百万千瓦级核电站半球顶安全壳喷淋系统覆盖率分析

来源:用户上传      作者:

　　[摘 要] 本文就百万千瓦级核电站采用半球顶安全壳条件下，安全壳喷淋系统的覆盖率进行了计算分析，描述了喷淋系统的工艺特性，给出了喷嘴的结构参数和试验结果，对安全壳内喷嘴的布置进行了优化，并对喷淋覆盖率进行了工艺计算。
　　[关键词] 严重事故 堆腔淹没
　　
　　1、概述
　　安全壳喷淋系统是核电站重要的安全相关系统，工程安全设施之一，在核电站发生失水事故或安全壳内蒸汽管道破裂事故后，安全壳喷淋系统的功能是排出安全壳内的热量，降低安全壳压力和温度以达到维持安全壳的完整性所能接受的水平。此外，在设计基准事故后，一套喷淋系列的容量，再加上一个系列的高、低压安注能保证在24小时内将安全壳的峰值压力降至一半。
　　安全壳喷淋系统为一能动系统，它可单独，或与其他能动或非能动系统一起，在大量物质/能量释放到安全壳内后，控制安全壳内的大气温度和压力。由于安全壳喷淋的主要工作机理是喷淋液滴与安全壳大气的充分接触，因此喷淋管网覆盖率是评价喷淋系统性能指标的一个重要参数。在美国核管会标准审查大纲SRP第6.2.2和6.5.2节及RG1.70中就明确提出要确保喷淋集管和喷嘴产生的喷淋模式具有最大的被覆盖的安全壳容积，而且喷淋覆盖区域至少为安全壳容积的90%，因此进行安全壳喷淋管网覆盖率计算分析是设计工作的一项重要内容。
　　2、系统描述
　　典型的压水堆核电站安全壳喷淋系统由两套完全独立、互为备用的分系列组成。每个系列各含一台泵和一个热交换器等设备。在事故工况下，喷淋泵从安全壳内换料水箱吸水，向布置在安全壳半球顶下的环形喷淋管网供水，对总容积约47000m3的安全壳空间进行喷淋。每个系列由不同标高和直径的三组喷淋环网组成，上面非均匀布置着216只不同倾角的喷嘴，以获得最大的喷淋覆盖区域。
　　喷淋泵及喷淋管网设计特性参数如下：
　　--喷淋泵
　　设计流量 750m3/h
　　设计扬程 160mH2O
　　设计温度 127℃
　　--喷淋液成份
　　再循环地坑混合水
　　反应堆冷却剂系统管道喷放水
　　添加的碱性溶液
　　3、喷嘴特性
　　喷淋系统采用的标准喷嘴根据核安全2级，质保等级QA1进行设计、加工、试验和验收。喷嘴特点为采用矩形槽结构的旋水芯，在设计流量和压差下，能够获得较好的实心圆锥形喷雾轨迹，即在具有较大的喷雾角的同时，又能得到较均匀的，略具双峰分布的液滴谱。喷嘴垂直向下喷雾时，其高度方向上截面为均匀圆形；倾角在0°~90°范围内发生变化时，其高度方向上的截面为近似椭圆型。
　　4、喷嘴工艺布置
　　百万级核电站安全壳厂房内径40m，壁厚1.1m，总高62m(包括半球顶)。厂房内设有两个喷淋系列，每个系列均含三组布置在不同标高的喷淋环网，两个系列共布置有432只各种不同倾角的喷嘴，以获得尽可能大的喷淋覆盖区域。
　　为力求获得最大的喷淋覆盖区域，喷嘴的工艺布置原则上希望采用较多的喷嘴数目以及较大横断面积的喷雾轨迹。但增加喷嘴数目受到喷淋系统总流量的制约，改善喷雾轨迹受到喷嘴结构特性的限制。因此，必须合理地布置和调整喷嘴在喷淋环网上的布置方位，倾角及高度，以保证整个安全壳截面上的充分覆盖，并最大限度地减小相邻喷嘴的喷淋重叠。由于采用了半球顶，其容积远大于以往采用的拱顶，若仍采用过去的两层环网，两层之间靠近安全壳壁部分将会有较大容积无法喷淋到，达不到覆盖率大于90%的要求。因此，在半球顶安全壳条件下，采用了三层喷淋环网，以保证安全壳容积的充分喷淋。
　　考虑到喷嘴的结构特性，在各种不同的倾角下，喷嘴3.5m以下喷雾轨迹的喷幅由于受到空气阻力的影响而逐步减少，可以保守地认为喷嘴3.5m以下的轨迹为恒定。因此，如果工艺的合理布置使得安全壳横截面在喷嘴下方3.5m处被100%覆盖，则可认为安全壳容积在喷嘴下方3.5m以下均被充分喷淋，为安全壳容积达到90%的覆盖率打好基础。
　　由于喷淋系统在单一故障失效一个系列后，另一系列必须完成其设计的安全功能。因此必须对A、B两个系列进行工艺布置。两个系列的喷淋环网具有其不同的特点。A系列环网布置高度高，环径小，靠近安全壳中心，偏离安全壳壁；B系列环网布置高度低，环径大，偏离安全壳壁。因此对A系列的布置要考虑安全壳外围的充分喷淋，在较短周长的环网上布置较多的喷嘴；对B系列的布置则要考虑避免安全壳中心部位的喷淋不足，以及安全壳壁上过多的冲刷而影响覆盖区域。相对而言，B系列喷嘴由于环网标高低，覆盖容积少，因而对B系列喷嘴的布置要求更加苛刻。经多次调整、修改后，两个系列喷嘴的工艺布置在喷嘴3.5m以下的横截面上能被100%覆盖。
　　通过采用0°，30°，45°，60°不同的倾角以及不同的半径和方位角，喷嘴的工艺布置在位置较低的B系列喷嘴以下3.5m的横截面上能被100%完全覆盖。
　　5、喷淋覆盖率计算
　　1）计算假定条件
　　a.安全壳运行平台，即标高18.00m以下容积不考虑（保守），喷淋管网下的环吊影响不考虑；
　　b.以较低标高的B系列为计算对象；
　　c.环喷嘴以下3.5m处截面被认为完全覆盖；
　　d.安全壳内直径40m，总高62m（包括半球顶）。
　　2）安全壳计算用容积
　　3）覆盖容积计算
　　a.安全壳截面上至少放置的略有重叠的圆锥体（0°倾角喷嘴，3.5m高）所占的体积V1：
　　安全壳内(R=20m)能放置5圈该类喷嘴投影圆(r=2m)，数目分别为：
　　6、结论
　　由于一个喷淋系列在安全壳内40m直径的横截面上至少可以放置80只略有重叠的0°喷嘴，而且设计中考虑了216只各种倾角，具有重叠度的喷嘴，这些喷嘴从出口至其下方3.5m内喷淋的总容积远大于80只略有重叠的垂直圆锥喷淋的总容积（即上述的容积V1），故本计算得出的总容积将是相当保守的，因此只要保证喷嘴3.5m以下的截面被完全覆盖，其安全壳喷淋总覆盖率至少大于91.37%，满足SRP提出的高于90%的覆盖率要求。
　　经过“安全壳喷淋覆盖率计算程序”验证，A,B两个系列单独工作时，其覆盖率分别达到97.7%和97.1%，达到设计要求。■

转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-9037613.htm