淺析三門核電廠設(shè)備冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行失效和處理措施

王文武

【摘 要】三門核電是全球首座三代核電技術(shù)AP1000核電廠，與傳統(tǒng)成熟的壓水堆核電廠技術(shù)最大不同是安全系統(tǒng)使用了“非能動(dòng)”技術(shù)。設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（CCS）雖然不是安全相關(guān)，但作為縱深防御系統(tǒng)能夠在事故情況下協(xié)助“非能動(dòng)系統(tǒng)”更快更好地緩解和終止事故。在正常運(yùn)行和停堆換料期間，CCS運(yùn)行也是保證電廠發(fā)電或余熱導(dǎo)出的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所以核電廠操縱員必須熟練掌握CCS系統(tǒng)運(yùn)行，包括失效現(xiàn)象及處理措施，保證電廠安全運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】CCS；失效現(xiàn)象；處理措施

Analyses of Sanmen Nuclear Plant Component Cooling System Operation Failures and Solutions

WANG Wen-wu

（Sanmen Nuclear Power Company Ltd.， Sanmen Zhejiang 317112， China）

【Abstract】Sanmen nuclear power is the worlds first third generation nuclear power technology AP1000 nuclear power plant. Compared with traditional pressurized water nuclear power plant， the biggest difference of Sanmen nuclear power is“passive”technology used in safe systems. Although Component Cooling Water System（CCS）is not safe related， it is a defense system in depth to assist the passive systems faster and better in mitigation and termination of the accident. In the normal operation and during refueling time， CCS operation also is a key to ensure the power generation and decay heat out of the reactor. So nuclear power plant operators must be familiar with the CCS system operation， including the failure phenomenon and solutions to ensure the safe operation of the power plant.

【Key words】CCS； Failure phenomena； Solution

0 引言

眾所周知，核電廠產(chǎn)生的熱量中只有一部分用于發(fā)電，大部分熱量被各種冷卻水帶走，例如電廠正常功率運(yùn)行期間乏汽的熱量在凝氣器中被海水帶走，停堆冷卻第二階段一回路冷卻劑的熱量通過(guò)余熱排出熱交換器（簡(jiǎn)稱RNS）被設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CCS）帶走。

1 系統(tǒng)功能

三門核電廠CCS系統(tǒng)主要是帶走電廠衰變熱和各種負(fù)荷設(shè)備產(chǎn)生的熱量，將熱量傳遞給最終熱阱——大海（三門核電正常運(yùn)行和停堆的最終熱阱為大海，事故期間最終熱阱為大氣）。按照設(shè)計(jì)，CCS系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)安全功能，縱深防御功能和非安全相關(guān)功能。

1.1 安全功能

CCS系統(tǒng)三個(gè)安全殼電動(dòng)隔離閥在收到安注信號(hào)（S信號(hào)）或主泵軸承水溫度高2信號(hào)后會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，從而隔離CCS安全殼管線，防止安全殼內(nèi)放射性物質(zhì)釋放到環(huán)境中。

1.2 縱深防御功能

電站正常冷卻期間向RNS供應(yīng)冷卻水，避免失去RNS余熱排出能力而觸發(fā)電站非能動(dòng)熱交換器（簡(jiǎn)稱PRHR）；換料時(shí)通過(guò)RNS排出乏燃料余熱，避免觸發(fā)自動(dòng)降壓系統(tǒng)第四級(jí)（簡(jiǎn)稱ADS 4）和安全殼內(nèi)置換料水箱（簡(jiǎn)稱IRWST）低壓注射；向化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CVS）補(bǔ)水泵小流量循環(huán)供應(yīng)設(shè)冷水，以避免RCS泄漏時(shí)失去CVS補(bǔ)水從而導(dǎo)致非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)動(dòng)作；向乏燃料冷卻器供應(yīng)冷卻水，從而防止失去乏池冷卻功能。

1.3 非安全相關(guān)功能

在正常運(yùn)行期間，從電廠設(shè)備中排出熱量（如主泵外置熱交換器、CVS下泄熱交換器）；作為放射性流體釋放的屏障；作為防止廠用水泄漏到安全殼和一回路中的屏障；在PRHR運(yùn)行期間，通過(guò)RNS冷卻IRWST；事故后RNS冷卻一回路堆芯時(shí)提供冷卻水。

2 系統(tǒng)流程（圖1）

從CCS系統(tǒng)簡(jiǎn)圖可知，CCS是一個(gè)封閉系統(tǒng)，能夠向安全殼、輔助廠房和汽機(jī)廠房的各種熱負(fù)荷提供冷卻水，并且CCS在電廠任何工況下都必須運(yùn)行，例如功率運(yùn)行期間從主泵外部熱交換器導(dǎo)出主泵熱量，停堆期間通過(guò)RNS熱交換器導(dǎo)出堆芯衰變熱，連續(xù)向乏燃料系統(tǒng)冷卻器提供冷卻水導(dǎo)出乏燃料衰變熱。三門核電廠規(guī)定CCS系統(tǒng)每年不可用的時(shí)間在1.5小時(shí)以下，也就是說(shuō)CCS在電廠設(shè)計(jì)的60年壽期內(nèi)幾乎要一直可運(yùn)行，所以需要確保該系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3 CCS失效現(xiàn)象及處理措施

3.1 失效模式一：運(yùn)行的CCS泵故障跳泵

現(xiàn)象：CCS運(yùn)行模式根據(jù)電廠工況可分為一列或兩列運(yùn)行。在電廠正常運(yùn)行工況時(shí)，由于一回路設(shè)備冷卻熱負(fù)荷沒(méi)有停堆時(shí)大（計(jì)算得出正常運(yùn)行時(shí)所需CCS設(shè)冷水流量為2435m3/h，停堆96小時(shí)后所需CCS流量為3738m3/h），所以一臺(tái)泵運(yùn)行，另外一臺(tái)泵處于備用狀態(tài)。若運(yùn)行泵故障跳泵，去往CCS各個(gè)用戶設(shè)冷水流量迅速下降，主泵外置熱交換器、定子、CVS下泄流等溫度由于失去了冷卻將會(huì)迅速上升。

處理措施：設(shè)計(jì)上當(dāng)CCS流量下降到1136m3/h，由流量低信號(hào)觸發(fā)備用泵自啟動(dòng)，三門核電《運(yùn)行人員行為規(guī)范》規(guī)定操縱員在收到運(yùn)行泵跳泵信號(hào)后要迅速檢查備用泵是否啟動(dòng)，若自動(dòng)啟動(dòng)不成功要立即手動(dòng)啟動(dòng)。此外，對(duì)于該失效模式，備用泵啟動(dòng)后是否能夠恢復(fù)冷卻水還基于泵出口橋管閥是否處于開啟狀態(tài)，該閥為手動(dòng)閥，正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)為運(yùn)行隔離鎖開狀態(tài)，以確保備用泵啟動(dòng)后系統(tǒng)正確在線。操縱員在確認(rèn)備用泵啟動(dòng)和流量正常后還需要進(jìn)入異常運(yùn)行規(guī)程AOP-317（喪失設(shè)備冷卻水）進(jìn)行檢查。

3.2 失效模式二：CCS用戶熱交換器內(nèi)漏

從CCS系統(tǒng)各用戶運(yùn)行的壓力分析（CCS系統(tǒng)運(yùn)行壓力為0.7MPa左右），發(fā)生內(nèi)漏的設(shè)備只有：主泵外置熱交換器/主泵定子冷卻夾套（15.4MPa），RNS熱交換（RNS剛投入時(shí)4MPa左右），CVS下泄熱交換器（15.4MPa），SFS熱交換器、CVS小流量循環(huán)熱交換器等。這里只分析前面三個(gè)用戶。

3.2.1 主泵外置熱交換器/主泵定子冷卻夾套內(nèi)漏

現(xiàn)象：發(fā)生內(nèi)漏后，主控室最直接的現(xiàn)象是CCS波動(dòng)箱液位升高、CCS系統(tǒng)放射性上升，出現(xiàn)放射性高報(bào)，發(fā)生內(nèi)漏的被冷卻用戶溫度升高。內(nèi)漏使主泵軸承水溫度上升，可能會(huì)超過(guò)停堆定值（85℃）；主泵冷卻水入口流量低報(bào)，出口流量高報(bào)，入口出口流量偏差大報(bào)警；一回路冷卻劑系統(tǒng)穩(wěn)壓器液位下降，CVS自動(dòng)補(bǔ)水可能啟動(dòng)?；谏鲜鲞@些現(xiàn)象，操縱員基本可以確定主泵外置熱交換器或主泵定子冷卻夾套發(fā)生了泄漏。

處理措施：由于三門核電不允許偏環(huán)運(yùn)行（正常運(yùn)行期間四臺(tái)主泵都是需要運(yùn)行），所以需要操縱員緊急停堆，停四臺(tái)主泵（若未及時(shí)手動(dòng)停堆，主泵軸承水溫度高2信號(hào)也會(huì)自動(dòng)停堆，延時(shí)停主泵）。手動(dòng)關(guān)閉主泵設(shè)冷水出口隔離閥，確認(rèn)CCS系統(tǒng)安全殼隔離閥關(guān)閉，手動(dòng)關(guān)閉CVS下泄隔離閥，防止安全殼內(nèi)失去設(shè)冷水導(dǎo)致CVS樹脂床進(jìn)入高溫的冷卻劑損壞。此外，主控室操縱人員要提醒無(wú)關(guān)人員不要靠近CCS管路，此時(shí)管路中有放射性流體流動(dòng)。

3.2.2 CVS下泄熱交換器泄漏

現(xiàn)象：CVS下泄熱交換器CVS側(cè)的壓力即為一回路冷卻劑系統(tǒng)的壓力。CVS下泄熱交換器泄漏將造成CVS內(nèi)的冷卻劑泄漏到CCS系統(tǒng)中，CVS下泄熱交換器出口溫度升高，可能會(huì)觸發(fā)高溫報(bào)警。CCS系統(tǒng)冷卻CVS下泄熱交換器的支路由于下泄流的漏入，溫度也會(huì)升高，此外，由于該支路冷卻水隔離閥是CVS側(cè)下泄流溫度控制的，溫度升高，該閥門開度越來(lái)越大。（如果CVS支路流量達(dá)到高報(bào)136m3/h系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為有泄漏，該閥會(huì)全關(guān)）。此泄漏也是一回路冷卻劑系統(tǒng)泄漏，所以穩(wěn)壓器的液位也會(huì)下降。

處理措施：對(duì)于CVS下泄熱交換器泄漏，只有采取隔離CVS凈化流才能隔離泄漏。對(duì)于三門核電廠來(lái)說(shuō)，由于主泵不需要軸封水，所以不需要連續(xù)的CVS上充下泄流，CVS凈化流短時(shí)間內(nèi)是允許隔離的，但CVS凈化流隔離后，由于一回路冷卻劑喪失了凈化，水質(zhì)逐漸會(huì)惡化，達(dá)到技術(shù)規(guī)格書規(guī)定的水質(zhì)限值時(shí)電站將不能繼續(xù)運(yùn)行。所以失去CVS凈化流后要增加對(duì)一回路冷卻劑取樣頻率，防止RCS水質(zhì)超過(guò)限值。

3.2.3 RNS熱交換器泄漏

三門核電RNS系統(tǒng)與其它核電廠RNS系統(tǒng)相似，都是在電站一回路壓力小于3.1MPa，溫度小于177℃時(shí)投入的。在投入之前，CCS系統(tǒng)已向RNS熱交換器供冷卻水，此時(shí)兩個(gè)系統(tǒng)的壓差為3個(gè)MPa， 所以一旦泄漏也會(huì)造成比較大的后果。

現(xiàn)象：RNS熱交換器泄漏會(huì)造成CCS冷卻支路溫度上升，冷卻支路流量上升，由于此時(shí)RNS連接一回路冷卻劑系統(tǒng)，所以CCS系統(tǒng)中放射性也會(huì)上升。

處理措施：RNS熱交換器泄漏時(shí)，如果此時(shí)RCS壓力大于1.03MPa，由于CCS冷卻RNS熱交換器支路上設(shè)置了安全閥，所以一回路冷卻劑會(huì)通過(guò)此安全閥向安全殼排放冷卻劑。處理措施關(guān)鍵為進(jìn)行RNS隔離，即停止兩臺(tái)RNS泵，關(guān)閉RNS泵入口閥及RNS安全殼隔離閥。根據(jù)電廠的模式執(zhí)行AOP-343（喪失正常余熱排出）或SDP-2（停堆時(shí)喪失RNS響應(yīng)）。如果RNS壓力小于1.03MPa，只需要停止泄漏列RNS泵，在線另一列RNS即可。上述兩種情況下隔離RNS后都需要派遣現(xiàn)場(chǎng)值班員關(guān)閉CCS側(cè)隔離閥。

3.3 失效模式三：CCS系統(tǒng)外漏

現(xiàn)象：CCS產(chǎn)生外漏的系統(tǒng)范圍較廣，總體概括可分為兩種：不可隔離外漏和可隔離外漏。CCS發(fā)生內(nèi)漏時(shí)主要的現(xiàn)象有：波動(dòng)箱液位下降，補(bǔ)水閥開啟，除鹽水系統(tǒng)（DWS）向波動(dòng)箱補(bǔ)水；CCS水裝量減少，冷卻能力下降，母管溫度會(huì)上升；被冷卻負(fù)荷由于CCS冷卻能力下降，溫度會(huì)上升，主泵軸承水溫度上升到85℃還會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)堆緊急停堆和停泵信號(hào)；泄漏嚴(yán)重時(shí)，波動(dòng)箱液位低于5%后為了保護(hù)CCS泵會(huì)觸發(fā)泵跳閘。

3.3.1 不可隔離外漏的處理措施

根據(jù)三門核電CCS管線布置，CCS總回水母管及各廠房回水支管母管（CCS泵入口隔離閥之前）、總供水母管及各廠房供水支管母管（CCS熱交換器出口隔離閥之前）發(fā)生泄漏是無(wú)法通過(guò)關(guān)閉閥門隔離，只能進(jìn)行帶壓堵漏。如果帶壓堵漏不成功并且CCS補(bǔ)水也無(wú)法足夠補(bǔ)償泄漏，操縱員最終只能是停堆、停運(yùn)所有主泵和CCS泵。雖然三門核電廠CCS不是安全相關(guān)系統(tǒng)，但喪失CCS的后果對(duì)電廠來(lái)說(shuō)還是比較嚴(yán)重的：影響電廠縱深防御功能（如影響CVS、RNS正常運(yùn)行）；導(dǎo)致電廠失去儀用壓空（儀用壓空由CCS系統(tǒng)提供冷卻水），電廠氣動(dòng)閥動(dòng)作；導(dǎo)致乏池失去冷卻，水溫上升。所以必須盡快修復(fù)泄漏，重新啟動(dòng)CCS。

3.3.2 可隔離外漏的處理措施

除了上述不可隔離泄漏范圍外，其它CCS設(shè)備管線范圍均為可隔離泄漏。對(duì)于可隔離泄漏，發(fā)現(xiàn)泄漏后可通過(guò)關(guān)閉相關(guān)閥門隔離泄漏。對(duì)于該泄漏，有三種特殊情況：如果泄漏是主泵外置熱交換器、主泵定子冷卻夾套或主泵變頻器冷卻水管線，為了保護(hù)主泵（泄漏后仍有一部分流量供向主泵），需要在反應(yīng)堆停堆、主泵停運(yùn)后再隔離泄漏點(diǎn)；如果是CVS泵、SFS熱交換器、RNS熱交換器等負(fù)荷的冷卻水管線需要切換備用列運(yùn)行（如CCS供冷卻水從CVS A列切換到B列）；如果泄漏點(diǎn)發(fā)生在CCS熱交換器則需要切換CCS熱交換器，同時(shí)重要廠用水（SWS）也要重新在線。

4 小結(jié)

雖然三門核電采用第三代AP1000核電技術(shù)，事故工況不需要能動(dòng)設(shè)備運(yùn)行，但能動(dòng)的縱深防御設(shè)備對(duì)于加快事故緩解和終止有重要意義，CCS提供冷卻水是能動(dòng)設(shè)備運(yùn)行的前提。此外，電站正常運(yùn)行期間必須有CCS運(yùn)行才能正常發(fā)電，停堆換料期間CCS冷卻RNS導(dǎo)出堆芯衰變熱也是唯一能動(dòng)手段。所以電站運(yùn)行人員必須非常了解CCS各種失效模式及應(yīng)對(duì)措施，才能在CCS發(fā)生異常情況下及時(shí)處理，解決問(wèn)題。

【參考文獻(xiàn)】

[1]林誠(chéng)格，郁祖盛，歐陽(yáng)予.非能動(dòng)安全先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)[M].原子能出版社，2010.

[2]張小冬.AP1000核電廠核島系統(tǒng)初級(jí)運(yùn)行[M].原子能出版社，2011.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]