AP1000消防水系統(tǒng)在機組事故工況下的運行特點分析

楊潤

摘要：AP1000消防水系統(tǒng)在組成與運行上與國內(nèi)的核電站有很大不同，除了支持消防外還承擔緩解機組事故功能，本文對AP1000消防水系統(tǒng)在各種事故工況下的運行特點和運行中需關注的問題進行了分析和探討。

關鍵詞：消防水系統(tǒng)；事故運行；運行特點與對應思考

1.概述

AP1000采用第三代壓水堆技術，采用了大量的非能動設施和水源，AP1000機組消防水系統(tǒng)在設計和運行上也與傳統(tǒng)壓水堆的消防系統(tǒng)有很大不同，AP1000消防水系統(tǒng)不僅在火災事故中承擔消防作用，并且在可在機組其他事故工況下提供SFP補水、RNS冷卻、安全殼噴淋等緩解嚴重事故的能力，起到緩解事故的作用，本文對AP1000消防水系統(tǒng)的設計和運行特點，特別是事故情況下的運行特點進行分析。

2.AP1000消防水系統(tǒng)系統(tǒng)組成

2.1能動的消防供水系統(tǒng)

能動消防水源采用兩個主副消防水箱，實際消防水容量為1390m3的消防水箱、一臺電動消防泵、一臺柴油機消防泵、二臺消防穩(wěn)壓泵、消防管網(wǎng)及管網(wǎng)末端的自動噴淋滅火裝置和手動滅火裝置等組成。自動滅火裝置包括干管、濕管、預作用閥、水噴霧閥；手動滅火裝置包括消火栓和立管。水源）補水。系統(tǒng)流程如圖1：

圖1能動消防水系統(tǒng)

2.2非能動的消防供水系統(tǒng)

其設計上用于保護SSE下安全停堆設備執(zhí)行其安全停堆功能，免受火災影響。其保護的安全相關設備安全殼內(nèi)的有PXS、RCS、SGS、安全殼隔離閥，安全殼外的有PMS、1E級IDS和反應堆安全殼隔離閥。該系統(tǒng)的消防水儲存于抗SSE的PCCWST中，容量為68.1m3，儲水量足夠供應兩個消火栓，每一個消火栓流量為17.03m3/h，同時使用2小時，該系統(tǒng)由PCCWST的靜水頭維持系統(tǒng)壓力。安全殼冷卻輔助水箱（PCCAWST）內(nèi)也有消防專用水，由PCS系統(tǒng)的輔助水泵向消防系統(tǒng)供水，具有同樣的流量。

3.消防水系統(tǒng)在機組事故工況下的運行

3.1火災情況下系統(tǒng)反應

3.1.1非SSE火災情況

火災發(fā)生后，火災探測器動作，在主控室MFPP和LFACP就地消防盤產(chǎn)生火災報警，并聯(lián)動相應的自動噴淋設備，包括干式噴頭，濕式噴頭，預作用噴淋閥，雨淋閥或水噴霧閥；沒有自動滅火系統(tǒng)的區(qū)域通過手動滅火系統(tǒng)，包括消火栓和消防立管，由人工進行噴淋滅火。當消防水動作后，前期的消防水流量由穩(wěn)壓泵提供，隨著消防管網(wǎng)壓力持續(xù)下降，電動消防泵的出口壓力降到一定值時，將啟動電動消防泵。若電動泵故障啟動不成功或啟后管網(wǎng)壓力繼續(xù)降低時，柴油消防泵根據(jù)壓力信號啟動，當火災撲滅后，操縱員手動停運電動泵和柴油驅(qū)動泵。

AP1000自動滅火系采用了干式，濕式，預作用噴淋閥，雨淋閥或水噴霧閥等滅火裝置，其中干式和濕式運行原理較為簡單，預作用閥和雨淋閥比較復雜，預作用閥的運行原理集合了其他三種閥門的特性。

3.1.2在SSE情況下火災

當發(fā)生SSE時的火災，能動消防水系統(tǒng)被視為不可用，通過PCCWST的靜壓頭向具有安全停堆功能的系統(tǒng)設備供水。若發(fā)生在安全殼內(nèi)，此時，PCCWST中的最低消防水位為168m，安全殼內(nèi)需要其供水的最不利標高點為105m，靜壓差最低為63m，即通過這一不少于63m的靜壓頭，使PCCWST水箱中的抗震水源通過常開手動閥門PCS系統(tǒng)向安全內(nèi)立管和消火栓供水。若火災發(fā)生在安全殼外，則PCCWST水箱中的抗震水源通過常開手動閥門分別向核島廠房三個不同區(qū)域的的手動和自動滅火系統(tǒng)供水。在發(fā)生安全停堆地震的設計基準事故時，如果PCS啟動，則PCCWST內(nèi)的消防專用水會被安全殼噴淋消耗掉，如果緊接著發(fā)生火災，PCS再循環(huán)泵從PCCAWST水箱吸水，利用PCCWST的充水管道為抗震立管系統(tǒng)提供專用消防水。

3.2緩解嚴重事故的安全殼噴淋

在超設計基準事故時，堆芯降級從而導致大量的放射性物質(zhì)釋放到安全殼大氣中。這個放射性的活度由惰性氣體、微粒和少量的元素碘和有機碘，大部分的碘將以微粒形式存在組成。氣載活性的去除由自然過程（即沉降，離子擴散，熱遷移）來完成，大量的非氣態(tài)氣載活性將最終沉降在安全殼地坑溶液內(nèi)。從而降低嚴重事故后的安全殼空間內(nèi)的劑量。如下圖（圖2）：

圖2安全殼噴淋

安全殼的噴淋集管和噴嘴：安全殼的噴淋集管包含一個流向兩個置于安全殼環(huán)吊上方的環(huán)形集管的集管。安全殼的噴淋環(huán)形集管和噴淋管嘴被布置成使得安全殼覆蓋體積最大。一個下部的環(huán)形集管被置于電廠標高260英尺（148.77m）處，包含44個噴淋管嘴。一個上部的環(huán)形集管被置于電廠標高275英尺（153.34m）處，包含24個噴淋管嘴。消防系統(tǒng)集管在安全殼背壓為（0.138MPa）時為每個噴淋管嘴提供3.45m3/hr的設計流量，從而整個安全殼噴淋流量約為234.85m3/hr的噴淋流量。

安全殼噴淋的運行除了因為來自于消防水箱的噴淋水造成的消防系統(tǒng)的裝量的減少外，對該系統(tǒng)的可用性無影響。為了維持滅火的裝量，第二消防水箱在安全殼噴淋運行期間被隔離。因為消防系統(tǒng)運行在管道是充滿和加壓的這樣一種能動備用狀態(tài)下，所以FPS-V050和FPS-V701被打開則這個系統(tǒng)將會執(zhí)行其安全殼噴淋功能。當因為噴淋造成的消防主管網(wǎng)中的水壓開始下降時，電動泵在收到一個低壓信號后自動啟動，如果電動泵失效無法啟動，則柴油機泵在收到低壓信號后啟動，打開水箱之間的連接管線上的手動閥，泵將會持續(xù)運行直到手動關閉為止。

3.3失去全部CCS時RNS換熱器的冷卻

AP1000在設計上考慮在汽輪機廠房發(fā)生大面積火災，正常安全停堆設備的停堆功能由于火災喪失時，安全相關的非能動堆芯冷卻系統(tǒng)PXS和安全殼噴淋系統(tǒng)PCS可在不需操縱員干預下在72小時內(nèi)冷卻反應堆并維持反應堆安全停堆狀態(tài)。對于AP1000，由于火災導致CCS或SWS全部換熱器失去時，在火災撲滅后，在停堆后72小時由FPS系統(tǒng)消防水實現(xiàn)反應堆的冷停堆并維持冷停堆工況。FPS通過CCS管道向RNS換熱器的一列提供冷卻水，導出堆芯余熱。

FPS設置一個與CCS系統(tǒng)固定連接接口，通過一個常閉的手動閘閥和CCS系統(tǒng)熱交換器出口的供水集管相連，正常時處于常關狀態(tài)，當需要消防水供應冷卻水時，需要操縱員手動關閉CCS供水集管和回水集管上的隔離，防止冷卻水旁通RNS換熱器，就地打開附屬廠房的消防水集管向CCS的供水閥，打開向RNS換熱器和泵供冷卻水的閥門，F(xiàn)PS消防水通過RNS換熱器冷卻一回路冷卻劑后流經(jīng)貫穿附屬廠房和廢物廠房的管道排向廠房外的雨水排放槽。

3.4嚴重事故為乏池補水

AP1000的乏池系統(tǒng)為SFP設計了噴淋功能，該功能為緩解超設計基準事故下，乏池蒸干的后果起到重要作用。其噴淋方式與傳統(tǒng)核電廠的安全殼噴淋相似，都是將水從頂部噴下，起到降溫和限制放射性物質(zhì)擴散的作用。SFP設置兩組噴淋管線，一組來自FPS系統(tǒng)，另外一組來自PCS系統(tǒng)。每組包括16個噴淋支管和噴淋頭，分別布置在SFP的西側(cè)和東側(cè)墻體上，噴淋頭的布置稍低于操作平臺，標高約為134英尺。該噴淋管線接自廠區(qū)消防管網(wǎng)，該管線上設置有一個手動隔離閥，該閥位于核輔助廠房12361房間，需要運行時，操縱員手動打開該閥，將輔助廠房消防管網(wǎng)的消防水供到尺寸3英寸的噴淋集管上，共提供約為54m3/h的流量用以SFP噴淋。

4.各種運行工況下的分析與思考

4.1火災時消防水系統(tǒng)運行的思考

目前設計的消防儀控系統(tǒng)為非抗震級，不具備抗震能力，當發(fā)生SSE，考慮其不可用，需要運行人員現(xiàn)場確認火情，并利用抗震立管和消防栓手動滅火。而在發(fā)生SSE時必須可用以確保安全停堆的系統(tǒng)設備包括PXS、RCS、SGS、安全殼隔離閥，PMS、1E級IDS等，一旦這些設備區(qū)域發(fā)生火災，在無消防儀控報警的情況下需要操作人現(xiàn)場確認，這在實際過程會增加運行工作量，實施起來難度也較大，不利于火災的及時撲滅。

4.2嚴重事故進行安全殼內(nèi)噴淋運行的思考

在停堆時為了保證安全殼內(nèi)的消防，安全殼隔離閥V050由運行人員手動打開，為安全殼內(nèi)立管供消防水，此時安全殼內(nèi)消防管網(wǎng)處于充壓狀態(tài)，而噴淋管線上只有氣動閥V701保持關閉，一旦發(fā)生失去壓縮空氣V701失效打開或V701泄漏時，消防水就經(jīng)過噴淋管線和噴頭向安全殼內(nèi)噴淋，對于正在進行換料的換料水池，會產(chǎn)生誤稀釋，導致?lián)Q料水池內(nèi)的硼濃度降低。為了防止這種可能發(fā)生的誤噴淋，造成對換料水池的誤稀釋，在打開安全殼隔離閥V050之前可以手動關閉V701上游的手動閥V700，進行隔離，但V700閥門位于安全殼內(nèi)，操作時需進入安全殼建議將V701上游的手動閥V700設置成電動閥，正常保持打開狀態(tài)，在停堆換料或安全殼內(nèi)發(fā)生火災需要打開安全殼隔離閥V050時，由操縱員主控室手動關閉電動閥，保證噴淋管線的可靠隔離既可保證正常運行時安全殼噴淋的可靠隔離，又可保證在堆芯降級的嚴重事故后期，安全殼噴淋的可靠運行。

4.3CCS兩列全部喪失時為RNS換熱器補水運行工況的思考

FPS向RNS換熱器供應的冷卻水流量最初設計為600gpm（138m3/h），因無法滿足AP1000在停堆后的堆芯衰變熱導出要求，最終西屋將數(shù)據(jù)變更為1100gpm（250m3/h），堆芯余熱導出所需水量與停堆后時間關系如圖3，1100gpm的流量在停堆后72小時可保證將反應堆從安全停堆模式4工況冷卻到冷停堆模式5工況并維持在冷停堆狀態(tài)。單臺消防泵的容量為454m3/h，可滿足流量要求，但是為FPS水箱補水的RWS系統(tǒng)的補水能力只有625gpm（141m3/h），無法維持RNS換熱器1100gpm的冷卻流量要求，從停堆后72小時到冷態(tài)后的210小時內(nèi)，RWS水量不足以保持冷停堆狀態(tài)（如表1），西屋設計中并沒有設置另外的補水水源，只是使用移動式空氣冷卻器通過RNS換熱器的FPS供水管道供水和排水口的消防軟管與RNS換熱器相連，進行冷卻，但是在堆芯余熱導出的最初階段由于熱負荷較大導致的移動式冷卻器尺寸較大，不便移動并無法在換熱器房間內(nèi)布置，只有在FPS對堆芯冷卻到一定階段，衰變熱降低時才使用容量較小、尺寸較小的移動式冷卻器。對于使用多少容量和尺寸的移動式換熱器，具體何時投入使用設計中并沒有說明。建議此時采用臨時泵和接管從其他水源取水為消防水箱補水，如PCCAWST水箱和DWS除鹽水箱，或使用消防水車對消防水箱補水。

5.總結和建議

以上對AP1000消防水系統(tǒng)的各種工況下的運行特點及思考，從中可以看出AP1000的消防水系統(tǒng)相比國內(nèi)其他核電站不論是在系統(tǒng)布置和系統(tǒng)運行上都有較大不同，AP1000消防水事故工況下作為一種備用水源，系統(tǒng)功能較多，與其他系統(tǒng)的接口也比較多，運行中出現(xiàn)問題的幾率也相應增加，因此在今后的運行中應該注意和可以改進的幾點有：

1）日常運行中首先要保證消防水的水質(zhì)，因為消防水系統(tǒng)在機組正常運行時處于備用，管網(wǎng)里面的水為“死水”，容易腐蝕生成雜質(zhì)，使消防水質(zhì)惡化，因消防水事故工況下作為一種備用水源，系統(tǒng)功能較多，因此在正常運行時除了進行加藥保證水質(zhì)外，還應定期打開末端的手動閥，進行排水，避免水質(zhì)進一步惡化。

2）與各系統(tǒng)之間的接口較多，包括安全殼噴頭、SFP噴頭、CCS換熱器的相連，正常運行處于備用時應做好在線及相應隔離措施，避免不必要的誤動作。針對消防水系統(tǒng)的各種事故運行工況下的規(guī)程還不是很完善，今后應進一步完善針對以上幾種事故下運行規(guī)程。

3）建議配置氣體穩(wěn)壓系統(tǒng)，氣體穩(wěn)壓在國內(nèi)其他核電站中使用較多，并且經(jīng)驗表明運行良好。氣體穩(wěn)壓系統(tǒng)包括穩(wěn)壓罐和為其補水補氣的補水泵、空壓機、緩沖罐，維持在備用狀態(tài)，滿足火災初期的滅火要求；相比于電動穩(wěn)壓泵，在日常運行的經(jīng)濟性較好。

4）建議將安全殼內(nèi)噴淋管線上在V701的上游手動閥V700設為常開的電動隔離閥，保證正常運行時安全殼噴淋的可靠隔離，特別是停堆換料期間防止對換料水池的誤稀釋。

參考文獻

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