树脂上的吸附 在设备表面的沉积 泄漏等 为逃逸率系数 冷却剂中裂变产物的放射性大小取决于三个因素 裂变产物逃逸率 核素衰变 净化作用 裂变产物沉积等原因造成的裂变产物损失 23 一座典型的1000MW级压水堆核电厂在冷却剂中各种裂变产物和活化腐蚀产物的放射性 冷却剂的放射性主要是由惰性气体 占90 以上 碘 占3 以上 铷 占1 钼 约占1 和铯 小于1 组成的 进入一回路冷却剂的放射性惰性气体每年大约有数千万GBq 绝大部分是Kr 1 83h Xe 9 11h 等短寿命的同位素 它们在运行过程中自行衰变 排出堆外后很快就消失 需作净化处理的仅占很小一部分 24 表4 2压水堆冷却剂的放射性 电功率1000MW 冷却剂温度303oC 燃料破损率1 25 2 水质指标控制水除了载热和慢化中子外 还发生一系列的反应 其中包括 水和其中杂质的中子活化反应 水的辐射分解 水对材料的腐蚀及腐蚀产物的活化 迁移和沉积 裂变产物从破损的燃料元件中逃逸及其随冷却剂的转移等 26 腐蚀带来的问题尤为重要 腐蚀除了能引起结构材料破坏外 也是裂变产物释放和腐蚀产物活化的根本原因 防止腐蚀时冷却剂化学的中心任务 27 氧水中游离氧的存在是造成金属材料腐蚀的重要原因 在无氧的高温水中 不锈钢表面将生成Fe3O4和伽玛Fe2O3型氧化物 它们构成了致密的氧化膜 保护金属不被进一步氧化 相反 若水中存在游离氧 则生成阿尔帕Fe2O3型氧化物 它结构疏松 不具备保护作用 氧的存在还加剧不锈钢氯离子应力腐蚀破坏 28 氢辐照作用下 水分解生成H2 O2 H2O2以及多种自由基 如水中含有氢气 能抑制水的辐射分解 从而抑制金属腐蚀 实际核电厂运行中 考虑到泄漏和不均匀等因素 每公斤冷却剂中加入25ml 40ml氢气 29 氯离子和氟离子不锈钢应力腐蚀破坏的几率正比于氯离子浓度和游离氧含量的乘积 当水中氧含量较高时 即使氯离子浓度低于1 10 6时 应力腐蚀破裂也会发生 为防止发生应力腐蚀 除限制含氧量外 氯离子浓度也不宜超过0 1 10 6或0 15 10 6 30 水中存在微量氟离子既能明显加剧锆合金的腐蚀和吸氢 又能与氧共同作用引起不锈钢的应力腐蚀 在不发生沸腾的情况下 氟离子含量小于2 10 6的水对锆合金已无危害 目前压水堆一回路水质标准将氟含量规定在0 1 10 6以下 31 pH值及pH值控制剂对不锈钢和镍基合金 水质偏碱性会导致腐蚀加剧 试验表明 当pH12时 腐蚀明显加剧 32 在碱性介质中 亚铁离子的溶解度在某一温度下有一最小值 pH值越高 相应的最小溶解度温度越低 冷却剂保持较高的pH值 能使腐蚀产物从堆内迁移至堆外 对于现行的压水堆核电厂一回路结构材料 水质偏碱性较好 以pH值为9 5 10 5为宜 常用的pH值控制剂有两种 它们是氢氧化锂和氢氧化铵 33 电导率电导率是水中离子总浓度的一个指标 单位 uS cm 水越纯净 电导率越低 电导率是水纯度的一个度量标准 冷却剂中加入硼酸和pH值控制剂后 电导率已不能有效地反映冷却剂的纯度 而只能规定一个允许范围 具体取值大小取决于硼酸和pH值控制剂的添加量 通常电导率范围为1 40 34 1 3系统流程 35 1下泄管线核电厂正常运行时 从一回路的冷管段引出一股冷却剂 称为下泄流 其正常流量约为13 6m3 h 经下泄隔离阀进入再生热交换器的壳侧 冷却至140 再经过节流孔板 将压力降至2 4MPa后 进入下泄热交换器的管侧 由壳侧的设备冷却水将下泄流温度降低至46 左右 离开下泄热交换器的下泄流经下泄压力控制阀再次降压 进入过滤器 滤去水中5 以上的悬浮颗粒 经温控三通 进入净化段 36 管道的前后压差较大时 往往采用增加节流孔板的方式 其原理是 流体在管道中流动时 由于孔板的局部阻力 使得流体的压力降低 能量损耗 37 正常下泄实际上是两次降温降压过程 第一次降温降压是通过布置在安全壳内的再生热交换器和其下游的节流孔板 使反应堆冷却剂从15 5MPa 291 4 降至2 4MPa 140 左右 第二次降温降压是通过安全壳外的下泄热交换器及其下游的下泄压力控制阀 38 图 4 RCV系统冷却和降压 39 2净化段净化段的离子交换树脂的正常工作温度范围为46 62 5 若下泄流温度高于57 三通阀将自动切换 使下泄流旁路离子交换树脂床 防止离子交换树脂经受高温后失效 下泄流经温控三通阀进入两台并联的混合除离子床中的一台 除去大多数离子状态的裂变产物和腐蚀产物 然后进入间歇运行的除阳离子床除去铯 钼和过量的锂离子 在除离子床下游 设置三通阀 借此可将下泄流导向硼回收系统进行除硼操作 40 下泄流最后进入容积控制箱 经容积控制箱顶部的喷头喷出 雾化 释放出冷却剂中的部分气态裂变产物 同时吸收部分氢气 41 42 1 过滤器在下泄热交换器出口 设置了前置过滤器 用来拦截悬浮颗粒 在下泄流离开除离子床之后 设置了后置过滤器以清除树脂碎片 43 2 混合除离子床由于冷却剂中加硼酸和氢氧化锂 为了使离子交换树脂在吸附杂质同时不改变硼和pH控制剂含量 混合除离子床采用硼酸型阴离子树脂和锂型阳离子树脂 这些树脂对绝大多数可溶性杂质有很好的吸附作用 但对若干阳离子 如钼 钇 铯去除效果不佳 44 3 除阳离子床和除硼离子床除阳离子床是H 型阳离子床 由于硼酸作为中子吸收剂 10B n 反应将生成7Li 特别在寿期初 7Li生成量较大 需适时地使下泄流经过H 型阳离子床 以除去冷却剂中多余的7Li 由于硼浓度随燃耗增加会不断降低 这样pH值就会提高 也需要用除阳离子床降低7Li浓度 此外 该除阳离子床还能吸附锂型和硼酸型混合除离子床所不易吸附的钼 钇 铯等阳离子 对提高冷却剂净化深度有利 45 除硼离子床是OH 型阴离子树脂床 其作用是用来去除冷却剂中的硼酸 随着反应堆运行 过剩反应性减少 冷却剂的硼浓度需相应降低 前半寿期 硼浓度高时 加水稀释效果较好 寿期末 硼浓度很低时 充水稀释会造成大量含硼水 这时采用OH 型除硼离子床来降低硼浓度就比较合理 46 4 容积控制箱容积控制箱收集和容纳下泄流 为一回路冷却剂提供容积补偿 它作为高位水箱 为上充泵提供净正汲入压头 容积控制箱上部的气空间起到除气作用 下泄流从容积控制箱顶部的喷头喷出 雾化 增加了气液传质表面 裂变气体从冷却剂中解吸出来 半衰期较短的裂变气体在容积控制箱滞留过程中就衰变掉了 47 对长半衰期核素 如85Kr 去除效果较差 因此提出了一种定期用氢气和氮气扫气的方法 将裂变气体载带到废气处理系统 据报道 这样可以使冷却剂中85Kr的浓度降低30倍 喷淋还利于氢气被冷却剂溶解 48 3上充管线上充泵采用卧式多级离心泵 它从容积控制箱汲水 将水压升高到一回路压力以上 17 7MPa 在布置上 容积控制箱高出上充泵5m以上 为上充泵提供净正汲入压头 49 上充泵出口水分两路 一路经上充流量调节阀和再生换热器进入一回路冷段 另一路经轴封水流量调节阀向主泵输送密封水 稳压器丧失正常喷淋时 上充泵提供辅助喷淋 上充流量调节阀的最小流量要考虑冷却下泄流 6m3 h 最大流量 25 6m3 h 要考虑保证轴封水供应 50 4主泵轴封水回路上充泵流量的一部分 经过滤器 5 进入主泵的轴封水回路 密封水流经流量控制阀和过滤器后进入主泵轴封水系统 密封水自主泵的密封组件和泵下部轴承之间引入后分成两股 51 一股水流向上 经过密封组件 绝大部分水流进入化容系统 经轴封水热交换器及过滤器后返回到上充泵汲入口 另一股水流向下 冷却 润滑泵的下部径向轴承后进入泵腔汇入一回路冷却剂主流 52 5过剩下泄管线正常下泄不可用时 从一个环路冷段引出下泄流 从而使注入主泵的密封水得以排出 以维持一回路系统冷却剂总量 这就是过剩下泄 过剩下泄流经过剩下泄热交换器冷却 和阀门降压后由三通阀控制 或与轴封水回路汇合 或导向排汽疏水系统 53 6低压下泄管线一回路压力低时 从余热排出泵出口 RCV310VP 引出下泄流 经一次降温降压进入净化段 反应堆处于换料或维修冷停时 下泄流经净化回路后 不经容积控制箱和上充泵 而是 RCV366 367VP 所在的净化回水管线直接返回余热排除系统 54 1 4系统设备布置 下泄流的高温高压部分 即从一回路系统冷段下泄支管经下泄隔离阀 再生热交换器到节流孔板出口的设备及管线 以及过剩下泄热交换器及其管道阀门都布置在安全壳内 布置还考虑下泄流在安全壳内一段流程 以保证下泄流在安全壳里滞留一段时间 使短半衰期的N 16衰变掉 减小辅助厂房剂量 55 其它部分的设备及管线布置在核辅助厂房和连接厂房 在核辅助厂房 根据剂量分区的原则 剂量水平较高的设备集中布置在除离子床及过滤器隔间 有很厚的水泥墙防护 三台上充泵平行布置 中间用隔墙隔离 容积控制箱安放在高出上充泵5m的楼层上 其它设备布置在上充泵周围 56 1 5系统运行 1正常功率运行稳态功率运行时 下泄流量由一回路净化流量决定 这个流量基本保持恒定 正常流量13 6m3 h 由稳压器水位控制系统调节上流流量 使稳压器的水位满足规定的整定值 硼和水补给系统设定在 自动 位置 按照容积控制箱的水位进行自动补给 57 负荷变化时 引起的一回路水体积改变大部分由稳压器补偿 容积控制箱提供小部分补偿能力 当容积控制箱水位下降到低水位时 自动启动硼和水补给系统恢复正常水位 当容积控制箱水位达高水位时 受容积控制箱水位控制的三通阀将下泄流部分或全部导向硼回收系统 长时间升降功率时 需要调节硼浓度 补偿由于温度 氙毒变化而引起的反应性变化 58 2启动启动时 由硼和水补给系统供水 经上充泵将水注入一回路 经过一回路重力排气和动力排气后 用下泄压力控制阀控制一回路压力 达到主泵启动的最小工作压力时 启动主泵 投入稳压器加热器升温 一回路升温速率控制在小于28 h 59 一回路水温在90 120 时 加联氨除氧 并根据要求加入pH控制剂 水中氧浓度合格后 容积控制箱建立氢气空间 当稳压器内的温度达到相应压力下饱和温度时 稳压器内开始产生汽泡 此时下泄压力控制阀投自动 手动减小上充流量 当稳压器达到零功率水位时 稳压器压力控制投入 自动 控制 60 3冷停堆一回路降温降压前必须使一回路冷却剂达到所需的冷停堆硼浓度 为了加快硼化过程 开启两组节流孔板增加下泄流 若反应堆准备进入换料或维修停堆 要对容积控制箱进行排气操作 以降低冷却剂中的放射性水平 排气操作有两种方法 一是通过提高容积控制箱的水位排气 二是用氢或氮对容积控制箱进行扫气 气体排往废气处理系统 61 一回路的冷却最初由蒸汽发生器进行 随着一回路冷却 冷却剂体积收缩 靠增加上充流量来维持稳压器水位 水的补充由硼和水补给系统根据容积控制箱水位自动补给 当一回路改由余热排出系统冷却时 一部分冷却剂直接进入下泄热交换器 降温降压后净化 但下泄管线上的节流孔板仍然开着 以避免一回路超压 稳压器汽腔完全消失后 一回路压力由下泄压力控制阀控制 62 4安注启动后化容系统的运行绝大多数压水堆电厂化容系统的设计 将化容系统的上充泵兼作高压安注泵 这样的化容系统 一般配备三台上充泵 除一条交流电源外 可由两条应急母线供电 正常运行时 一台上充泵运行 另一台上充泵作为其维修备用泵 第三台上充泵作为应急备用 63 正常运行时 一台上充泵从容积控制箱汲水 水被升压后注入上充回路和轴封水系统 一旦接到安注信号 另一台应急备用的上充泵启动 两台上充泵这时作为高压安注泵运行 64 2反应堆硼和水的补给系统 2 1系统的功能2 2设计依据2 3系统描述2 4补给量计算2 5补给方式 65 2 1系统的功能 为一回路系统提供除气除盐含硼水 辅助化容系统实现容积控制 为进行水质的化学控制提供化学药品添加设备 为改变反应堆冷却剂硼浓度 向化容系统提供硼酸和除气除盐水 为换料水贮存箱 安注系统的硼注入罐提供硼酸水和补水 为稳压器卸压箱提供喷淋冷却水 为主泵轴封蓄水管供水 66 2 2设计依据 反应堆硼和水补给系统是一个两台机组共用的系统 对于补给水的要求 两个容积各为300m3的除气除盐水箱为两台机组共用 正常运行时 一个水箱对两台机组供水 另一水箱处于充水或备用状态 一个水箱的容量足以保证寿期末从冷停状态启动达到额定功率状态稀释所需的水量 67 对于硼酸补给 三个贮存量各为81m3的硼酸箱 每个机组一个 第三个共用 两个硼酸箱所容4 硼酸的量 足以保证同时一个机组在寿期初冷停而另一个机组在寿期末的换料冷停所需的硼酸溶液量 这一部分是与安全相关的 在某些事故下需要向反应堆紧急注硼 68 2 3系统描述 硼和水补给系统由水补给 硼酸制备及补给和化学添加三个子系统组成 69 70 稀释 硼化 除硼 自动补给 71 水补给子系统两个补给水贮存箱 容积各为300m3 为两台机组共用 运行时 由硼回收系统供水 初次充水或硼回收系统供水不足时 由核岛除盐水经过辅助给水系统的除气器处理后供给 每台机组有两台离心泵向化容系统或其它用户补给除盐除气水 72 硼酸补给子系统3个装有7000 10 6硼浓度的硼酸箱 每个容量81m3 供两台机组使用 硼酸来自硼回收系统 系统还设有硼酸制备设备 可配置7000 10 6和21000 10 6硼浓度的硼酸溶液 每台机组有两台硼酸泵 向化容系统提供7000 10 6的硼酸溶液 通过调整进入混合器的硼酸和水的比例满足不同硼浓度的补给要求 73 化学添加子系统系统中备有一个20L的化学添加罐 由补给水将罐中化学药品冲到上充泵入口 74 2 4补给量计算 调节硼浓度的最简便方法是向一回路注入浓硼酸或纯水 同时从一回路排出相同数量的反应堆冷却剂 由于经化容系统加入的水或酸与一回路冷却剂循环量相比很小 可以认为注入的水或酸迅速地与整个回路的水混合 排出的已是均匀混合了的冷却剂 由上述充排过程可以得到 75 式中