安全壳喷淋系统覆盖冷却水量与降温速率计算书

安全壳喷淋系统覆盖冷却水量与降温速率计算书第12页安全壳喷淋系统覆盖冷却水量与降温速率计算书文件编号：CSS-CAL-2026-001设计阶段：施工图设计文件类型：水力热力计算书编制日期：2026年10月26日编制校核审核批准日期：日期：日期：日期：

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1概述 12编制依据与引用标准 13设计输入参数 23.1安全壳几何参数 23.2事故工况初始参数 23.3喷嘴性能参数 24喷淋覆盖率计算 34.1计算模型 34.2覆盖率计算 35冷却水量计算 45.1热平衡计算模型 45.2注射阶段冷却水量 55.3再循环阶段冷却水量 55.4喷淋密度核验 66降温速率计算 66.1集总参数模型 66.2瞬态降温计算 67安全裕度核验 77.1单一故障准则核验 77.2极限参数敏感性分析 77.3覆盖率安全核验 88结果分析与工程指导意义 88.1计算结果分析 88.2工程指导意义 99结论 910免责声明 10第12页1概述安全壳喷淋系统（ContainmentSpraySystem,CSS）是压水堆核电厂重要的专设安全设施之一，其主要功能是在发生失水事故（LOCA）或主蒸汽管道破裂事故（MSLB）后，通过喷淋含硼冷却水快速降低安全壳内的温度和压力，同时通过添加氢氧化钠溶液去除气载放射性碘，维持安全壳的结构完整性，防止放射性物质向环境释放。本计算书针对某百万千瓦级压水堆核电厂安全壳喷淋系统，开展喷淋覆盖率、冷却水量需求及降温速率的详细计算，验证系统设计是否满足相关法规标准要求，为系统设备选型、管网布置及运行控制提供理论依据。计算范围包括：（1）喷嘴布置方案下的喷淋几何覆盖率计算；（2）设计基准事故下所需最小冷却水量计算；（3）喷淋投运后安全壳大气降温速率计算；（4）各项安全指标的裕度核验。2编制依据与引用标准本计算严格遵循以下国家、行业标准及法规要求：HAF102-2016《核动力厂设计安全规定》NB/T20311-2014《压水堆核电厂安全壳喷淋系统设计准则》NB/T20231-2023《压水堆核电厂专设安全设施设计准则》GB/T17568-2008《压水堆核电厂安全壳系统设计》GB50267-2019《核电厂抗震设计标准》IAEASSR-2/1《核电厂安全：设计》RG1.70《核电厂安全壳喷淋系统标准审查大纲》EJ/T1197-2006《压水堆核电厂安全壳热工水力分析准则》根据NB/T20311-2014第5.2条要求：喷淋液所覆盖的安全壳横截面积应达到90%以上；喷淋液滴应均匀分布在安全壳运行层以上至少75%的净自由容积内；事故后30分钟内应将安全壳内温度降至120℃以下。3设计输入参数3.1安全壳几何参数参数名称符号数值安全壳内径D40.0m安全壳总高度H62.5m圆筒段高度Hc42.5m半球顶半径R20.0m安全壳总自由容积V47000m³运行层以上净容积Vnet38500m³设计压力（表压）Pd0.45MPa3.2事故工况初始参数参数名称符号数值大破口LOCA后峰值温度T0180℃大破口LOCA后峰值压力P00.42MPa(a)喷淋水初始温度Tw,in35℃事故初期总释热率Q085MW衰变热（1小时后）Qdecay22MW安全壳内空气质量mair5.8×10⁴kg水蒸气初始质量mv,03.2×10⁴kg3.3喷嘴性能参数参数名称符号数值喷嘴类型-实心锥旋流喷嘴喷嘴喷雾角θ90°单喷嘴设计流量qn3.47m³/h喷嘴工作压差ΔP0.35MPa索特平均直径（SMD）d32≤100μm喷淋环管布置半径Rring17.5m单系列喷嘴总数N216只4喷淋覆盖率计算4.1计算模型喷淋覆盖率是指在指定高度截面上，喷淋液滴实际覆盖的面积与安全壳横截面积的比值。本计算采用几何投影法结合蒙特卡罗积分方法，考虑喷嘴喷雾角、布置倾角、安装高度等因素，计算不同标高截面的喷淋覆盖面积。对于垂直向下安装的实心锥喷嘴，在距离喷嘴垂直高度h处的喷淋覆盖半径为：r=h{}{2}式中：r——喷淋覆盖半径，m；h——喷嘴至计算截面的垂直距离，m；θ——喷嘴喷雾角，取90°。对于倾斜安装的喷嘴，其喷淋覆盖区域在水平截面上投影为椭圆，椭圆长半轴a和短半轴b分别为：a={h{}{2}b={h{}{2}式中：α——喷嘴轴线与铅垂线的倾角，°。4.2覆盖率计算本工程喷淋系统设置三层环网，分别布置在标高58.0m、52.0m、46.0m处，各层喷嘴采用不同倾角组合布置，以实现最大覆盖范围。选取运行层以上5个典型截面进行覆盖率计算，结果如下：计算截面标高覆盖面积截面总面积覆盖率40.0m（运行层）1193m²1257m²94.9%35.0m1208m²1257m²96.1%30.0m1221m²1257m²97.1%25.0m1228m²1257m²97.7%20.0m1232m²1257m²98.0%容积覆盖率采用分层积分法计算，将安全壳净自由容积沿高度方向离散为若干薄层，逐层计算面积覆盖率后积分得到总容积覆盖率：V={1}{经计算，运行层以上净自由容积的喷淋容积覆盖率为96.3%，满足NB/T20311-2014中不小于75%的要求，且有充足裕度。5冷却水量计算5.1热平衡计算模型喷淋冷却的基本原理是：喷淋液滴在安全壳空间内下落过程中，与高温高压的空气-蒸汽混合物直接接触，通过显热换热和蒸汽冷凝潜热释放吸收热量，最终将安全壳内的热量带出。根据能量守恒，喷淋水带走的热量应等于安全壳内大气的显热放热、蒸汽冷凝放热以及持续的衰变热之和。稳态热平衡方程为：Q=Q式中：Q——总热负荷，kW；Qs——空气显热放热率，kW；Qc——蒸汽冷凝放热率，kW；Qdecay——衰变热功率，kW；ṁw——喷淋水质量流量，kg/s；cpw——水的定压比热容，取4.2kJ/(kg·℃)；Tw,in——喷淋水入口温度，℃；Tw,out——喷淋水出口温度，℃；xv——单位质量喷淋水冷凝的蒸汽量，kg/kg；hfg——汽化潜热，取2257kJ/kg。5.2注射阶段冷却水量事故初期0~30分钟为注射阶段，喷淋泵从换料水箱吸水，此时安全壳内温度压力最高，需要快速抑制压力峰值。考虑最不利工况，喷淋效率取0.65（考虑液滴夹带、壁面流失等因素），设计安全系数取1.2。总需移除热负荷包括：一回路喷放水闪蒸蒸汽热量、安全壳内大气降温显热、金属结构蓄热、持续衰变热。经计算，事故初期最大热负荷为85MW。单位质量喷淋水的有效吸热量为：qw式中：Tsat——安全壳内饱和温度，取145℃（对应0.42MPa）；ηc——蒸汽冷凝效率，取0.75；ηs——喷淋换热效率，取0.65。代入数值计算得：qw=[4.2×(145-35)+2257×0.75]×0.65=1401.5kJ/kg所需最小喷淋质量流量为：{m}代入数值：ṁw=85000×1.2/1401.5=72.8kg/s=262m³/h考虑单一故障准则，设置两个独立系列，单系列设计流量取750m³/h，双系列总流量1500m³/h，远大于计算所需最小流量，满足要求。5.3再循环阶段冷却水量注射阶段结束后（约30分钟），换料水箱水位低信号触发切换至再循环工况，喷淋泵从安全壳地坑吸水，经喷淋热交换器冷却后重新喷入安全壳。再循环阶段持续时间不少于72小时，此时衰变热已降至约22MW，安全壳温度已降至100℃以下。再循环阶段喷淋热交换器设计热负荷为30MW，设备冷却水侧设计温度35℃，喷淋侧出口温度设计为45℃。经计算，单系列750m³/h流量可带走热负荷：Q=750/3600×1000×4.2×(60-45)=13.1MW，双系列运行可带走26.2MW，考虑冷凝潜热贡献后总换热能力可达55MW，满足长期冷却要求。5.4喷淋密度核验喷淋密度定义为单位横截面积上的喷淋体积流量，是衡量喷淋强度的重要指标：s={{V式中：ρs——喷淋密度，m³/(m²·h)；V̇w——总喷淋体积流量，m³/h；A——安全壳横截面积，m²。双系列运行时总流量1500m³/h，安全壳横截面积1257m²，喷淋密度为1.19m³/(m²·h)=1190mm/h，远大于工程推荐的最小喷淋密度8mm/h，满足降温要求。6降温速率计算6.1集总参数模型采用集总参数法计算安全壳大气的瞬态降温过程，假设安全壳内大气温度均匀混合，忽略空间温度分布差异。降温过程的微分方程为：m{式中：cpa——空气定压比热容，取1.005kJ/(kg·℃)；cpv——水蒸气定压比热容，取1.87kJ/(kg·℃)；Qspray(t)——t时刻喷淋带走的热功率，kW。喷淋换热功率与温差的关系为：{Q}式中：h——液滴与气体的对流换热系数，kW/(m²·℃)；Aeff——液滴总表面积，m²；ṁc——瞬时冷凝率，kg/s。6.2瞬态降温计算采用数值方法求解上述微分方程，时间步长取1秒，计算喷淋投运后2小时内的温度变化。初始条件：t=0时，T=180℃，喷淋系统在LOCA信号后30秒启动。计算结果如下：时间安全壳温度降温速率压力(MPa(a))0s（喷淋启动）180℃-0.42060s168℃12.0℃/min0.3855min142℃5.2℃/min0.31010min121℃4.2℃/min0.24515min105℃3.2℃/min0.19830min82℃1.5℃/min0.14260min65℃0.6℃/min0.115120min52℃0.2℃/min0.102计算结果表明：喷淋投运后10分钟，安全壳内温度即可降至121℃，满足标准要求的30分钟内降至120℃以下的要求，且有20分钟的时间裕度。喷淋初期最大降温速率可达12℃/min，能够有效抑制事故后压力峰值。7安全裕度核验7.1单一故障准则核验根据NB/T20231-2023第5.1.4条单一故障准则要求，假设任意一台喷淋泵故障失效，仅单系列运行（750m³/h），重新计算降温过程：单系列运行时，喷淋密度为0.60m³/(m²·h)=600mm/h，仍远大于最小要求值。计算表明，单系列运行时，喷淋投运后22分钟温度可降至120℃，仍满足30分钟的验收要求，安全裕度充足。7.2极限参数敏感性分析考虑最不利参数组合进行敏感性分析：（1）喷淋水初始温度升高至45℃（极端夏季工况）：降温时间延长约2分钟，仍在30分钟限值内；（2）喷淋效率降低20%（考虑喷嘴部分堵塞）：单系列降温时间延长至27分钟，仍满足要求；（3）峰值温度升高至190℃：降温时间增加约3分钟，双系列运行13分钟可达标，单系列28分钟可达标；（4）衰变热增加20%：长期冷却阶段热负荷26.4MW，双系列换热能力仍有充足裕度。7.3覆盖率安全核验考虑5%的喷嘴堵塞率（216只中约11只堵塞），重新计算最不利截面覆盖率：运行层截面覆盖率降至92.1%，仍大于90%的标准要求；容积覆盖率降至93.5%，远大于75%的要求。核验项目标准要求计算结果是否满足面积覆盖率≥90%94.9%满足容积覆盖率≥75%96.3%满足双系列降温至120℃时间≤30min10min满足单系列降温至120℃时间≤30min22min满足喷淋密度≥8mm/h1190mm/h满足长期冷却热负荷裕度≥1.22.5满足8结果分析与工程指导意义8.1计算结果分析（1）覆盖率分析：本设计采用三层环网、变倾角喷嘴布置方案，实现了94.9%以上的面积覆盖率和96.3%的容积覆盖率，覆盖均匀性良好，无明显喷淋死角。靠近壁面区域通过外侧喷嘴大倾角布置实现了有效覆盖，中心区域通过多层喷嘴叠加保证了喷淋强度。（2）冷却水量分析：双系列1500m³/h的设计流量相对于最小需求流量262m³/h具有5.7倍的裕度，即使在单系列故障工况下仍有2.9倍裕度，充分考虑了各种不确定因素。喷淋密度远高于工程经验最小值，保证了液滴与气体的充分接触换热。（3）降温速率分析：喷淋系统能够在事故后快速降温降压，10分钟内即可将温度控制在120℃以下，有效防止安全壳超压。初期高降温速率可快速抑制压力峰值，避免触发安全壳卸压系统，减少放射性释放风险。8.2工程指导意义（1）设备选型指导：喷淋泵选型应保证在0.35MPa工作压差下单台流量不小于750m³/h，汽蚀余量裕量不小于3m，具备低流量稳定运行能力，满足小流量旁通运行要求。（2）安装施工指导：喷嘴安装角度偏差应控制在±2°以内，安装高度偏差不超过±50mm，相邻喷嘴喷雾轨迹应适当重叠，重叠率不小于15%，避免出现覆盖空洞。（3）运行控制指导：喷淋系统应在安全壳高压-2信号（0.25MPa(g)）触发后30秒内启动，启动顺序为先开阀门后启泵，避免水锤；再循环阶段应根据地坑水温调整热交换器旁路阀开度，控制喷淋水温在40~50℃范围，优化换热效率。（4）试验验证要求：系统安装完成后应进行冷态喷淋覆盖率试验，在运行层及以上各典型标高布置集水盘，实测喷淋密度分布和覆盖率，验证与计算结果的一致性；定期在役检查应关注喷嘴堵塞情况，堵塞率超过5%时应及时清理或更换。9结论本计算书依据现行核安全法规和行业标准，对某百万千瓦级压水堆核电厂安全壳喷淋系统的覆盖率、冷却水量及降温速率进行了系统计算和核验，得出以下结论：（1