M310機(jī)組和ACP1000機(jī)組能動安全系統(tǒng)差異性研究

袁博+樊文

摘 要： 選取典型核電站壓水堆M310機(jī)組和ACP1000機(jī)組，兩者有很多類似的地方。本文簡短的介紹了兩種機(jī)組的部分能動安全系統(tǒng)的組成及運(yùn)行，并做了分析和比較，最終得出結(jié)論，即ACP1000機(jī)組豐富和完善了核電廠事故預(yù)防和緩解手段，充分保證核電廠的安全性。

關(guān)鍵詞： 能動安全系統(tǒng)；差異；影響

1概述

運(yùn)行壓水堆核電站中，M310機(jī)組來源于法國，為第二代核電技術(shù)，有著非常豐富的建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。ACP1000機(jī)組是我國自主研發(fā)的第三代核電技術(shù)，目前仍然處于建設(shè)施工階段。兩種堆型有一些相似之處，本文選擇部分能動安全系統(tǒng)（安注系統(tǒng)、輔助給水系統(tǒng)、應(yīng)急硼注入系統(tǒng)、堆腔注水冷卻系統(tǒng)等）的工藝構(gòu)造及其對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響給大家作簡短的介紹和分析對比，希望對核電工作起到借鑒意義。

2安注系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)組成與差異分析

壓水堆核電廠對一回路冷段大破口冷卻劑喪失始發(fā)嚴(yán)重事故下，采取堆腔注水緩解事故進(jìn)程[1]。

M310的安注系統(tǒng)主要有以下幾個子系統(tǒng)組成：高壓安注子系統(tǒng)、低壓安注子系統(tǒng)、安注箱注入子系統(tǒng)、4%硼酸溶液再循環(huán)回路、兩機(jī)組共用的水壓試驗(yàn)子系統(tǒng)。其中高壓安注子系統(tǒng)的兩臺高壓安注泵是利用上充系統(tǒng)的兩臺上充泵在安注時充當(dāng)安注泵[2]；而ACP1000取消了高壓安注子系統(tǒng)與4%硼酸溶液再循環(huán)回路，另設(shè)中壓安注安注子系統(tǒng)，即將安注系統(tǒng)與上充系統(tǒng)徹底分離。中壓安注子系統(tǒng)包括兩臺中壓安注泵，中壓安注泵的出口壓力為10MPa，為了保證安注時，中壓安注系統(tǒng)能夠向一回路打入硼酸溶液，ACP1000另行設(shè)計(jì)了快速冷卻功能，即安注信號觸發(fā)時，大氣旁路排放系統(tǒng)會自動以100℃/h的速率冷卻一回路，快速降低一回路壓力，保證中壓安注的有效性。

M310安注系統(tǒng)運(yùn)行分為三個階段，即冷段直接注入階段、冷熱段同時注入階段和再循環(huán)注入階段。安注時，高低壓安注泵同時從換料水箱吸水，同時高壓安注泵吸入口與低壓安注泵出口相連，低壓安注泵起到為高壓安注泵增壓的功能；高壓安注泵將硼酸注入箱中的濃硼酸打入一回路冷段。當(dāng)換料水箱液位低2時，高壓安注泵吸入口與換料水箱之間的連接閥關(guān)閉，當(dāng)換料水箱液位低三時，低壓安注泵吸入口切換到安全殼地坑，安注以再循環(huán)方式運(yùn)行。

ACP1000在設(shè)計(jì)上取消了外置式換料水箱，以內(nèi)置式換料水池取代，換料水池位于反應(yīng)堆廠房。在運(yùn)行方式上，當(dāng)安注信號產(chǎn)生時，兩臺中壓安注泵和兩臺高壓安注泵同時啟動，中壓安注泵和低壓安注泵同時從換料水池取水，并且中壓安注泵不需要低壓安注泵的增壓；安注系統(tǒng)的運(yùn)行方式只有冷段注入和冷熱段同時注入兩個階段，取消了再循環(huán)運(yùn)行階段。ACP1000安注系統(tǒng)新增了安注信號：P15信號（一回路壓力小于2MPa、一回路溫度小于180℃且三個環(huán)路流量低低）存在時，若環(huán)路水位低，則安注自動觸發(fā)；P15信號不存在且一回路壓力小于13.8MPa，若環(huán)路熱管段飽和裕度低（10℃），則安注觸發(fā)。此外，安注觸發(fā)的動作中，ACP1000增加了停運(yùn)主泵動作。

M310中壓安注箱的容積為47.7m3，5號增加為65.5m3；在安注泵電機(jī)的冷卻方式上，ACP1000采用兩種冷源，與M310相比，增加電氣廠房冷凍水作為設(shè)備冷卻水的備用，提高安注泵運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.2運(yùn)行影響分析

避免了與上充系統(tǒng)之間的影響，獨(dú)立性增強(qiáng)；CIA復(fù)位后，可以重新建立上充，一回路大破口時，可以與中壓安注系統(tǒng)同時向一回路注水，安全性提高；安注觸發(fā)時，避免了由于停止安注操作慢導(dǎo)致穩(wěn)壓器安全閥開啟，進(jìn)而避免了由于穩(wěn)壓器泄壓箱爆破盤開啟導(dǎo)致事故惡化；余排連接情況下失水事故，安注可自動啟動以及一回路失水時自動停運(yùn)主泵，延長操縱員不干預(yù)時間；中壓安注和低壓安注子系統(tǒng)完全分離與內(nèi)置換料水箱的設(shè)計(jì)可以使安注運(yùn)行變得簡單可靠。取消硼酸注入箱和硼酸再循環(huán)回路，簡化系統(tǒng)，運(yùn)行穩(wěn)定性提高（取消硼酸注入箱帶來的不利影響由應(yīng)急硼酸注入系統(tǒng)彌補(bǔ)）；安注泵采用雙路冷卻，可靠性提高。

3輔助給水系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)組成與差異分析

輔助給水系統(tǒng)作為主給水系統(tǒng)的備用， 向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)供應(yīng)給水， 是核電站十分重要的安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是： 在電站正常啟動和停堆過程中可代替主給水系統(tǒng)傳遞一回路熱量； 在電站事故工況下， 作為安全設(shè)施之一， 為反應(yīng)堆建立起二次熱阱，導(dǎo)出堆芯衰變熱，并將主回路系統(tǒng)冷卻到余熱排出可以投運(yùn)或更低的溫度水平[3]。

M310輔助給水系統(tǒng)的主要設(shè)備有：一個輔助給水箱，四臺輔助給水泵（包括兩臺汽動泵和兩臺電動泵），帶有流量調(diào)節(jié)閥的向蒸汽發(fā)生器供水的管路，除氣裝置等。ACP1000輔助給水系統(tǒng)包括兩個輔助貯水池、一個泵子系統(tǒng)和一套與蒸汽發(fā)生器相連的給水管線，給水管線上裝有流量調(diào)節(jié)閥和給水隔離閥。

M310輔助給水箱的效容積為900m3，ACP1000兩個給水池之間設(shè)有連接管道；每個水池為50%容量，總有效容積為1136m3，更能滿足799m3的需求量[4]。在泵體布置上，兩機(jī)組也有差異：5號機(jī)為一臺汽動泵和一臺電動泵為一列，兩列布置；而M310布置為兩臺電動泵一組，兩臺電動泵一組。

對于M310，當(dāng)輔助給水系統(tǒng)自動啟動時，輔助給水泵出口調(diào)節(jié)閥保護(hù)全開，當(dāng)運(yùn)行人員需要調(diào)節(jié)給水流量時，需要手動復(fù)位保護(hù)信號，然后手動調(diào)節(jié)閥門開度；若調(diào)節(jié)不及時，蒸發(fā)器則會有滿溢風(fēng)險(xiǎn)。而ACP1000則對此做了兩點(diǎn)改進(jìn)：第一，在每個給水環(huán)路的母管上設(shè)置了串聯(lián)的2臺電動隔離閥，在輔助給水系統(tǒng)備用和正常運(yùn)行期間處于常開；當(dāng)其中一臺蒸汽發(fā)生器出現(xiàn)高高液位，同時穩(wěn)壓器低低液位時，觸發(fā)隔離命令隔離該蒸汽發(fā)生器對應(yīng)給水隔離閥，以便防止蒸汽發(fā)生器滿溢，上述隔離命令同時觸發(fā)閉鎖信號閉鎖剩下兩個環(huán)路的蒸汽發(fā)生器給水隔離信號，防止多臺蒸汽發(fā)生器給水喪失；第二，輔助給水系統(tǒng)自動啟動后，當(dāng)蒸汽發(fā)生器的液位到達(dá)高液位整定值時觸發(fā)對應(yīng)調(diào)節(jié)閥的復(fù)位命令，使得這些閥門處于通過蒸汽發(fā)生器液位進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)閥門開度的運(yùn)行模式，以便調(diào)節(jié)注入蒸汽發(fā)生器的給水流量，保證蒸汽發(fā)生器不發(fā)生滿溢。同時機(jī)組運(yùn)行人員在啟動電動泵的指示被執(zhí)行以后，也可以將這些閥門復(fù)位到它們定位器的控制之下，以調(diào)整注入蒸汽發(fā)生器的流量，防止蒸汽發(fā)生器滿溢。

3.2運(yùn)行影響分析

新增一個輔助給水池，可靠性提高；輔助給水泵兩列設(shè)計(jì)，避免因共模故障導(dǎo)致同時喪失兩臺電動泵或兩臺汽動泵（比如由于給水泵口母管斷裂會導(dǎo)致同時喪失兩臺電動泵或汽動泵）；輔助給水泵啟動后可自動隔離單臺蒸發(fā)器輔助給水，避免了由于操縱員干預(yù)不及時導(dǎo)致蒸發(fā)器滿溢，防止事故嚴(yán)重化；可自動調(diào)節(jié)蒸發(fā)器水位，延長操縱員不干預(yù)時間。

4應(yīng)急硼注入系統(tǒng)

4.1系統(tǒng)簡介

應(yīng)急硼注入系統(tǒng)是ACP1000新增的安全系統(tǒng)，它包括 A、B兩列，每個系列的容量為50%。每列包含一臺硼注泵；一臺硼酸注入箱；一條硼酸再循環(huán)回路；一臺安全閥。兩個系列的注入管道在進(jìn)入安全殼后合并成一根母管，再從母管上接出三個支管，分別接至三條安全注入系統(tǒng)中壓安注向冷段注入的管道上。

反應(yīng)堆硼水補(bǔ)給系統(tǒng)向硼酸注入箱充入7000-8000ppm的含硼水。正常運(yùn)行時應(yīng)急硼注入系統(tǒng)處于備用狀態(tài)。為防止硼酸結(jié)晶，當(dāng)出現(xiàn)硼酸注入箱硼酸溶液低溫報(bào)警時，操作員可手動啟動硼注泵，通過循環(huán)管線對硼溶液進(jìn)行攪混。自動啟動信號為主給水低流量疊加中間量程的中子通量產(chǎn)生的功率允許信號（ATWS 信號）或反應(yīng)堆緊急停堆信號發(fā)出15秒后中子注量率仍高于停堆信號發(fā)出時的10%，系統(tǒng)啟動后向堆芯注入最低濃度為7000ppm的含硼水，實(shí)現(xiàn)快速降低堆芯反應(yīng)性控制并維持堆芯處于次臨界狀態(tài)，從而限制堆芯燃料包殼溫度和一回路壓力峰值。操縱員根據(jù)相關(guān)堆芯參數(shù)判斷實(shí)際的硼化效果，如果已達(dá)到要求，操縱員可手動停運(yùn)系統(tǒng)，或當(dāng)硼酸注入箱內(nèi)的溶液用完時，系統(tǒng)自動停運(yùn)。

4.2運(yùn)行影響分析

彌補(bǔ)了取消安注系統(tǒng)中硼酸注入箱設(shè)計(jì)帶來的不利影響（反應(yīng)堆緊急停堆信號發(fā)出15秒后中子注量率仍高于停堆信號發(fā)出時的10%信號）；增加一回路應(yīng)急硼注入手段，和硼化回路互為備用，增加冗余，安全性提高。增加一回路應(yīng)急補(bǔ)水手段（出口壓力24MPa）；在發(fā)生未停堆的預(yù)期瞬態(tài)事故工況下，應(yīng)急硼注入系統(tǒng)向反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)快速注入濃硼酸溶液，將堆芯帶入次臨界狀態(tài)；在緊急停堆但發(fā)生卡棒的情況下可以實(shí)現(xiàn)自動干預(yù)。

5堆腔注水冷卻系統(tǒng)

5.1系統(tǒng)簡介

能動注入子系統(tǒng)設(shè)置了并聯(lián)的兩個系列，每個系列配備了一臺堆腔注水泵，其入口分別與安注系統(tǒng)相應(yīng)系列的安注泵的入口管道相連，嚴(yán)重事故工況下由安全注入系統(tǒng)的安全殼內(nèi)置換料水池取水；同時，堆腔注水泵的入口還與消防水分配系統(tǒng)相連，將消防水作為能動注入的備用水源。兩臺堆腔注水泵出口管線在經(jīng)過安全殼隔離閥，貫穿安全殼后再合并為母管后注入堆腔。注水管道與保溫層的底部相連，注入的冷卻水通過壓力容器外壁與保溫層內(nèi)壁之間的流道向上流動，最終從保溫層筒體上部的排放窗口流出，并返回到換料水池。

非能動部分設(shè)置在安全殼內(nèi)，在安全殼內(nèi)設(shè)置非能動堆腔注水箱，水箱內(nèi)的水質(zhì)為除鹽水。在嚴(yán)重事故發(fā)生，且CIS能動注入部分不可用的情況下，安全殼內(nèi)非能動堆腔注水箱內(nèi)的水能夠依靠重力注入堆腔中壓力容器保溫層內(nèi)，淹沒反應(yīng)堆壓力容器下封頭到一定高度，并補(bǔ)償堆腔內(nèi)水的蒸發(fā)量，以“非能動”的方式實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆壓力容器的冷卻[5]。

5.2運(yùn)行影響分析

堆腔注水冷卻系統(tǒng)在發(fā)生堆芯熔化的嚴(yán)重事故后，通過壓力容器外冷卻帶走堆芯熔融物熱量，降低反應(yīng)堆壓力容器外壁的溫度，維持壓力容器的完整性，實(shí)現(xiàn)壓力容器內(nèi)堆芯熔融物的滯留，提高了反應(yīng)堆的安全性。

6總結(jié)

ACP1000機(jī)組對部分能動安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更改，提高了系統(tǒng)與設(shè)備的多樣性、多重性和獨(dú)立性，豐富和完善了核電廠事故預(yù)防和緩解手段，充分保證核安全，使得機(jī)組安全可靠性能提高，提升了機(jī)組的安全性?！?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]武鈴珺，壓水堆核電廠嚴(yán)重事故下堆腔注水措施研究，原子能科學(xué)技術(shù)，2009-01-20.

[2]魏仁杰，標(biāo)準(zhǔn)M310高壓安注系統(tǒng)可靠性分析，核動力工程，1988-12-26.

[3]闞強(qiáng)生，核電站輔助給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，核動力工程，1998-06-01.

[4]佟立麗，福清核電1、2號機(jī)組增大應(yīng)急給水箱容積安全分析，科技導(dǎo)報(bào)，2013-04-18.

[5]顧健，華龍一號安全系統(tǒng)配置策略，中國核電，2016-12-15.