淺析滿功率下常規島儀表控制用壓縮空氣喪失后的機組狀態控制

張 軍

(海南核電有限公司 運行處，海南 海口 570100)

1 問題的提出

在昌江核電廠的參考電站秦山二期1 號機組曾經發生過當1 號機組滿功率運行時，工作人員在解除臨時電源TSD 時，不慎將該臨時電纜牽扯到1SAP067VA（常規島儀表控制用壓縮空氣總閥）的本體控制閥，導致1SAP067VA 本體控制閥關閉。在12:41 分左右，1SAP067VA由于喪失控制壓空后完全關閉，常規島儀表控制用壓縮空氣壓力開始下降。13:00 左右，運行人員成功找到關閉原因，開啟了旁路閥，恢復了常規島儀表控制用供氣壓力，避免了氣動執行機構誤動作而導致的停機停堆事件地發生，從而挽救了機組。此次事件常規島壓空壓力最低下降至0.69MPa（執行機構應該至少保證0.5MPa 以上的控制氣源壓力）。所以通過該事件的分析，對昌江核電廠今后的設計和運行都有借鑒意義。

2 昌江核電廠1 號機組SAR 系統設計簡介

儀表用壓縮空氣分配系統的功能是為核電站各廠房的氣動控制裝置提供所需的儀表和控制用壓縮空氣。在正常工況下，儀表用壓縮空氣是靠位于ZC（空氣壓縮機廠房）廠房內的主空氣壓縮機提供的，而后通過位于核島電氣廠房內的干燥過濾器進行處理。在四臺主壓縮機均發生故障時，由位于核島電氣廠房內的應急空壓機提供氣源。儀表用壓縮空氣分配系統包括三個子系統：

●核島子系統：

直接由SAP 系統供氣。每堆有一個供氣管網。兩堆在核輔助廠房中的公用設施由一個管網供氣。

●常規島子系統：

直接由SAP 系統供氣。在空氣壓力下降時，為保證核島用氣，在管路上設有一只背壓控制閥（SAP067VA）用于限制核島回路中氣體壓力的降低。本子系統在每座常規島廠房中分為兩個供氣管網：一個供氣管網采取總環管的形式，其支管通向汽機廠房內重要用氣場所的分配支管；另一個管網向汽輪機蒸汽旁路閥區供氣。

●BOP 子系統：由常規島SAR 系統供氣，管網直接向BOP 的不同用氣點供氣。

常規島進氣管網上配有兩個儲氣緩沖罐（1SAR101BA 和1SAR102BA），由上游的1SAP067VA 供氣。通過兩個逆止閥向下游管網供氣。該管網的一個分支向另一個小儲氣罐供氣（1SAR103BA），該罐通過一個逆止閥向常規島蒸汽旁排系統獨立供氣。供氣管網的另一個分支向1SAR104BA 供氣，該罐的用戶是汽機抽氣逆止閥。配備的貯氣罐，用以補償在瞬態運行中的壓力變化，每臺貯氣罐的上游管路上都安裝有止回閥，以便在上游回路壓力降低時把管道隔離，因而即使發生有限的壓力下降，緩沖罐仍將滿足控制裝置的用氣要求，持續的時間隨用戶而變化。常規島正常的耗氣流量為350m3/h STP，最大耗氣流量為480m3/h STP，由于1 號機常規島壓空正常運行時也給BOP 子系統供氣，而BOP 子系統的耗氣量為150m3/h STP，因此正常工況下1號常規島的壓縮空氣耗氣量為500m3/h STP。儀表用壓縮空氣分配系統的技術參數為：最高壓力：1.0MPa；最低壓力：0.68MPa；最高溫度：50℃；壓力露點：－20℃。

該系統正常運行時，主空壓站的四臺空壓機中的一臺連續運行，另一臺間歇運行，以保證SAT、SAR 系統的正常供氣。供氣管網的壓力變化范圍是0.9MPa 到1.0MPa，其中從汽輪機廠房來的BOP 管網的壓力變化范圍是0.78MPa 到1.0MPa。故障情況下，如果其中一臺機組的SAP 貯氣罐002BA 的壓力降到0.68MPa 表壓時，第一臺應急壓縮機自動啟動，降到0.66MPa 表壓時，第二臺應急壓縮機自動啟動，同時啟動干燥器。如果該表壓值低于0.58MPa 時，為優先保證核島用氣，向常規島和BOP 供氣的管路將被自動切斷，同時在主控室報警。若BOP 回路中壓力下降，則在PX 泵房、除鹽水廠房YA、輔助鍋爐房VA等BOP 子項內可由緩沖罐暫時維持其工作壓力。

3 喪失壓空后各系統響應分析

通過事件分析發現常規島整體喪失壓空的可能性還是存在的，而且核電廠并沒有針對這種故障的應對規程，所以有必要對常規島整體喪失壓空的風險和應對作分析，以提供在一旦出現這種故障后的機組狀態控制方法。在常規島儀表控制用壓縮空氣系統設計方面，往往也沒有核島那樣嚴謹保守。當前的設計是，一旦常規島儀用壓空喪失，僅SAR201MP 能夠觸發紅報1SAR700AA(常規島儀表控制用壓縮空氣壓力低)，而且其報警壓力值僅0.5MPa。一般情況下，氣動閥門的控制氣源壓力在0.6MPa 以上尚可維持其功能，但是一旦下降至0.5MPa，閥門的狀態會向其安全狀態轉換。若不采取緊急措施，后果會比較嚴重。該報警設置的太低，留給主控操縱員排查故障的時間明顯不足。下面就常規島儀用控制用壓空供氣的用戶，根據其重要程度逐步分析，而且假定該執行機構一旦喪失壓空就保持在安全位置，氣動閥的安全位置分為開、關、保位三種狀態。

按照昌江核電廠1 號常規島的設計，儀用壓空供氣的重要用戶主要有：兩臺蒸汽發生器給水調節閥、循環水系統、高壓加熱系統和低壓加熱器抽氣疏水系統、蒸汽旁路排放系統、汽水分離再熱器系統、常規島閉式冷卻水系統、凝結水系統、汽機本體疏水系統、主蒸汽管路疏水、蒸汽發生器排污系統、汽機軸封系統、主給水泵系統、輔助鍋爐系統、除鹽水生產系統、輔助蒸汽系統、蒸汽轉換系統等。

常規島一旦喪失壓空，SG 的四個給水調節閥會完全關閉（2004年秦山二期1 號機組的ARE031VL 壓空斷裂事件導致該閥完全關閉），兩臺蒸汽發生器主給水流量瞬間喪失，給水流量小于蒸汽流量，從而觸發SG 汽水失配＋SG 水位低信號，由該信號產生緊急停堆信號導致控制棒落下反應堆停閉，緊急停堆信號觸發后引發汽機緊急停機。

汽機停機期間，由于循環水系統虹吸破壞閥失氣開啟，循泵跳閘邏輯導致兩臺循泵自動跳閘且無法啟動。常規島輔助冷卻水系統無法從循環水泵吸水，導致輔助冷卻水泵出口壓力低信號觸發備用泵自動啟動又沒有入口壓力低緊急停運信號，若不及時干預，輔助冷卻水三臺泵會發生汽蝕現象而損壞。輔助冷卻水系統失去后常規島閉式冷卻水失去冷源，常規島三回路整體溫度在事故初期不可控上升。

高低加疏水排氣和汽水分離器正常疏水閥關閉，緊急疏水閥自動開啟全部排往凝汽器，凝汽器瞬間接受大量的高溫高壓疏水。但是由于循環水泵停運，熱量無法帶出，凝汽器內真空迅速上升，低壓缸爆破膜有可能會被頂開。在秦山二期1 號機組已有低壓缸爆破膜因緊急停機被頂開的先例。

蒸汽旁排系統通向凝汽器的12 個閥門失氣關閉，無法對反應堆進行冷卻。瞬態期間反應堆的冷卻主要依靠GCT-A（排大氣）進行。主控操縱員可提前用相關開關手動閉鎖GCT-C（排凝汽器）旁路功能，讓反應堆能夠快速停堆，防止壓空氣源不穩定造成反應堆過度冷卻和凝汽器鈦管沖擊損壞。

閉式冷卻水系統熱交換器旁路閥保持原開度，溫控閥全開，閉式冷卻水流量增加，由于失去冷卻溫度也不可控增加，增加的幅度隨氣溫而定，冬天可堅持較長時間。失氣后SRI081VD 全開，汽機潤滑油溫無法自動控制，需要現場人員通過手動閥控制。閉式冷卻水補水閥失氣開啟，SRI001BA（閉式冷卻水系統波動水箱）可能會滿溢，但考慮到后續可能要補泄冷卻，可暫時不理會。后續急需要冷卻的話，可以讓現場開啟部分閉式冷卻水管道輸水閥進行疏水，通過補泄的方式提供必要的冷卻，但是一定要控制好波動箱液位防止閉式冷卻水泵氣蝕（波動箱液位低無自動跳泵信號）。

凝結水系統兩個去除氧器的調節閥在喪失壓空后保持原位無法進行控制，而且此時還保持著滿功率下的大開度。在除氧器不再向SG供水的情況下，除氧器水位會不可控上升，主控操縱員應該及時關注除氧器水位，盡早關閉上游電動隔離閥控制好水位。后續控制除氧器水位，可用間斷開啟旁路電動閥的方式進行。一定要防止除氧器溢流閥因除氧器液位高而自動開啟，以避免大量高溫除氧水直接流入凝汽器造成背包損壞。機組瞬態初期，由于凝汽器和低壓缸溫度較高，減溫水、水幕保護、噴淋水氣動閥失氣打開，大量冷卻水的投入可能會導致凝結水備用泵的自動啟動。凝結水泵小流量閥由于具有保位功能，可能會由于喪失壓空而無法開啟，凝結水泵失去小流量保護，軸封冷卻器失去正常冷卻，凝泵小流量只能通過噴淋水的流量實現。操縱員應立即手動停運一臺凝結水泵。派現場操縱員開啟小流量旁路閥進行控制。同時嚴密監視凝結水泵的運行情況。凝汽器失去補水功能，關注凝汽器水位，不過停機后凝汽器一般運行在較高水位。

兩臺SG 的排污仍在繼續，凝結水冷卻排污的管線還在繼續供水，除氧器水溫還會不斷上升，排污水自動切至地坑，操縱員在必要時可以隔離蒸發器排污。若SG 液位低低引發輔助給水泵自動啟動，則排污會自動隔離。

汽機軸封進汽閥由于失氣全開，導致大量高壓主蒸汽不可控地進入汽機軸封蒸汽母管，必然對軸封產生巨大沖擊，軸封系統所有安全閥會開啟，高溫高壓蒸汽從0 米廠房（安全閥排放口對空）和8 米廠房的軸封處泄漏。蒸汽彌漫導致現場工作環境惡劣，人員受傷風險加大。

主給水隔離后，主給水泵已不向SG 供水，主給水泵依靠小流量閥提供保護，停機后蒸汽發生器主要依靠輔助給水泵供水，已無運行必要，應及早停運。

輔助鍋爐系統有4 個氣動閥將受到儀用壓縮空氣(SAR)系統喪失的影響，其中三個氣動閥(蒸汽出口閥0XCA001VV、鍋爐給水閥0XCA001VL、除氧器蒸汽增壓閥0XCA003VV)將關閉，除氧器水位控制閥將因失靈而打開。在這種情況下，鍋爐將繼續加壓，蒸汽不會流向輔助蒸汽系統。除氧器將注滿除鹽水(SER)直到它達到溢流管口。超出的水將流向排放系統，并且除氧器壓力和水溫將降低。鍋爐壓力將有所升高，直到控制系統使鍋爐關閉到最小輸出。當SAR 壓縮空氣恢復時，無需操作人員系統將自動繼續運行。失氣期間無法向相鄰機組提供輔助蒸汽，相鄰機組無法啟動還會影響擴建機組運行，三廢系統也無法正常運行。可及時切換壓空后重新投運鍋爐。

SDA 除鹽水生產系統在喪失壓空后無法正常生產，生產用水主要依靠水箱存水提供，若長時間無法恢復壓空會影響機組生產和運行，應先考慮隔離生活用水。氣源切換后能夠恢復除鹽水的生產。

9ASG 除氣器若在運行，喪失壓空后會自動轉為打循環狀態，除氣器無法正常運行。在輔助給水供水的工況下，輔助給水箱液位持續降低，若無法及時補水會降低至技術規范要求限值，機組控制難度增加，一回路狀態面臨進一步后撤。若通過相鄰機組補水，需要手動開始ASG161VD 或162VD,但是按照以往的經驗，手動開啟這兩個閥門，單單依靠運行人員的力量有難度，應盡快聯系機械配合。

STR 若在運行，由于STR005/006VV 失氣后會保持原位，STR037VL 保持原位，補水閥STR012VD 和STR017VV 關閉，會導致蒸汽轉換器失水，同過熱后安全閥可能會開啟，應手動關閉STR002/004VV 手動隔離閥。

4 結論

綜上所述，得出以下結論：在確定常規島整體喪失壓空后，作為常規島操縱員在確認汽機已經跳閘、電動油泵已啟動、發電機已經解列后執行如下關鍵操作：

步驟一：在確認已停堆，通知一回路操縱員后關閉主蒸汽隔離閥以防止高溫高壓蒸汽不可控的流向軸封系統、汽水分離器、輔助蒸汽轉換系統和除氧器系統。

步驟二：隔離主給水后，停運兩臺主給水泵，停運一臺凝結水泵，盡量減少常規島閉式冷卻水的熱負荷，保證有限的冷卻能力提供給汽機潤滑油系統和發電機氫氣冷卻系統，時刻監測SRI 水溫和GGR 油溫。確認兩臺循泵停運后，立即手動停運輔助冷卻水泵，防止泵空轉損壞。

1994年，中共中央、國務院頒布《國家八七扶貧攻堅計劃》，對“扶貧開發工作的目標、扶持對象、方法措施和時間期限”進一步加以明確，初步形成了一套完整的扶貧開發體系。

步驟三：隔離凝結水系統向除氧器系統流量控制電動閥，密切監視凝汽器水位、除氧器水位和蒸汽發生器水位。派現場開啟凝結水泵小流量旁路閥，盡量保持一臺泵運行用于排水和冷卻。

步驟四：汽機轉速一旦下降至2000rmp 后，停運所有真空泵，開啟真空破還閥CVI009/010VA 迅速破壞凝汽器真空，防止大量高溫高壓蒸汽涌入凝汽器后低壓缸爆破膜損壞，兩只真空破壞閥給凝汽器提供一定的泄壓通道，常規島現場執行破壞真空后的疏水閥切換操作。這里需要說明一點的是：即使在步驟一中已經隔離了主蒸汽隔離閥，但是由于蒸汽管道空間巨大，在主蒸汽隔離閥關閉后仍有大量余汽和殘壓，所以在真空降至0 后最好還是隔離軸封供汽。

步驟五：隔離蒸汽發生器排污。SG 水位和一回路平均溫度依靠GCT-A 和ASG 來控制。根據SRI 溫度，進行補泄降溫。汽機將至盤車轉速后，嚙合裝置失氣盤車無法自動嚙合，需要現場手動嚙合后啟動盤車。一回路操縱員執行I1 規程的相關步驟。聯系機械人員協助開啟ASG161VD 或者ASG162VD 隨時給輔助給水箱補水。

5 建議和改進措施

SAR201MP 報警定值設置過低（昌江核電廠定值手冊定值衛0.5MPa），若要等到常規島壓空壓力將至0.5MPa 時再進行干預往往已經來不及了。機組正常運行時常規島壓空母管壓力SAR201MP 一般都在0.78MPa 左右，即使執行壓空定期試驗壓力也不會降低到0.62MPa以下，所以建議將報警壓力提高至0.6MPa，給操縱員留出足夠的干預時間。

在常規島喪失壓空通過SAR700AA（常規島儀用壓空壓力低）進入報警規程后，無相應的運行故障規程執行來排查故障，建議增加一本應對的該事故的規程ISAR3（該規程已經編制完畢）。除此之外還應該細化報警卡的原因分析和操作內容項，把SAP067VA 關閉的風險寫進報警卡以提醒操縱員。

CRF 的虹吸破壞閥的上游建議增加帶逆止閥的供氣小罐或者直接改成電動閥，盡量推遲循泵的跳閘時間，以減少事故處理的難度，保護凝汽器及低壓缸爆破膜不受損壞和防止輔助冷卻水泵汽蝕。在昌江核電廠常規島安裝初期向華東院提交技改申請，若實在無法通過設計院修改的方式實現可以在后續廠內技改中增加該項改進。

建議在ISAR1 和ISAR2 故障規程中的定期監視一欄里面增加循環水泵失去后常規島的控制或者直接引入ISAR3 里面的操作內容進行控制，待機組狀態穩定后再同步執行ISAR1 或ISAR2 進行核島壓空查漏。刪除ISAR1 內軸封蒸汽切換至SVA 的操作，因為在破壞真空后會停軸封，此時切換軸封汽源已無必要，刪除該項操作內容減輕操縱員處理事故的強度并節省人力。

建議將低壓缸噴淋閥由失氣關改為失氣開比較安全，防止低壓缸末級葉片過熱損壞。在事故處理過程中需要汽機轉速為2000rpm 的時候破壞真空，由于核電汽機的末級葉片較長且面積也大，同時真空又很差，所以末級鼓風摩擦特別大，容易造成葉片過熱變形和動靜摩擦。

在容易被人為誤碰的重要閥門增加防護措施，例如在SAP067VA上安裝防護罩。

附錄1：論文中所用到系統名詞解釋

ARE:主給水流量控制系統

SAR:儀表控制用壓縮空氣分配系統

CFR:循環水系統

ISAR1:安全殼外壓縮空氣系統故障處理規程

ISAR2:安全殼內壓縮空氣系統故障處理規程

SDA:除鹽水生產系統

GGR:汽機潤滑頂軸盤車系統

SRI:常規島閉式冷卻水系統

STR:蒸汽轉換系統

SVA:輔助蒸汽分配系統

9ASG:輔助給水系統

CEX:凝結水抽取系統

GCT:汽輪機旁路系統

CET:汽輪機軸封系統

SAP:壓縮空氣生產系統

SEN:常規島輔助冷卻水系統

0XCA:輔助鍋爐系統

APA:主給水系統

附錄2：失氣后閥門狀態影響分析表

附錄3：昌江核電廠壓空系統簡圖

［1］胡琦.儀表用壓縮空氣分配系統手冊[S].海鹽：核電秦山聯營有限公司，2005:31-54.

［2］吳軍軼.主給水流量調節系統手冊[S].海鹽：核電秦山聯營有限公司，2005:48-61.

［3］胥強.高壓加熱器系統手冊[S].海鹽：核電秦山聯營有限公司，2005:38-60.

［4］高建飛.主給水泵系統手冊[S].海鹽：核電秦山聯營有限公司，2005:39-60.

［5］吳清，江光明.緊急停堆后遵循的通用操作規則[S].成都：中國核動力設計院，2001:10-11.

［6］李軍，李慶華.安全殼外儀表用壓空系統故障[Z].北京：中國核工業第二研究設計院，2000:15-18.