AP1000先进性及主回路介绍

AP1000先进性及主回路介绍

课程目的

本材料旨在帮助大家了解AP1000设计上的先进性和主回路系统的主要特点。第一局部AP1000先进性简介世界核电开展史

第一代核电：

1954年前苏联建成电功率为5MW的试验性核电站，1957年美国在西平港建成电功率90MW的原型堆核电站。这两座原型堆核电站的建成标志着人类和平利用核能的开始，在核能界通常把上述试验性核电站称为第一代核电。世界核电开展史

第二代核电：自从上世纪60年代后期至今，世界上建成了400多座300MW以上的大型商用核电机组，主要采用压水堆和沸水堆技术，通常把这些核电称为第二代核电。世界核电开展史第三代核电：1979年美国发生了三哩岛核事故，1986年前苏联发生了切尔诺贝利核事故，这两次还核事故的发生对世界核电的开展产生了巨大的影响。在此之后美国和欧洲分别提出了URD和EUR两份文件，对核电在平安性和经济性上提出了更高的要求。一般把满足这两份文件要求的核电机组称为第三代核电。第四代核电尚处于研发之中。URD和EUR文件主要要求平安性：堆芯熔化事故概率≤1.0×10E-5堆·年；大量放射性释放到环境的事故概率≤1.0×10E-6堆·年；应有预防和缓解严重事故的措施；热工平安裕量≥15%。URD和EUR文件主要要求经济性：要求能与联合循环的天然气电厂相竞争；机组可利用率≥87%；设计寿命为60年；建设周期不大于54个月。世界上主要的三代核电机组类型目前世界上最具代表的三代压水堆核电技术分别美国的AP1000和法国的EPR；EPR是对平安系统的设计进行了改进，增加了平安系统的配置，由两通道变为四通道；AP1000对平安系统的设计进行了革新，整个平安系统采用了非能动的设计理念，简化了平安系统的设计。非能动的概念平安功能的实现不依赖外界的电能或动力以及人员的操纵；依靠状态的变化、储能的释放或自主的动作来实现。如利用流体被加热或蒸发、冷却或冷凝而产生的密度差形成驱动压头或位差形成的重力压头。AP1000的设计先进性简化的非能动设计提高了电站平安性和经济性；简化设计提高了可操作性和可维护性；系统和设备设计采用成熟电站设计提高可靠性；完整的、系统性的严重事故预防与缓解措施；采用成熟的数字化控制技术；模块化建造提高施工效率和降低建设周期。1、非能动设计提高平安性和经济性主要平安系统，如余热排出系统、安注系统、平安壳冷却系统等，均采用非能动设计，系统简单，不依赖交流电源，无需能动设备即可长期保持核电站平安，非能动式冷却显著提高平安壳的可靠性。平安裕度大。运用PSA分析找出设计中的薄弱环节并加以改进，提高平安水平。AP1000考虑内部事件的堆芯熔化概率和放射性释放概率分别为5.08×10E-7/堆年和5.94×10E-8/堆年，远小于第二代的1×10E-5/堆年和1×10E-6/堆年的水平。简化非能动设计大幅度减少了平安系统的设备和部件，与正在运行的电站设备相比，阀门、泵、平安级管道、电缆、抗震厂房容积分别减少了约50%，35%，80%，70%和45%。AP1000的平安性能

反响堆堆芯损坏频率显著降低AP1000的平安性能

大量放射性释放频率显著降低---保护业主投资简化设计提高经济性数据比照项目单位1000MW参考电站AP1000EPR(芬兰)安全级阀(只)284459210800（其中安全4级3700）安全级泵(包括主泵)(台)2806147安全级管道(m)335285791电缆(106xm)2.770.366抗震厂房容积(m3)3597731586402、简化设计提高了可操作性和可维护性由于系统设计得到了简化，从而提高了可操作性，减少了部件数量并降低了相关维修要求等。特别是，由于平安系统的技术标准大大简化，从而降低了监督要求。3、主回路系统和设备设计采用成熟电站设计堆芯:AP1000堆芯采用西屋的加长型堆芯设计，这种堆芯设计已在比利时的Doel4号机组、Tihange3号机组等得到应用；燃料组件:采用可靠性高的ROBUST组件；蒸汽发生器:采用增大的蒸汽发生器〔Delta125型〕，和正在运行的西屋大型蒸汽发生器相似；稳压器:稳压器容积比常规压水堆稳压器大；主泵:主泵采用成熟的屏蔽式电动泵；主管道简化设计，减少焊缝和支撑；压力容器:压力容器与西屋标准的三环路压力容器相似，取消了堆芯区的环焊缝，堆芯测量仪表布置在上封头，可在线测量。4、完整的、系统性的严重事故预防与缓解措施AP1000设计中考虑了以下几类严重事故后果：堆芯和混凝土相互反响；高压熔堆；氢气燃烧和爆炸；蒸汽爆炸；平安壳超压；平安壳旁路。为防止堆芯熔融物熔穿压力容器和混凝土底板发生反响，AP1000采用了将堆芯熔融物保持在压力容器内设计〔IVR〕。由于采用了IVR技术，可以保证压力容器不被熔穿，从而防止了堆芯熔融物和混凝土底板发生反响。针对高压熔堆事故，AP1000主回路设置了4列可控的自动卸压系统〔ADS〕，其中3列卸压管线通向平安壳内换料水储存箱，1列卸压管线通向平安壳大气。通过冗余多样的卸压措施，能可靠地降低一回路压力，从而防止发生高压熔堆事故。针对氢气燃烧和爆炸的危险，AP1000在设计中使氢气从反响堆冷却剂系统逸出的通道远离平安壳壁，防止氢气火焰对平安壳璧的威胁。同时在环平安壳内部布置冗余、多样的氢点火器和非能动自动催化氢复合器，消除氢气，降低氢气燃烧和爆炸对平安壳的危险。对于蒸汽爆炸事故，由于AP1000设置冗余多样的自动卸压系统，防止了高压蒸汽爆炸发生。对于由于丧失平安壳热量排出引起的平安壳超压事故，AP1000非能动平安壳冷却系统的两路取水管线的排水阀在失去电源和控制时处于故障平安位置，同时设置一路管线从消防水源取水，确保冷却的可靠性。事故后长期阶段仅靠空气冷却就足以带出平安壳内的热量，有效防止平安壳超压。由于采用了IVR技术，不会发生堆芯熔融物和混凝土底板的反响，防止了产生非凝结气体引起的平安壳超压事故。针对平安壳旁路事故:AP1000通过改进平安壳隔离系统设计、减少平安壳外LOCA发生等措施来减少事故的发生。AP1000仪控系统采用成熟的数字化技术设计，通过多样化的平安级、非平安级仪控系统和信息提供、操作防止发生共模失效。仪表和控制系统采用数字化的分布式控制系统〔DCS〕。采用成熟的、先进的技术〔如远程I／O技术、网络通讯技术、智能诊断技术等〕，满足电厂各种运行模式及事故工况下的监视和控制要求。主控室设计充分考虑人因工程。主控室采用布置紧凑的计算机工作站控制技术，人机接口设计充分考虑了运行电站的经验反响。5、采用成熟的数字化控制技术数字化仪控的优点信息量大，有利于运行人员预先发现机组的异常，对提高机组的可用率十分有利；参数指示准确，有利于机组进行调节和控制；修改控制逻辑和定值十分方便，有利于调试；可以随时查阅历史信息，有利于进行设备管理和事件原因分析；可以随意组态曲线，便于运行人员对机组的监督管理。AP1000核电站数字仪控系统1、先进主控制室采用全数字化和紧凑型布置的方案2、先进主控制室主要包括：–大屏幕信息显示系统；–反响堆操作员控制台；–高级反响堆操作员控制台；–主要专用平安屏；–次要专用平安屏；–多样性驱动系统控制屏；–辅助控制屏；–值班长办公室。6、模块化建造提高施工效率和降低建设周期AP1000在建造中大量采用模块化建造技术。模块建造是电站详细设计的一局部，整个电站共分4种模块类型，其中结构模块122个，管道模块154个，机械设备模块55个，电气设备模块11个。模块化建造技术使建造活动处于容易控制的环境中，在制作车间即可进行检查，经验反响和吸取教训更加容易，保证建造质量。平行进行的各个模块建造大量减少了现场的人员和施工活动。通过与前期工程平行开展的按模块进行混凝土施工、设备安装的建造方法，AP1000的建设周期大大缩短至60个月，其中从第一罐混凝土到装料只需36个月。模块化施工需考虑的几个问题

对超重型起重运输设备能力的挑战。AP1000的CA20模块以及CV1#环高度均超过15米，重达800吨，综合吊装位置等因素，需要用2000吨级的吊车才能将它们平安吊装到位，而目前国内最大的履带式吊车LR11350也只是1350吨级，无法满足模块化的需求。吊装是如此，现场的运输也是这样。

对模块预制的人力、物力等资源需要的挑战。由于采用了模块化的施工，大量的模块预制工作将同步进行，综合目前国内多个核电工程同时启动的开展势头，必然会给核电制造加工带来短期的顶峰现象。

对大型工程工程管理信息化程度的挑战。由于采用了模块化，AP1000的管理信息化程度要求比传统的核电建设更加高。因为大量的预制工作可能会分散到各个工厂车间，而每个预制工作又对整个核岛的建设有不同程度的影响，加上设计、采购等方面的因素，在管理的范围上给我们的工作带来了极大的难度，这也是对我们信息化管理水平的一次挑战。参数数值单位电厂寿命60年可利用率93%建造周期56（FCD到COD）月堆芯热工裕量>15%堆芯损坏频率5.08×10-71/堆年大量放射性物质释放频率5.94×10-81/堆年AP1000设计平安目标和性能指标第二局部：主回路介绍

主回路又称反响堆冷却剂系统(核蒸汽供给系统〕，其主要功能是：把堆芯正常运行时产生的热量传输给蒸汽发生器、将蒸汽发生器二次侧的水加热并转化为驱动汽轮发电机组的饱和蒸汽。一回路压力边界作为反响堆内产生的放射性释放的屏障，并用来在整个电厂运行期间提供高度的整体性。参数参考值单位反应堆功率3400MWtNSSS功率3415MWt电功率1250MWe净电功率1117MWe运行压力15.51MPa堆出口温度321.1℃堆入口温度280.7℃环路流量4×17886m3/h总蒸汽流量1888.7kg/sec蒸汽发生器出口蒸汽压力5.61MPa蒸汽发生器出口蒸汽温度271.22℃主泵电机功率5450KW系统参数饱和蒸汽冷却剂系统组成AP1000反响堆冷却剂系统为两环路设计，主要包括以下设备：反响堆；2台蒸汽发生器；2根热段管道；4台主泵、4根冷段管道；1个稳压器；阀门及用于运行控制和平安设备动作的仪表。一回路主设备的作用反响堆：反响堆用于实现可控的链式裂变反响并且将反响产生的能量通过燃料棒包壳传递给一回路冷却剂。蒸汽发生器作为一回路主设备，主要功能是将一回路冷却剂的热量通过传热管传递给二回路的给水，加热给水至沸腾，经过汽水别离后产生干饱和蒸汽，驱动汽轮发电机组。反响堆冷却剂泵作为一回路主设备，主要功能是建立一回路冷却剂的强制循环，循环流程为：反响堆→蒸汽发生器→反响堆冷却剂泵→反响堆。另外，在发生与厂用电丧失相关的预期运行事件时，依靠反响堆冷却剂泵的惰转，维持一回路冷却剂有足够的强制循环，保证堆芯的冷却。稳压器用于建立并维持一回路压力，在事故情况下快速降低一回路压力。另外，通过维持稳压器液位，确保一回路的水装量。稳压器内设置有喷淋装置、电加热器和维护平台等部件。AP1000一回路示意图图反响堆冷却剂系统反响堆简介反响堆用于实现可控的链式裂变反响并且将反响产生的能量通过燃料棒包壳传递给一回路冷却剂。反响堆主要包括：反响堆压力容器；一体化顶盖；堆芯；堆内构件。涡流抑制板流量分配板（裙板）堆芯围板出口接管嘴上部堆内构件反应堆压力主法兰配合面反应堆压力容器上封头流量节管嘴入口接管嘴堆芯吊篮筒体反应堆压力容器辐照监督管堆芯下支承板堆芯二次支承AP1000反响堆压力容器设计压力：17.13MPa设计温度：343.3℃内径：3.99m总高：12.2m〔从下封头底部到上封头顶部〕壁厚：20.3cm上封头螺栓数量：45个平安等级：A抗震等级：I制造等级：ASMEIII-1材料：SA-508低合金钢压力容器结构压力容器由圆筒体局部、过渡环段、半球形底封头和半球形一体化顶盖构成。圆筒体局部分成上筒体和下筒体，过渡环段连接下筒体和半球形底封头。AP1000压力容器主要设计优点下桶体取消了焊缝；压力容器材料中降低了镍和铜的含量，减少辐照脆化的影响；在RPV顶盖的贯穿件焊缝和接管平安端焊缝采用Inconel690合金焊材，降低了腐蚀；堆芯仪表通道设在RPV顶部——取消了堆芯下部，即压力容器底部所有的贯穿件。堆内构件反响堆堆内构件与燃料组件一起，合理分配流经堆芯的冷却剂流量，并能限制冷却剂的堆芯旁通流量，还能冷却压力容器顶盖，防止压力容器法兰和顶盖之间的温差超限而使压力容器法兰泄露。堆芯围板形能保证堆芯周边的几何外形，并使冷却剂按照确定的流道流经堆芯；堆内构件是反响堆系统〔RXS〕的一局部，位于压力容器内部，与压力容器形成冷却剂在堆内的流动通道。并为堆芯和控制棒组件提供导向、保护、定位和支撑。堆内构件堆内构件主要由下部堆内构件和上部堆内构件组成；下部堆内构件由堆芯吊篮、堆芯下部支撑板、二次堆芯支撑、涡流抑制板、堆芯围板和相关组件构成；AP1000上部堆内构件由上部支撑板、上部堆芯板、支撑柱和导向管组件构成。一体化顶盖一体化顶盖是压力容器顶盖的一个组装部件，包括顶盖、控制棒驱动机构、控制棒定位指示器、堆芯测量仪表、控制棒驱动机构的冷却挡板、空气出口增压、顶盖通风管道、一体化顶盖组件的屏蔽罩、抗振支撑板、一体化顶盖组件吊耳、电缆、电缆连接器，以及附着在顶盖上的其它结构物。一体化顶盖组件将这些分开的部件与顶盖一起组成一个结构，在更换燃料时，可以作为一个单个的结构被撤除和移动到储存架上。大修时缩短停堆周期、优化占用空间、便于电缆断开和连接、提高操作人员的平安性、减少人力要求。蒸汽发生器AP1000蒸汽发生器为立式壳体、U型传热管的蒸发器，带有汽水别离装置。传热管材料为镍铬铁合金690，其成型后进行热处理。传热管支撑板由耐腐蚀的405不锈钢合金制造。三叶型支撑板提供了平面内和平面外的力量。通过支撑板的流量清扫，减少管和管板裂缝之间淤泥的堆积。在出口管嘴处设置了蒸汽－流限制器设计参数与规格型号：型号：Delta125设计寿命：60年设计压力：17.13〔一次侧〕／8.17〔二次侧〕MPag设计温度：343.3〔一次侧〕／315.6〔二次侧〕oC内径：5.334／4.191m总高：22.454m传热面积：11477m2流量：943.7kg/s传热管数量：10025外径：17.48mm，壁厚：1.02mm10、设计湿度：0.30%AP1000蒸汽发生器支撑板结构主泵主泵是一个单级、屏蔽式、高惰性、离心壳式电动泵，它可以传送大容量的高温高压冷却剂。泵的电机都配有一个变频器，它使泵能够在RCS低温时以较低的转速启动和运行，这减小了所需电机的尺寸，同时可以将50Hz的电网频率转换成60Hz由于不存在轴密封，减小了小LOCA可能性；主泵与蒸汽发生器底封头的一体化设计取消了过渡段管道，减小了环路压降和小LOCA事故中堆芯裸露的可能性；简化了蒸汽发生器、主泵以及管线的基座和支撑系统。主泵设计参数设计寿命60年设计压力17.13MPa(2485psig)设计温度343.3°C(650F)压力边界等级安全震级编码AP1000ClassACategoryIASMEIII-1总高度6.69m(21ft-11.5in)设备冷却水流量136.3m3/hr(600gpm)最大设备冷却水进口温度35°C(95°F)电机以及壳干燥时的额定总重量89,730kg(197,900lb)泵设计流量压头泵的排放喷嘴，内径泵的吸入管嘴，内径同步转速17,886m3/hr(78,750gpm)111.3m(365ft)55.9cm(22in)66.0cm(26in)1800rpm电机类型电机等级电压相数频率绝缘等级电流启动电流额定输入电流，冷态冷却剂鼠笼感应式5450kw(7300bhp)6900V360HzH或N级可变可变电机/泵转子最小转动惯量足以提供惰转曲线[～931kg-m2(23,000lb-ft2)]AP1000反响堆冷却剂泵—屏蔽电机泵

稳压器AP1000稳压器为立式、筒形容器，带有半球形的上部和下部封头，采用低合金钢制造。在稳压器内，汽水维持在平衡的饱和状态，与反响堆冷却剂接触的内外表堆焊了奥氏体不锈钢。喷淋管线的接管嘴、自动降压和平安阀接管位于稳压器的上部封头。喷淋流量通过自动控制的气动阀来调节，喷淋阀也可通过控制室进行手动操作。在喷淋连接处有隔热套管来防止热瞬态，在下部封头上的波动管线与波动管嘴连接处，设置了一个热套管用来防止管嘴受到热瞬态影响。

稳压器设计数据设计寿命60年设计压力17.13MPa(2485psig)设计温度360.0°C(680°F)波动管线接管额定直径457.2mm(18in)喷淋管线接管额定直径101.6mm(4in)安全阀接管额定直径355.6mm(14in)内径2.29m(90in)高度15.42m(607in)内部容量59.47m3(2100ft3)主管道包括分别连接反响堆压力容器、蒸汽发生器、主泵的反响堆冷却剂热管段管道和冷管段管道。共两个回路，每个回路包括一个热管段〔78.7cm〕，两个冷管段〔55.9cm〕。RCS管道由奥氐体不锈钢制造，管道采用无缝锻造技术。RCS还有一些较小的管线。冷管段管道中心线高于热管段管道中心线0.44m，稳压器的波动管〔管径18inch〕连接在其中一个热管段管道上。采用不锈钢整体锻造技术加工成形减少了焊缝。平安系统平安上重要的系统，用于保证反响堆平安停堆、从堆芯排出余热或限制预计运行事件和设计基准事故的后果。平安系统在正常运行工况一般处于备用状态。SSC核平安分级A级是对应于ANS平安1级的平安相