“華龍一號”主控制室不可居留轉向遠程停堆站運行分析

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(中國核電工程有限公司，北京　100840)

核電廠的主控制室為操縱員提供了完備的控制手段，操縱員通常在主控制室完成對電廠狀態的監視和對設備的控制。然而，在發生影響操縱員在主控制室可居留性的情況(火災、煙霧等)下，操縱員無法在主控制室實施操作，為保證核電廠安全，需要轉到遠程停堆站操作。為實現上述功能，在核電廠中均配有專用的操作規程供操縱員在執行主控制室不可居留轉向遠程停堆站操作時使用。

然而，不同于使用模擬儀控技術的傳統遠程停堆盤的核電廠，新建“華龍一號”核電廠采用全數字化儀控技術。在傳統核電廠的遠程停堆盤上，受到布置空間的限制，只能實現主控制室中的部分功能；而數字化核電廠的遠程停堆站則不再受到布置空間的限制，其操縱員工作站與主控制室操縱員工作站的功能完全相同，原來傳統核電廠的主控制室不可居留轉向遠程停堆站的操作策略不再是保證核電廠運行安全性和經濟性的最佳選擇。在近年來新建的二代改進型核電機組中雖然也實現了數字化的全功能遠程停堆站，但是，主控制室不可居留轉向遠程停堆站的操作策略卻依然沿用傳統。

為此，本文提出一種與數字化核電廠設計對應的“主控制室不可居留轉向遠程停堆站策略”的分析方法，并基于此方法設計了一種改進型的主控制室不可居留轉向遠程停堆站的策略。充分利用數字化電廠的優勢，結合全功能遠程停堆站的特點，在主泵可運行時，采用強迫循環的策略，保證核電廠運行的安全性和經濟性。考慮主控制室撤離前電廠處于各種模式下的操作，針對不同的初始工況，采取不同的退防策略，擴展策略的適用范圍。

1　策略分析

1.1　策略分析原則

在進行相關運行策略的分析時，依據的設計原則如下：從工程現實考慮，對于那些發生概率極低的工況在分析中不予考慮。

1)由于主泵決定了機組在退防過程中所使用的策略，因此，主泵的可運行性需要單獨分析；

2)對于機組的每個運行模式，均需開展主控制室不可居留轉向遠程停堆站策略分析以得到最優的退防策略，且在分析中需綜合考慮主泵的可運行性；

3)對于機組的退防操作，針對每個初始運行工況，無需考慮相鄰工況的運行策略，為每個工況獨立設計最佳的退防策略；

4)需盡量復用已有的其他成熟規程(如故障運行規程以外的事故處理規程、總體運行規程等)的操作模塊。

1.2　策略分析方法

根據確立的分析原則，分析機組的各種初始工況。可得到所需設計的機組初始工況的清單，及每個初始運行工況對應的操作策略。并完成表1策略分析總表。

表1　策略分析總表Table 1　Strategy analysis general table

分析表1，如果相鄰工況的操作策略相同，將其合并，完成表2策略合并表。

表2　策略合并表Table 2　Strategy mergence table

表3　策略優先級表Table 3　Strategy priority table

根據不同工況下發生故障對機組的影響以及重要影響因素的影響，確定分級表中每條路徑的優先級，完成表3策略優先級表。優先級考慮的原則如下：

1)由于機組正常運行的時間較長，因此，為了節省診斷時間，正常運行工況診斷優先；

2)對于其他工況，當主回路溫度壓力較高時，機組的狀態更加危急，因此，在同等情況下按照高模式到低模式的順序進行診斷。

分析策略的優先級，對步驟進行合并優化，完成整體的故障處理策略。

通過綜合分析，評價設計結果是否滿足運行要求，如果不滿足，重新分析該操作策略的分析表，直至滿足運行要求。

2　主控制室不可居留轉向遠程停堆站運行策略設計

根據確立的分析原則，分析機組的初始工況。將核電廠運行模式劃分為：

模式1：功率運行(工況1)；

模式2：反應堆臨界及熱備用(工況2，工況3)；

模式3：用蒸汽發生器冷卻的停堆(工況4，工況5，工況6)；

模式4：用余熱排出系統冷卻的停堆(工況7，工況8)；

模式5：維修停堆(工況9，工況10，工況11，工況12)；

模式6：換料停堆(工況13)。

主控制室不可居留時，需要根據機組所處模式不同，采取不同的處理措施。需要將機組退防到一個較為安全的停堆狀態，盡快恢復主控制室功能，并切換回主控制室。

因為在模式3的熱停堆狀態下，反應堆處于次臨界狀態，是可以穩定的較為安全的停堆狀態，并且該狀態下一回路的溫度壓力較高，若主控制室功能恢復，切換回主控制室后，可盡快恢復機組滿功率運行。因此若機組初始工況處于模式1至模式3的熱停堆狀態時，需要將反應堆退防到模式3的熱停堆狀態。維持在熱停堆狀態，并恢復主控制室過程中，需要監測輔助給水池水位。若輔助給水池水容量降至需要冷停堆的規定限值，則熱停堆狀態不再是一個安全的停堆狀態，此時應后撤至模式5的冷停堆狀態。在冷停堆狀態下可在不卸出燃料組件的情況下，檢修一回路的設備，同時反應堆也適合啟動升溫，這一狀態也是重要的安全相關事件的后備模式。

若主控制室不可居留時，機組初始工況處于模式3(不含熱停堆)至模式4，則需要退防到模式5的冷停堆工況，將反應堆置于安全的停堆狀態并便于維修。

若主控制室不可居留時，機組初始工況處于模式5和模式6，此時一回路溫度壓力都很低，較為安全，因此可穩定在當前狀態。

此外，根據法規要求，需考慮在主控制不可居留時喪失廠外電源的工況。由于主泵決定了機組在退防過程中所使用的策略，因此在主控制室不可居留時，需針對主泵是否因為喪失廠外電停運而采取不同的退防策略。若因喪失廠外電源導致主泵不能運行，需要采取自然循環的方式降溫降壓。若主泵可運行，主控制室停堆后切換到遠程停堆站采取強迫循環的策略更為合理。

為了便于運行人員對機組的控制，在本運行策略中，盡量復用已有的其他成熟規程(如故障運行規程以外的事故處理規程、總體運行規程等)的操作模塊。

核電廠現有緊急停堆處理功能的規程模塊(簡稱為：E模塊，E模塊又分為Ea和Eb兩個子模塊，分別用于主泵不可運行工況和主泵可運行工況)。有自然循環冷卻一回路功能的規程模塊(簡稱為：Z模塊)。有用于機組啟停的總體規程模塊(簡稱為：G模塊)。因此退防策略中根據機組初始狀態的不同，使用Ea或Eb模塊將機組帶入熱停堆，使用Z模塊或G模塊將機組帶入冷停堆。

將操作策略相同的相鄰工況合并，根據策略優先級的確定原則，正常運行工況診斷優先，高模式工況較低模式工況優先，確定各路徑的優先級。

按照每條路徑的策略的優先級，對步驟進行合并優化，完成整體的主控制室不可居留轉向遠程停堆站策略。當發生主控制室不可用時，派遣一名操縱員至遠程停堆站。建立遠程停堆站與主控制室之間的通訊聯絡，手動停堆。離開主控制室，將機組的控制切換到遠程停堆站，確認遠程停堆站的投入與運行。根據主控制室不可用時是否因喪失廠外電導致主泵停運和機組所處的模式不同采取不同的處理措施。策略流程如圖1所示。

在完成初步整體的故障處理策略后還需對策略進行驗證確認，以對其進行綜合分析，評價設計結果是否滿足運行要求。

圖1　主控制室不可居留轉向遠程停堆站運行策略流程圖Fig.1　Operating strategy of moving to remote shutdown station when main control room is uninhabitable flow chart

3　主控制室不可居留轉向遠程停堆站運行策略確認

3.1　確認目的

確認工作使用設計驗證平臺為工具。通過策略確認可從更加接近實際的操作角度更全面地確認該運行策略的正確性和可執行性。

3.2　確認方法

主控制室不可居留時，若喪失廠外電源導致主泵不可運行，此初始工況下退防策略與以往策略相似，都需采取自然循環的方式降溫降壓，退防過程中復用了已有的成熟規程的操作模塊，因此無需對此部分運行策略的正確性進行確認。

主控制室不可居留時，若未因喪失廠外電源導致主泵不可運行，此初始狀態下，運行策略較以往策略有較大改進，因此是策略確認的重點。本文選取具有代表性的機組初始運行模式為模式1的工況進行確認和分析。其中，最具有代表性的退防階段為若輔助給水池水容量降至規定的低水位閾值及以下，則執行G模塊將反應堆帶到模式5的正常冷停堆工況的過程。

確認過程中需記錄策略執行的關鍵操作、機組關鍵參數以及發現的問題等。確認場景描述如表4所示。

表4　確認場景描述表Table 4　Description of validation scene

3.3　確認結果及分析

主控制室不可居留時，未因喪失廠外電源導致主泵不可運行的情況下，采用強迫循環策略，確認過程中的關鍵步驟及其響應見表5，機組的參數趨勢如圖2所示。

表5　確認進程表Table 5　Validation process table

圖2　策略確認參數趨勢圖Fig.2　Parameter trend chart of strategy validation

通過確認可證明，在對應的事故工況下，執行本策略可使反應堆按照設計預期的方式實現安全停堆；并可在確保機組各項運行參數不突破運行限制條件的前提下，安全退防至冷停堆狀態。策略執行的結果與預期的設計目標一致。

4　結論

在近年來新建的二代改進型核電機組中雖然也實現了數字化的全功能遠程停堆站，但是，主控制室不可居留轉向遠程停堆站的操作策略卻依然沿用傳統基于模擬技術的非全功能遠程停堆盤上的運行策略，并未像“華龍一號”一樣充分利用了全功能遠程停堆站的技術優勢。

基于“華龍一號”的相關設計，本文提供了一種主控制室不可居留轉向遠程停堆站的故障策略分析方法，并基于此方法設計并確認了適用于華龍一號全功能遠程停堆站的改進型故障處理策略，充分體現出全功能遠程停堆站的優勢，提高了華龍一號機組在相關工況下的運行效能。本策略的主要技術優勢主要包括：

1)通過在退防過程中盡可能維持主泵運行，不僅改善了堆芯至二回路的熱量傳遞效率，加快了退防進程，并且，由于穩壓器噴淋可用，使得機組在退防過程中更容易控制一回路壓力。上述改進，不僅有助于提高的機組的安全性，還改善了機組的運行效能和經濟性。

2)充分利用全功能工作站的優勢，減少了大量的就地操作，減少了操縱員的工作量，降低了操縱員的工作壓力，進而避免了潛在的人因失誤。

3)在本導則的設計過程中，復用了已有的“機組緊急停堆策略”和部分“總體運行導則”策略中的操作模塊，有助于減少設計工作量和后續運行策略維護的工作量，也利于操縱員盡快掌握此項改進的技術內容。

4)明確了在不同初始工況下的“主控制室不可居留轉向遠程停堆站運行策略”的執行步驟，提高了“華龍一號”機組的故障處理的能力和安全性。

綜上，本文在不大幅增加華龍一號核電廠固定投資的條件下，通過優化相關的運行策略，有效地提高了華龍一號機組的安全性和經濟性，充分體現出了技術創新對提高核電競爭力的重要作用。在后續華龍一號改進相關的研發工作中，應從提高機組的運行效能入手，繼續探索和挖掘有關的創新關鍵點，持續改進創新。