CPR1000核電機組主泵熱屏隔離設(shè)計分析與改進(jìn)研究

李增芬，孔 斌，陳蜀志

（深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，深圳 518000）

1 CPR1000核電機組主泵熱屏問題分析

CPR1000壓水堆核電廠的主泵熱屏是主泵的重要組成部分，其主要作用是阻止反應(yīng)堆冷卻劑的熱量向主泵的上部傳導(dǎo)［1］。主泵正常運行時，化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（RCV）向主泵注入冷的高壓軸封水保護(hù)泵軸承和軸封，熱屏起到輔助作用。軸封水中斷時，熱屏發(fā)揮保護(hù)泵軸承和軸封的主要作用，冷卻向上流動的一回路冷卻劑［2］。

熱屏把一回路部分冷卻劑中的熱量通過熱屏熱交換器傳遞給設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI）。熱屏熱交換器中的盤管壁面不但起到傳遞熱量的作用，而且是分隔一回路冷卻劑和設(shè)備冷卻水的壓力邊界，是一回路壓力邊界的組成部分。

由于一回路冷卻劑與設(shè)備冷卻水之間溫差極大，在事故條件下熱交換器中的盤管存在破裂的風(fēng)險。1990年，法國Fessenheim核電站（CPY機組）十年運行后核查2號主泵時即發(fā)現(xiàn)熱屏罩內(nèi)外及底部法蘭有裂紋，主泵熱屏上游逆止閥有卡澀現(xiàn)象。如果熱屏罩或熱屏法蘭破裂就可能導(dǎo)致熱屏冷卻熱交換器的破裂。如果設(shè)備冷卻水側(cè)管路上的閥門無法起到隔離作用，則相當(dāng)于一回路壓力邊界被破壞，產(chǎn)生安全殼旁通型LOCA而導(dǎo)致事故惡化。由于大亞灣、嶺澳一期的熱屏冷卻水系統(tǒng)設(shè)計均不滿足單一故障準(zhǔn)則的要求；嶺澳二期盡管實施過改進(jìn)，但仍存在一定缺陷；隨著福島事故后核安全局對在役機組的持續(xù)改進(jìn)要求越來越嚴(yán)格，類似福島全廠失電工況（SBO）后如何保證機組的安全成為全球機組改進(jìn)的重點方向。因此需要實施適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施，確保各種工況下主泵熱屏的有效隔離，提高機組運行安全性。

本文在CPR1000核電機組大亞灣、嶺澳一期和嶺澳二期核電站現(xiàn)有設(shè)計的基礎(chǔ)上，提出新的方案，比較分析改進(jìn)方案的可行性、改進(jìn)影響和改進(jìn)效果，最終提出可實施的改進(jìn)方案。

2 在運及在建機組設(shè)計現(xiàn)狀

2.1 大亞灣、嶺澳一期

大亞灣核電站、嶺澳一期核電站主泵熱屏熱交換器冷卻系統(tǒng)如圖1所示。熱屏熱交換器上游設(shè)有一臺止回閥，下游設(shè)有一臺氣動隔離閥。止回閥V1、氣動隔離閥V2及其之間的管道的設(shè)計壓力為17.23MPa（a）（與一回路冷卻劑系統(tǒng)的設(shè)計壓力相同），止回閥上游和氣動隔離閥下游的設(shè)備冷卻水管道設(shè)計壓力為1.3MPa（a）。一旦在熱屏熱交換器下游探測到高流量信號，即意味著主泵熱屏交換器破裂，此時閥門V2將會自動關(guān)閉以實施隔離，止回閥V1、氣動隔離閥V2及其之間的管道將成為一回路壓力邊界。

但如果考慮單一故障，即氣動隔離閥V2不能關(guān)閉，或止回閥V1故障卡塞，則相當(dāng)于隔離失效。一旦主泵熱屏熱交換器破裂，高壓的一回路冷卻劑就會進(jìn)入RRI系統(tǒng)管道的低壓部分，使得RRI系統(tǒng)位于安全殼外的管道或設(shè)備發(fā)生破裂，導(dǎo)致安全殼旁通型LOCA事故和放射性釋放。

圖1 大亞灣和嶺澳一期設(shè)備冷卻水冷卻主泵熱屏流程示意圖

2.2 嶺澳二期

2.2.1 方案描述

嶺澳二期為了滿足國家核安全局審查提出的單一故障準(zhǔn)則要求，實施的改進(jìn)方案描述如下：

（1）主泵熱屏上游RRI管線上的一臺止回閥改為兩臺串聯(lián)布置的止回閥，并設(shè)置相關(guān)閥門的定期試驗管線，如圖2所示。

（2）取消主泵熱屏下游RRI管線上的氣動隔離閥，增加兩臺串聯(lián)布置的電動閘閥，一個為A列供電，另一個為B列供電，同時要求兩列柴油機應(yīng)急供電。此兩臺閥門為常開閥，只有在主泵熱屏破裂的情況下（通過流量儀表MD探測設(shè)備冷卻水流量高來確定）才關(guān)閉。

（3）以上閥門和連接管道的設(shè)計都能承受一回路壓力，根據(jù)管道阻力適當(dāng)調(diào)整設(shè)備尺寸。

進(jìn)行上述設(shè)計技術(shù)改造后，可以實現(xiàn)設(shè)計基準(zhǔn)事故情況下對主泵熱屏實行完全隔離。

2.2.2 存在問題

主泵熱屏冷卻水管，在全廠失電的工況下，如果主泵軸封不能建立大于1.1m3／h的流量，根據(jù)狀態(tài)導(dǎo)向規(guī)程（SOP），需要在主控室手動關(guān)閉主泵熱屏RRI側(cè)隔離閥，以避免RRI泵重新投運時對主泵軸封造成熱沖擊導(dǎo)致?lián)p壞。由于主泵熱屏RRI側(cè)隔離閥均為電動閥，在全廠失電的情況下，這些閥門均失去動力電源，無法在主控室進(jìn)行操作，所以SOP程序中所要求的操作無法完成。即使應(yīng)急供電恢復(fù)后閥門即刻開始關(guān)閉，但由于該閥門的關(guān)閉時間為15s～20s，因此在RRI泵有效啟動后（應(yīng)急供電恢復(fù)后RRI泵延遲5s帶載），主泵熱屏可能仍未實現(xiàn)有效隔離。

2.3 在建CPR1000機組

嶺澳二期為中廣核集團(tuán)在建的CPR1000機組的參考電站，因此目前所有在建和在運的CPR1000其他項目，如紅沿河、陽江和寧德等核電站，主泵熱屏的隔離方式同嶺澳二期。

綜上所述，大亞灣、嶺澳一期和嶺澳二期的主泵熱屏熱交換器冷卻系統(tǒng)設(shè)計均存在不同程度的缺陷，應(yīng)當(dāng)實施改進(jìn)或優(yōu)化。

3 改進(jìn)技術(shù)方案及分析

3.1 大亞灣、嶺澳一期核電站改造設(shè)計

3.1.1 改造目標(biāo)

由圖1可知，大亞灣、嶺澳一期核電站主泵熱屏冷卻管線設(shè)計不滿足單一故障準(zhǔn)則，對其進(jìn)行改造需要解決以下問題：

（1）主泵熱屏故障時，隔離要求必須滿足單一故障準(zhǔn)則；

（2）根據(jù)福島事故后的經(jīng)驗反饋，全廠失電（SBO）工況下如何保證機組安全，提高對主泵熱屏隔離閥的可操作性。

3.1.2 改進(jìn)方案

3.1.2.1 改進(jìn)方案的總體思路

RRI系統(tǒng)冷卻用戶——主泵熱屏在大亞灣和嶺澳一期核電站，基于存在熱屏破裂且主泵熱屏隔離閥或止回閥不能關(guān)閉的情況，對大亞灣和嶺澳一期核電站的主泵熱屏RRI冷卻水管線進(jìn)行改進(jìn)，采取改進(jìn)方案如下：

（1）主泵熱屏上游RRI管線上的一臺止回閥改為兩臺串聯(lián)布置的止回閥，并設(shè)置相關(guān)閥門的定期試驗管線；

（2）在主泵熱屏下游RRI管線上的氣動隔離閥的基礎(chǔ)上，增加一臺串聯(lián)布置的電動閘閥，其供電列與原先氣動閥相反，同時要求柴油機應(yīng)急供電。此兩臺閥門為常開閥，只有在主泵熱屏破裂的情況下（通過流量儀表探測設(shè)備冷卻水流量高來確定）才關(guān)閉。對氣動閥門的功能沒有改變，所以不會影響其在SBO工況下的隔離功能。

（3）以上閥門和連接管道的設(shè)計都能承受一回路壓力。

進(jìn)行上述設(shè)計技術(shù)改造后，可以實現(xiàn)事故情況下對主泵熱屏實行完全隔離。

3.1.2.2 改進(jìn)方案的具體內(nèi)容

本改進(jìn)方案在保證了主泵熱屏被及時冷卻的前提下，能合理地避免主泵熱屏破裂時由于上游止回閥卡澀或下游氣動隔離閥故障不能關(guān)閉而造成的“安全殼旁通型LOCA事故”的發(fā)生，可以滿足單一故障要求。該改進(jìn)方案對設(shè)計及工程實施影響較小，可以實現(xiàn)。相關(guān)流程圖的修改參見圖3所示。

圖3 大亞灣、嶺澳一期核電站改造后流程簡圖

本改進(jìn)方案的具體內(nèi)容從工藝改進(jìn)和定期試驗方法兩個方面分別進(jìn)行詳述。

（1）主泵熱屏上游

將主泵熱屏上游RRI管線上的一臺公稱通徑為DN50的高壓止回閥V1改為兩臺串聯(lián)的公稱通徑為DN80的高壓旋啟式止回閥V1和V4；增加或取消DN50和DN80的管道，同時考慮管道上的異徑管的設(shè)置。

（2）主泵熱屏下游

主泵熱屏下游RRI管線的一臺公稱通徑為DN50的高壓氣動故障打開模式的截止閥V2，公稱直徑改為DN80，同時增加一臺常開的高壓電動閘閥V3。其中，V2供電維持不變，V3的供電與氣動閥保持相反，同時要求柴油機應(yīng)急供電。此兩臺閥門為常開閥，只有在主泵熱屏破裂的情況下（通過流量儀表探測設(shè)備冷卻水流量高來確定）才關(guān)閉。

通過調(diào)整設(shè)備和管道的尺寸，并設(shè)置異徑管，可以抵消由于增加閥門引起的壓力損失，因此該回路的水力學(xué)特性相對整個RRI系統(tǒng)沒有發(fā)生變化，即流量和回路壓差可保持一致，不影響RRI泵的揚程及回路其他用戶的流量分配。

（3）隔離閥驅(qū)動方式的確定

修改前，主泵熱屏下游隔離閥為氣動故障開閥門，如果保留此閥門控制方式不變，再增加一個同樣的閥門，那么在主泵熱屏破裂，需要隔離閥關(guān)閉時，如果由于氣源（非安全級）故障或其它共模故障，閥門處于開啟狀態(tài)，則不能保證隔離；如果將此兩氣動閥門改為故障關(guān)模式，可以保證事故狀態(tài)下的隔離，但在非事故狀態(tài)下（主泵熱屏沒有破裂），可能會由于氣源故障或其它故障導(dǎo)致閥門關(guān)閉，致使主泵熱屏失去冷卻水，影響機組的可用率。

考慮到上述因素，將主泵熱屏下游隔離閥新增的閥門驅(qū)動方式定為電動，兩個串聯(lián)的隔離閥分別由A、B列電源供電，并同時要求對新增的電動隔離閥柴油機應(yīng)急供電，滿足單一故障準(zhǔn)則，保證事故狀態(tài)下的隔離功能。

（4）止回閥定期試驗管線的確定

修改后為兩臺串聯(lián)的止回閥，需要對單臺閥門進(jìn)行試驗。在每臺止回閥上游分別增加定期試驗疏水管線，由一臺隔離閥和快速接頭組成，串聯(lián)閥門下游增加疏水管帽，可以對單個止回閥進(jìn)行隔離。

（5）雙串聯(lián)止回閥密封性定期試驗問題

改進(jìn)方案中在每個止回閥的上游都設(shè)置了疏水管線，并設(shè)有相關(guān)隔離閥和快速接頭連接；疏水管線不用的時候?qū)嵤└綦x的作用，在調(diào)試和運行維修過程中通過此隔離管線進(jìn)行止回閥門的試驗，來驗證止回閥的密封性問題，解決電站存在的運行隱患問題，使事故不發(fā)生或引起的后果減小到最低程度。

3.1.3 改進(jìn)分析

從分析順序和邏輯上來說，主泵熱屏隔離改造設(shè)計可行性方案研究主要包括以下三個階段的分析工作：

3.1.3.1 方案設(shè)計可行性分析

為了提高在運電站安全性，有必要重新論證實施改造之后布置的可行性，水力特性的影響，及電氣和儀控等是否滿足工藝要求，主泵熱屏隔離管線能否維持全廠SBO工況下的有效隔離。此階段工作通過國內(nèi)外經(jīng)驗反饋和運行程序和事故程序梳理來完成。

通過對電動和氣動隔離閥組實施多電源供電（正常電源、應(yīng)急電源和后備電源）的研究，分析現(xiàn)有的后備柴油機系統(tǒng)是否滿足供電要求，分析其在SBO工況下的事故應(yīng)急策略。

3.1.3.2 方案設(shè)計經(jīng)濟(jì)性分析

如果第一階段的分析工作表明，實施工程改造可以滿足運行安全要求，則應(yīng)開展第二階段的工作。工程改造方案應(yīng)考慮成熟性，優(yōu)先選用現(xiàn)有系統(tǒng)中采納的電動隔離閥門，同時分析后備柴油機的容量，以達(dá)到SBO工況下能夠保證主泵熱屏隔離閥的有效關(guān)閉，并從系統(tǒng)、布置、儀控、電氣、運行、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面論證其可行性。這種基于在運電站的工程改造，其難點在于尋找新增設(shè)備和管道的布置、檢修空間，柴油機容量是否滿足要求，新增的電氣、儀控設(shè)備是否會對其設(shè)計造成大的影響，是否會影響控制系統(tǒng)的較大變更。

3.1.3.3 可行性分析

（1）布置可行性分析

根據(jù)CPR1000核電機組核電廠廠房布置和設(shè)備布置進(jìn)行初步分析，按照圖3的改造方案可知，在主泵熱屏上游增加一臺止回閥及相應(yīng)的試驗管線，下游增加一臺電動隔離閥在布置上是可行的，布置圖如圖4所示。

圖4 初步布置方案圖

（2）水力計算可行性分析

按照圖4的布置方案設(shè)計，參照CPR1000核電機組核電廠RRI系統(tǒng)搭建的flowmaster水力模型，修改RRI／RCP局部回路水力模型，初步分析可知，新的改造設(shè)計的仿真流量可以滿足RCP冷卻流量要求，同時對其他用戶的影響很小可以忽略。RCP局部水力模型見圖5所示。

圖5 RCP／RRI局部水力模型示意圖

（3）單一故障分析

根據(jù)圖3所示，進(jìn)行上述設(shè)計技術(shù)改造后，主泵熱屏上、下游都增加了雙重隔離，可以實現(xiàn)在主泵熱屏故障情況下對主泵熱屏實行隔離的要求。并且，由于下游為一個電動隔離閥和一個氣動隔離閥，還滿足了多樣性要求。

（4）SBO工況分析

針對主泵熱屏隔離及其SBO工況下相關(guān)運行程序、事故處理程序進(jìn)行分析，原有的氣動閥門有蓄電池供電，在SBO工況下是可以進(jìn)行操作的，可以滿足隔離功能。

（5）儀控、電氣的可行性分析

每臺機組有三臺主泵，大亞灣和嶺澳一期核電站各兩臺機組，分別都是新增了6臺電動閥門，電動閥都是成熟應(yīng)用的，其用電量相比后備柴油機容量來講，影響不大，所以增加的用電需求不會影響后備柴油機的運行和功能要求，電氣實施可行。

該改進(jìn)方案相對嶺澳二期現(xiàn)有的改進(jìn)方案比較，控制“一臺氣動閥+一臺電動閥”新增的控制邏輯修改與“兩臺電動閥”相似度較大，基于嶺澳二期和CPR1000新機組的改進(jìn)經(jīng)驗，對現(xiàn)有大亞灣和嶺澳一期的控制平臺改造而言，儀控方案的實施是可行的。

（6）方案安全性、經(jīng)濟(jì)性分析

目前改造的方案新增的設(shè)備（止回閥、電動閥）和管道，在嶺澳二期核電站已經(jīng)成功應(yīng)用，所以對系統(tǒng)和機組的安全性沒有影響；新增的設(shè)備都是國產(chǎn)化設(shè)備，對經(jīng)濟(jì)性的影響比較小，相比安全和可靠性來講，可以接受。

3.2 嶺澳二期核電站改造設(shè)計

3.2.1 目標(biāo)

嶺澳二期核電站在設(shè)計初期，已經(jīng)按照國家核安全局要求進(jìn)行了改造，滿足了單一故障準(zhǔn)則。為了適應(yīng)福島事故后經(jīng)驗反饋，嶺澳二期核電站擬主要解決SBO工況下主泵熱屏隔離閥關(guān)閉問題以及解決SBO工況下主泵熱屏隔離閥可以操作的問題。

3.2.2 改進(jìn)方案

3.2.2.1 改進(jìn)方案的總體思路

RRI系統(tǒng)冷卻用戶——主泵熱屏在嶺澳二期核電站，基于存在熱屏破裂且主泵熱屏隔離閥或止回閥不能關(guān)閉的情況，冷卻水管線已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)改進(jìn)，但是為了滿足SBO工況下的隔離操作，需要作以下優(yōu)化改造：把主泵熱屏下游RRI管線上的兩臺電動隔離閥，其中一臺改為氣動隔離閥，同時該氣動隔離閥除了正常供電外，需要接蓄電池供電或水壓試驗泵汽輪發(fā)電機組（LLS）供電。該閥門為常開閥且故障模式為失氣開，在SBO工況下進(jìn)行操作，從而滿足隔離功能。

3.2.2.2 改進(jìn)方案的具體內(nèi)容

針對嶺澳二期核電站主泵熱屏冷卻水隔離的設(shè)計，將每條主泵熱屏冷卻管路下游的高壓電動閘閥V3，改為高壓氣動截止閥。相關(guān)流程圖的修改參見圖6所示。

圖6 嶺澳二期設(shè)備冷卻水冷卻主泵熱屏流程示意圖

工藝改進(jìn)包括：

（1）主泵熱屏下游

主泵熱屏下游RRI管線的一臺常開的高壓電動閘閥V3，改為一臺高壓氣動故障打開模式的截止閥。其中，V2供電維持不變，V3的供電與電動閥保持相反，同時要求加蓄電池或水壓試驗泵汽輪發(fā)電機組（LLS）供電。此兩臺閥門為常開閥，只有在主泵熱屏破裂的情況下（通過流量儀表探測設(shè)備冷卻水流量高來確定）才關(guān)閉。

閥門僅僅為驅(qū)動形式發(fā)生了變化，對該回路的水力學(xué)特性不產(chǎn)生影響，即流量和回路壓差保持一致，不影響RRI泵的揚程變化。

（2）隔離閥驅(qū)動方式的確定

修改前，主泵熱屏下游隔離閥為兩臺電動隔離閥門，如果保留此閥門控制方式不變，則SBO工況下，電動閥保持開的狀態(tài)，需要隔離時則無法隔離；目前如改為一個氣動閥和一個電動閥的組合，同時氣動閥由蓄電池或水壓試驗泵汽輪發(fā)電機組（LLS）供電，則可以滿足失電情況下的隔離功能。優(yōu)化后的設(shè)計既滿足單一故障，又滿足多樣性，還可以保證SBO工況下的隔離功能。

3.2.3 工作內(nèi)容

從分析順序和邏輯上來說，主泵熱屏隔離改造設(shè)計可行性方案研究主要包括以下三個階段的分析工作：

3.2.3.1 方案設(shè)計可行性分析

為了提高在運電站安全性，有必要重新論證嶺澳二期設(shè)備換型之后布置的可行性，水力計算的可行性及新增蓄電池或LLS系統(tǒng)容量是否滿足要求，主泵熱屏隔離管線能否維持全廠SBO工況下的有效隔離。通過對電動隔離閥組實施多電源供電（正常電源、應(yīng)急電源和后備電源）的研究，分析現(xiàn)有的后備柴油機LLS系統(tǒng)是否滿足供電要求，分析新增的蓄電池是否滿足事故運行要求。

3.2.3.2 方案研究經(jīng)濟(jì)性分析

僅考慮設(shè)備驅(qū)動方式的改變，對工程造價影響不大，采用局部增加電源的方式滿足SBO工況要求。利用現(xiàn)有電站設(shè)備后備柴油機LLS，僅從容量上考慮是否滿足要求。

3.2.3.3 可行性分析

（1）布置可行性分析

根據(jù)圖6的改造方案可知，在把主泵熱屏下游管線上一臺電動隔離閥換為一臺氣動隔離閥，主要考慮氣動頭的安裝、維修空間，初步分析在布置上是可行的。

（2）水力計算可行性分析

嶺澳二期修改的閥門只是驅(qū)動方式發(fā)生了變化，設(shè)備設(shè)計時只要求閥門阻力特性與之前一致，系統(tǒng)整個水力計算沒有影響。

（3）單一故障分析

根據(jù)圖6所示，在主泵熱屏下游RRI管線上的一臺電動隔離閥，改為一臺串聯(lián)布置的氣動截止閥，由與電動閥不同的系列供電，同時要求蓄電池供電。進(jìn)行上述設(shè)計技術(shù)改造后，增加了雙重隔離，可以實現(xiàn)在主泵熱屏故障情況下對主泵熱屏實行隔離的要求。并且，由于下游為一個電動隔離閥和一個氣動隔離閥，還滿足了多樣性要求。

（4）SBO工況分析

針對主泵熱屏隔離及其SBO工況下相關(guān)運行程序、事故處理程序進(jìn)行分析，氣動閥門有蓄電池供電，在SBO工況下是可以進(jìn)行操作的，可以滿足隔離功能。

（5）儀控、電氣的可行性分析

每臺機組有三臺主泵，嶺澳二期核電站各兩臺機組，6臺電動閥門改為6臺氣動閥，依據(jù)目前成熟應(yīng)用的氣動閥，每臺閥門供電要求為48V電源，需要的電功率很小，蓄電池可以滿足其用電要求；該用電量相比200kW LLS柴油機容量來講，不會影響LLS柴油機的運行和功能要求，電氣專業(yè)實施可行。

儀控專業(yè)反饋兩臺機組新增6臺閥門的控制，對現(xiàn)有嶺澳二期的DCS控制平臺改造來講是可以實施的，對儀控的影響可以接受。

（6）方案安全性、經(jīng)濟(jì)性分析

改造方案中涉及的設(shè)備（氣動閥）和管道，已有的核電站已經(jīng)成功應(yīng)用，所以對系統(tǒng)和機組的安全性沒有影響；新增的設(shè)備都是國產(chǎn)化設(shè)備，對經(jīng)濟(jì)性的影響比較小，相比安全和可靠性來講，可以接受。

4 結(jié)語

本文通過對CPR1000核電機組大亞灣、嶺澳一期和嶺澳二期核電廠主泵熱屏隔離改造的設(shè)計分析，可以得出，通過局部的改造計算分析，可以在現(xiàn)有設(shè)計的基礎(chǔ)上，滿足主泵熱屏在破裂時的隔離功能，同時又滿足在SBO失電情況下的隔離功能，保證壓力邊界的完整性和設(shè)備的可操作性。

［1］ 廣東核電培訓(xùn)中心編.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備［M］.北京：原子能出版社，2007.

［2］ 朱繼洲.壓水堆核電廠的運行［M］.北京：原子能出版社，2000.