核電廠一回路充水排氣兩種方法的分析

朱鱗淵

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

一回路充水排氣是大修結束后機組由維修冷停轉為正常冷停的關鍵操作，一回路中如果存在大量的空氣，會使得設備腐蝕，引起反應堆冷卻劑放射性升高，從而影響穩壓器的壓力控制效果并影響換熱等，因此一回路系統充水排氣的質量將直接影響后續工作的質量，而且其時間的長短直接影響到大修工期，影響到發電量，影響到經濟效益。本文將總結傳統核電廠多年一回路充水排氣的經驗反饋，找出影響一回路充水排氣質量的關鍵因素，最后結合實際運行效果，看看傳統的一回路充水排氣采用比較好的反饋經驗運行有多大的改進空間。

1 傳統一回路充水排氣

1.1 傳統核電廠一回路充水排氣流程

傳統核電廠一回路充水排氣是在一回路完成裝料后，反應堆水池已排空，一回路水位達到10.5 m，壓力容器頂蓋安裝后進行的，其充水排氣的主要操作包括：初始條件檢查、前期準備工作、一回路開始充水、靜排氣、動排氣及聯合排氣等。

傳統核電廠一回路靜排氣在一回路壓力穩定在0.3 MPa時即可進行，主要包括主泵泵殼、RTD測溫旁路管線、壓力容器頂部、穩壓器頂部（穩壓器安全閥先導管線、汽相取樣管線）排氣閥等排氣管線。

靜態排氣完成后，將一回路升壓到0.7 MPa，然后開始對主泵泵殼排氣，一直排到2.5 MPa，在2.5 MPa主泵啟動條件滿足后點動兩臺主泵中的一臺，在主泵運行20~30 s，主泵完全停運后，運行現場人員根據文件包再次對主泵泵殼排氣，之后點動2號主泵運行20~30 s，然后將一回路降壓到0.7 MPa，根據文件包對穩壓器和壓力容器頂蓋排氣。之后降壓到0.3 MPa并穩定，靜置約兩小時后運行現場人員根據文件包對一回路全面排氣。

再次將一回路升壓到2.5 MPa，首先再次對主泵泵殼排氣，然后調整一回路壓力至2.7 MPa，先后啟動兩臺主泵，第二臺主泵電流穩定后20~30 s，同時停運兩臺主泵，然后一回路降壓至0.7 MPa和0.3 MPa，進行兩臺主泵聯合排氣。

聯合排氣結束后調整一回路壓力至2.5 MPa.g，并通過容控箱液位計算剩余氣體體積，一回路壓力從0.7 MPa到2.5 MPa剩余氣體體積小于12 m3則結果合格，排氣結束，不合格則重新進行聯合排氣直至排氣合格。

主泵點動的目的是將蒸發器倒U型管內的氣體趕出來，一回路降壓后再進行排氣是為了使氣體充分釋放，在一回路降壓達到7 bar.g時隔離主泵一號軸封回流。

1.2 傳統核電廠一回路充水排氣經驗反饋及操作解釋

傳統核電廠使用傳統的充水排氣方法至今已有很多年，在這方面的運行經驗極其豐富，下面就總結傳統核電廠一些重要的經驗反饋：

（1）將一回路泄壓壓力從0.3 MPa降至0.23MPa，并取消兩個小時的靜置時間。

之所以選擇將一回路泄壓壓力從0.3MPa降至0.23 MPa，是因為根據亨利定律，氣體在水中的溶解度正比于該氣體的分壓，也就是說一回路壓力越低，水中溶解的氣體就越小，氣體析出越多，氣體就會較容易排出。但是一回路壓力同時又必須保證不出現負壓，以免倒吸入空氣。一回路的最高點是在PZR頂部（約25.5 m），所以只要PZR頂部依然為正壓，則不會存在倒吸入空氣的問題。而主控監測的壓力表RCP37/39MP，取壓點在8.92 m，距離穩壓器頂部壓力差有1.5~2.0bar，也就是說37/39MP只要顯示為2 bar.g之上即可。再加上一定的安全裕量，因此取0.23 MPa的析出壓力，而壓力容器、穩壓器壓力更低，更容易析出氣體，因此該改進能起到很關鍵的作用，因為氣體一旦溶入水中，是無法再排出的，只有讓氣體析出，才能達到排出氣體的目的。

取消靜置的時間，同樣根據亨利定律可知：只要一回路壓力不變，等待再久，氣體也不會析出，而一旦壓力降低，氣體的析出幾乎是瞬時的，并不存在延遲，所謂的等待，還會讓那些不溶于水中的彌散在水中的氣體上浮，而這一過程用時并不長。因此，原程序中每一次降壓后要求等待至少4小時是沒有必要的，取消靜置的時間對于提高大修的效率有著非常重要的作用，尤其是在10年大修有兩回充水排氣的時候，取消靜置至少能夠節約七八個小時。

（2）在保證下游疏水通暢的情況下保證最大的排氣閥開度，或者在保證疏水排氣通順的情況下兩路同時排氣，這時候應注意控制RPE002BA的液位不超過50%~70%，同時RPE002BA下游疏水閥RPE067VP全開，而三廢操作員要保證TEU工藝罐有足夠的儲存容積。

通過斐克第一定律可知，氣體由水中向外擴散的速度與擴散方向上氣體的濃度梯度成正比。對于空氣與水來說，頂部的排氣口就是其要擴散的方向，只有將那里的空氣不斷排出，溶解于水中的空氣才會緩緩地不斷析出，而排得越快，析出則越快，所以要盡可能地將各個排氣點開大，只要排氣閥開度不超過RPE002BA的疏水能力即可，而RPE002BA疏水能力受到TEU工藝罐限制，所以還要保證TEU工藝罐有足夠的儲存容積，以避免RPE002BA疏水不暢導致EBA001ZV被淹沒。

（3）一回路壓力從0.7 MPa壓力平臺降至0.3 MPa壓力平臺期間，保持穩壓器頂部排氣閥開啟。

分析前文可知，排氣速度越快，越有利于氣體從一回路水中析出，排氣效果也越好。事實上，在降壓過程中，如果在降壓期間能夠持續地保持排氣，只要保證足夠的排氣速率，理論上來說，當壓力降至0.23 MPa時，排氣過程即告結束，考慮到在2.5 MPa平臺壓力較高，氣體析出時的汽水兩相流沖擊較大，在此降壓過程中并不建議開啟排氣閥或者閥門開啟小開度，而在從0.7 MPa壓力降至0.3 MPa平臺期間，建議保持排氣閥開啟。

1.3 傳統核電廠采用經驗反饋運行后的實際效果

（1）將一回路泄壓壓力從0.3 MPa降至0.23 MPa，并取消兩個小時的靜置時間，一回路含氣率均是一次合格。新的方法有效地避免了不確定性，提高了大修的效率。而根據以往大修的經驗及反饋，機組一回路的充水排氣工作存在一定的不確定性，排氣是否一次成功可能影響大修時間——七八小時，本次大修有兩次一回路充水排氣操作，且均一次性合格，這給以后的大修提供了很重要的參考價值。

（2）一回路壓力從0.7 MPa壓力平臺降至0.3 MPa壓力平臺期間，保持穩壓器頂部排氣閥RCP644VP開啟，從兩次一回路動、靜排氣實際效果來看，具有較好的排氣效果。

（3）兩次一回路充水排氣時間分別為17小時和20小時（其中還包括4小時處理2RCP141VD閥芯故障及1號主泵啟動允許指示燈不亮缺陷），而較近的一次大修——112大修充水排氣時間則需要27小時，兩者相比較，本次大修的實際效果不言而喻。

2 一回路抽真空充水排氣

與傳統核電廠廠采用的充水排氣的方法不同，國內外很多核電廠采用抽真空后對一回路進行充水的方法。與傳統操作相比，真空充水可以避免因主泵動態趕氣而產生的風險，簡化了充水、趕氣過程。但真空充水操作較為復雜，如操作不當，后果是嚴重的，本文將對真空充水過程及注意點進行深入研究，探討其在傳統核電廠實施的可行性。

AP1000核電廠、方家山核電廠、嶺澳核電廠以及大亞灣核電廠均采用了抽真空啟動的方法，因本廠機組與大亞灣機組非常相似，因此，下面僅以大亞灣為參考進行分析。

2.1 抽真空充水排氣原理

大亞灣核電廠蒸發器U型管+水室體積約為92 m3，其內部的氣體在靜態排氣時不能排出，需將一回路排水至半管水位，抽真空到200Mbar.a后，再進行充水，其內氣體折算成標準狀態后為18~19 m3，低于標準21 m3，可能只需要經過靜態排氣一回路含氣量即可合格。而對于傳統核電廠來說，蒸發器U型管和水室體積為2×31m3=62 m3，剩余氣體體積要小于12 m3才為合格，所以，由波意耳定律可得：P0V0=P1V1

P0為標準大氣壓，V0為大氣壓下剩余氣體體積，即12 m3；P1為抽真空所達到的真空壓力，V1為蒸發器水室和U型管容積。

大亞灣抽真空最終要求的真空度為170 bar.a，具有一定的裕度。

2.2 抽真空排氣存在的風險及應對措施

抽真空充水排氣從原理上來講是具有很高的可行性的，但是抽真空排氣又存在哪些缺點，會帶來哪些風險，有哪些應對措施來降低風險呢？這些也必須是討論的重點。

2.2.1 一回路水沸騰風險

一回路真空度越高，抽真空排氣的效果越好，但是真空度越高，水的飽和溫度就越低，一回路就很容易產生沸騰現象，尤其在堆芯有裝料的情況下。

應對措施：進行抽真空操作時，一回路溫度維持在400℃以下；另外，抽真空裝置上還應設置安全閥，防止一回路壓力過低。

2.2.2 一回路設備承受負壓

在抽真空的過程中，一回路設備會承受負壓，因為部分設備、閥門和儀表在設計時未考慮承受負壓的工況。

應對措施：對在隔離邊界內的設備進行充分的風險評估，對于不能承受負壓的設備、閥門和儀表進行臨時隔離。

2.2.3 主泵一號軸封承受反向壓差

由于一號軸封不能承受大于0.2 bar的反向壓差，否則密封端面會有錯位的風險，所以在抽真空期間需要平衡主泵軸封的壓差。

應對措施：大亞灣核電廠設置了專門的主泵一號軸封兩側壓力平衡閥，并有相對應的行政隔離，抽真空時解除，閥門開啟，抽真空結束時，閥門關閉。

2.2.4 有燃料裝載時的風險

（1）一回路抽真空至約200 mbar，一回路飽和溫度會降低，而堆芯仍然有燃料裝載會產生熱量，所以一回路很容易發生沸騰，這些前面已經提到。

（2）堆芯有裝料時，由于RRA泵在運行，一回路運行水位低且一回路處于真空狀態，導致RRA泵的正吸入壓頭較低，控制不好很容易導致RRA泵發生汽蝕或者吸入渦流，從而使RRA泵及系統產生較大的振動。

應對措施：除了密切監視一回路的參數外，還必須密切監視RRA敏感支管的振動。為了防止RRA產生渦流，需要調整RRA流量。

2.2.5 一回路水位跟蹤產生的風險

在停堆工況下使用的水位計為RCP082LN、083LN、081MN，（1）其中082LN可監測從穩壓器頂部至主管道底部的水位，由于受到環境的限制，存在著測量盲區，會有較大的測量誤差，不利于水位的監測；

（2）083LN用來監測壓力容器法蘭結合面和環路的水位，也存在較大的測量誤差；

（3）081MN用來測量壓力容器法蘭結合面和各環路的水位，儀表不可靠，其精度容易受RRA泵的流量影響，流量越大誤差也越大。而抽真空排氣后充水時穩壓器水位變化快，主管道水位變化很細微，這些水位計顯然無法滿足要求。

應對措施：（1）新增高精度水位計RCP098MN替代原有RCP082LN/081MN，用以跟蹤反應堆水池和穩壓器波動管水位在充排水過程中的變化；（2）采用超聲波水位計RCP300MN測量主管道水位，完成對水位變幅不大的水體水位觀測。

3 結論

從兩種充水排氣方式的過程可以看出，兩種啟動方式有著比較明顯的不同，主要體現在是否存在水實體狀態、是否需要點動主泵動態趕氣等方面。兩者既有優點，也有各自的缺點，其優缺點總結如下。

3.1 傳統核電廠充水排氣優缺點

3.1.1 優點

國內核電廠有著豐富的啟動經驗，不需要增加其他設備。

3.1.2 缺點

（1）點動時間比較長；

（2）需要點動主泵進行動態趕氣，對主泵造成沖擊；

（3）水實體時有低溫超壓的風險；

（4）需要多次手動開放氣閥進行排氣等。

3.2 抽真空充水排氣優缺點

3.2.1 優點

（1）可以減少換料大修的時間；

（2）不需要點動主泵進行動態趕氣，減少對主泵的沖擊；

（3）不需要多次手動操作放氣閥進行排氣。

3.2.2 缺點

（1）需要增加相應的抽真空設備；

（2）需要增加相應設備的裝、卸及運行操作；

（3）主泵1號軸封壓差超過限值時，可能導致主泵損壞；

（4）抽真空前排至較低的半管水位位置，余排泵有氣蝕和吸入渦流危險；

（5）一回路要求參數較低，容易發生沸騰；

（6）水位控制比較嚴格，且不容易控制等。