故障樹法在壓水堆一回路功率波動原因分析中的應用

吳建如 段貽杰

摘要：壓水堆核電站在正常運行過程中，維持反應堆核功率的穩定，對保證電站的核安全至關重要。文章在核電站實際運行經驗的基礎上，利用故障樹理論對各種可能導致反應堆一回路功率異常波動的原因進行了分析，繪制了故障樹，并提出了處理方案。研究有助于電廠技術人員更快更準確地定位設備故障原因并及時處理。

關鍵詞：故障樹;壓水堆;功率波動

壓水堆核電站在功率運行期間，維持反應堆一回路功率穩定對核安全至關重要，功率的異常波動會引起堆芯反應性等一系列參數的波動，嚴重時會威脅到反應堆的安全。因此，有必要對壓水堆核電站一回路功率波動的原因進行系統分析和總結。故障樹分析法（FTA）是一種將故障形成的原因由整體到部分按樹狀結構進行逐級細化劃分的分析方法，是核動力行業重要的安全分析方法之一。

1 構建故障樹

功率運行過程中造成壓水堆核電站一回路功率波動的原因，結合核物理關于反應性的影響因素，主要有以下幾個方面：（1）一回路冷卻劑硼濃度的變化;（2）反應堆控制棒的插入或提出;（3）一回路溫度的異常變化;（4）反應堆燃料毒物（主要是指燃料中氙濃度）的變化。故障樹選取反應堆功率波動作為頂事件，故障樹圖如下所示。

2 故障原因分析及應對措施

結合故障樹，下面分別從四個方面對造成功率波動的原因進行分析。

2.1 反應堆一回路硼濃度的變化

壓水堆核電站一回路冷卻劑中選擇加入硼10用于補償燃耗，因此冷卻劑中硼濃度的改變將直接影響著反應堆的中子通量，進而影響功率。引起冷卻劑中硼濃度改變的原因主要有以下幾種：①低硼濃度水進入一回路造成硼濃度降低，可能情況主要有誤稀釋、設備冷卻水向一回路泄漏、樹脂凈化單元意外投入、管道殘水進入一回路。②高硼濃度水進入一回路，可能情況有誤硼化、安全注入系統意外動作、管道殘留硼酸進入一回路、換料水箱高濃度硼水進入一回路。③新配置的硼酸不合格導致硼10豐度發生改變。對于此類故障的診斷，通常可以通過在線硼濃度監測儀表讀數的變化進行甄別。如果出現此類情況，建議立即根據一回路功率的變化情況，先通過稀釋或硼化的方法維持反應堆功率穩定，然后再根據故障原因，逐個消除。

2.2 反應堆控制棒的插入或提出

壓水堆核電站設置有控制棒，用于堆芯反應性改變的快速響應，主要分停堆棒、功率棒和溫度棒。任何棒組棒位的改變均會引起堆芯反應性的改變，而且速度較快。出現故障的原因有以下幾個方面：①彈棒/落棒事故，此類情況為反應堆設計基準事故，事件發生后可能導致一回路破口或停堆等事故，由專用的事故規程進行處理。②控制棒自動控制系統異常，可能導致控制棒非預期地上提或下插，這類情況可以通過控制棒棒位監測系統快速發現異常。此類故障處理較為簡單，將控制棒轉為手動控制即可。③人為誤操作。

2.3 一回路溫度的異常變化

壓水堆核電站在實際運行過程中，反應堆功率的異常變化，其絕大多數情況均是由于一回路冷卻劑溫度的變化所致，進而導致一回路功率的波動。因此，對一回路溫度變化原因的分析，是整個故障樹的重點。

（1）蒸汽發生器給水溫度降低。蒸汽發生器給水溫度降低，直接會影響蒸汽發生器傳熱管的二次側溫度。其主要原因有高壓/低壓給水加熱器加熱不足、除氧器壓力下降、備用主給水泵意外啟動等。

（2）二回路蒸汽量突然變化。蒸汽量增加的主要原因有汽輪機蒸汽調節閥意外開大、汽輪機熱效率降低（疏水閥意外開啟、回熱抽汽失去、冷凝器真空異常等）、汽輪機負荷意外增大、蒸汽旁路排放系統意外投入、其他蒸汽用戶的突然投入和退出。蒸汽量減少的原因主要是由于汽輪機主汽門的瞬間關閉，但隨后由于效率變差，其他主汽門又會逐步開大。

（3）蒸汽發生器二次側蒸汽的異常泄漏。主要分反應堆廠房內給水管道/蒸汽管道的泄漏、反應堆廠房外蒸汽管道的泄漏。對于此類故障，反應堆設計時已將其作為基準事件進行了考慮，由專用的故障規程進行處理。但對于微小的泄漏，則必須做進一步的分析。而對于此類故障最明顯的特征則是二回路水裝量的減少。

（4）汽輪發電機組負荷突變。汽輪發電機運行過程，由于外電網等外部因素及汽輪發電機自身的原因，導致其負荷快速變化。在這種情況下，由于反應堆功率變化相對較為滯后，通常會引起一回路溫度的異常變化。

（5）一回路冷卻劑的意外流失。這類故障會引起其他更重要參數的變化，此處不做進一步分析。

對于此類的故障，尤其二回路汽輪發電機相關異常引起的一回路溫度變化，控制策略首先應該是控制一回路功率以防止反應堆超功率，而非故障本身的處理。常用的處理方法即改變二回路汽輪發電機組的出力，或者限制二回路蒸汽流量。

2.4 反應堆毒物的變化

壓水堆核電機組，在燃料毒物方面主要考慮Xe毒。在機組功率變化或者氙振蕩試驗等工況后的一段時間內，會發生局部的氙振蕩引起功率的變化，尤其在最初的24h內。對于這種情況，只需要根據反應堆一回路溫度變化趨勢，通過稀釋/硼化或者控制棒加以干預即可。

3 結語

本文應用故障樹的分析方法，對某大型商用壓水堆核電站反應堆一回路功率異常變化的原因進行了分析，繪制了功率異常變化的故障樹，有助于電廠運行人員更快、更準確地定位故障原因并及時處理機組瞬態。

參考文獻：

[1]張曉東，等.基于故障樹的某型船主冷凝器真空偏低原因分析.船舶工程，2016，增刊2.

[2]濮繼龍.大亞灣核電站運行教程.原子能出版社，1999.