AP1000依托項目中壓移動電源應用研究

史國寶，郭東海，陳 松，曲海汀，王 喆，張 亮

（上海核工程研究設計院有限公司,上海 200233）

美國911 恐怖事件及福島核事故后，世界各國對核電廠的安全十分關注，外部事件是否會引起核電廠大量放射性釋放是關注的焦點。我國在國家核安全局的組織下，對全國核電廠的安全狀況進行了全面的核安全綜合檢查，針對核電廠抵御極端外部事件的安全裕度進行了定量評估，提出了進一步提高核電廠安全水平的要求。為了規范和指導各核電廠安全改進行動的落實，2012年國家核安全局發布了《福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求》［1］（以下簡稱《通用技術要求》），從核電廠防洪能力、移動電源及設置等8 個方面對核電廠提出了技術要求。一方面，《通用技術要求》盡可能地統一和協調各核電廠所采取的安全改進策略的深度和廣度，解決了我國核電廠在實施福島后改進措施過程中所采用技術的統一性問題；另一方面，核電廠的設計理念不斷進步，非能動安全系統的采用使核電廠應對外部事件的能力得到了很大提升。在《通用技術要求》指導下如何實施改進是一個需要研究的問題。根據《通用技術要求》，核電廠需要設置中壓移動電源，這對于采用能動安全系統的核電廠有較好的針對性［2-5］，而對于AP1000［6］核電廠，如何選擇合理的應用場景進行中壓移動電源的工程實施是本文探討的主題。

1 AP1000外部事件應對能力分析和中壓移動電源應用場景分析

對于采用能動安全系統的核電廠，實現安全功能所需的支持系統較多，為了提高其應對外部事件的能力，針對安全殼、輔助廠房內的安全物項，充分利用安全殼、輔助廠房已有的特點，采取加裝水密門等方式提高對外部事件的設防能力，而針對外圍安全系統（如最終熱阱），提高設防能力很難，因此，要求利用儲存在廠內的移動設備來彌補外圍安全系統失去后實現安全功能所必需的支持功能，這就是《通用技術要求》和美國核能研究所提出的多樣靈活應對策略（Diverse and Flexible Coping Strategies，簡稱FELX）［7］的基本對策。《通用技術要求》對移動電源及設置的功能要求有：（1）在喪失全部交流電源時（包括廠址附加的柴油發電機），應通過配置移動式應急電源為實施應急措施提供臨時動力，以緩解事故后果，并為恢復廠內/外交流電源提供時間窗口；（2）應對移動電源的負荷進行分析，這些負荷至少應包括核電廠安全參數的監測和控制，必要的通訊、通風和照明，主泵密封和移動泵（當不采用自帶動力的移動泵時）及其他臨時設施的負荷需求。多堆廠址應配備至少兩套設備，其中至少一套應在滿足上述負荷后，考慮一臺低壓安注泵或一臺輔助給水泵的負荷。

隨著技術的發展，設計思路的不斷進步，有些設計在能動安全系統的基礎上設置了非能動的超設計基準應對措施，有些設計完全采用非能動安全系統。在這種情況下，移動電源的功能不再是彌補外圍安全系統失去后實現安全功能所必需的支持功能，而應該在分析的基礎上有所調整。

1.1 AP1000外部事件應對能力分析

就AP1000 而言，在應對一般外部事件時先采用能動縱深防御系統，然后采用非能動安全系統，其應對層次如圖1所示。

圖1 AP1000應對外部事件設防層次Fig.1 AP1000 defense in depth levels for external events

在極端外部事件下，如果易受影響的縱深防御系統不可用，AP1000可由非能動余熱排出熱交換器（Passive Residual Heat Removal System，簡稱PRHR）系統排出堆芯衰變熱。安全殼內置式換料水箱（In-Containment Refueling Water Storage Tank，簡稱IRWST）水箱溫度逐漸升高直至蒸發，上升的水蒸汽經鋼安全殼壁面冷凝后，絕大部分回流至IRWST。安全殼升壓將觸發非能動安全殼冷卻系統（Passive Containment Cooling System，簡稱PCS）動作，安全殼外壁形成的水層冷卻安全殼，PCS高位水箱能供水3天。

如果極端外部事件疊加反應堆冷卻劑系統（Reactor Coolant System，簡稱RCS）泄漏，PRHR投入排出堆芯衰變熱。RCS 水位下降，穩壓器排空，熱管段和冷管段含汽。因RCS低壓觸發的堆芯補水箱（Core Makeup Tank，簡稱CMT）由循環模式進入注射模式，至CMT低水位觸發自動卸壓閥（Automatic Depression System，簡稱ADS）1-3。由于RNS 泵的注射沒有動力電源的支持而不可用，CMT 水位達到低低水位后觸發ADS4，而后IRWST注射。這個過程能一直持續下去，安全殼的熱量同樣由PCS帶出。

對于安全系統觸發電源，AP1000 配置了1E級直流和UPS系統（Class 1E DC and UPS System，簡稱IDS）24 小時蓄電池。針對極端外部事件下IDS 充電功能長期不能恢復的情景，可以采用以下兩種方法：一種方法是在蓄電池放電超過21小時后觸發ADS 4開啟和IRWST注射，利用開式冷卻方式；另一種是延長用電策略，IDS 系統4 個序列24 小時蓄電池放電超過21 小時后，操縱員切除對應直流母線上的其它負荷，同時關注相關參數，當需要時再連接負荷，以此保證需要ADS 觸發時蓄電池有足夠的容量。目前AP1000采用后一種方法。

對于安全監測電源，AP1000配置了IDS 72小時蓄電池，由輔助柴油機提供72 小時后的電源，輔助柴油機還向安全殼外高位水箱的水源補充泵提供電源。

可以看出，對于采用非能動安全系統的AP1000 核電廠，實現安全功能所需的支持系統少，而安全設施位于對外部事件設防能力很高的安全殼、輔助廠房內。即使極端外部事件的影響持續數天，也只需要提供事故安全監測電源以及向PCS 水箱補水即可。這是AP1000 與常規核電廠在應對極端外部事件上最大的差別。

我國早在2000年就開始實施了國庫管理制度。這一項制度的實施就實現了國庫資金的統一管理，同時，還實現了將財政資金進行直接的劃撥。例如稅收和非稅收的繳費都統一納入財政專戶之中，國庫管理制度的實施，規范了財政資金的收支，提高了財政資金的管理效率。與此同時，對于預算的執行也建立了動態的監控機制，從而對其進行全面的監督，這能夠有效地對預算的執行起到警示的作用。

1.2 中壓移動電源應用場景分析

對于AP1000，在極端外部事件下，已有的安全系統能夠滿足72 小時內堆芯和安全殼的冷卻要求，配置移動泵補充PCS水箱72小時后所需的安全殼和乏燃料冷卻水量，利用380 V 輔助柴油機或者低壓移動電源向72 小時后的事故安全監測設備和PCS 循環泵供電，使其能應對極端外部事件帶來的持續數天的影響。美國核管會認為AP1000 外部事件下的應對能力滿足要求［8］。由于《通用技術要求》沒有對安全功能滿足與否作出判斷，而直接描述了對采用能動安全系統的核電廠有較好針對性的改進要求，在核安全對話中根據《通用技術要求》業主承諾了中壓移動電源的設置。在這個基礎上，問題轉化為中壓移動電源的工程實施，即如何選擇合理的應用場景接入中壓移動電源，使其對AP1000 核電廠的安全性或者經濟性有所幫助。

通過系統的分析，筆者認為在下述兩個場景中，中壓移動電源對AP1000 核電廠的安全性或者經濟性有所幫助。

（1）AP1000 的IDS 安全級24 小時蓄電池采用延長用電策略，在蓄電池放電超過21 小時后，要求操縱員切除對應直流母線上的其它負荷，以保證ADS 觸發時蓄電池保留足夠的容量。這些操作在事故后期實施，不會產生大的風險。在這樣的場景下，如果通過中壓移動電源向1E級蓄電池充電，則無需通過切除直流母線上的負荷來保證蓄電池有足夠容量，這有助于提高安全性。

（2）AP1000 發生喪失廠外電源事故后，如果PRHR 無效或者RCS 有泄漏，可以依靠開啟ADS1-3 實現RCS 部分降壓，由CMT 和RNS 注射實現堆芯補水，并由PCS 排出安全殼熱量。RNS注射可以阻止CMT 水位下降，防止ADS 4 啟動。這樣的場景下需要中壓移動電源來帶載RNS，從IRWST 吸水，注入主系統（如圖2 所示），并通過ADS1-3 級排出水汽，進行充排冷卻。RNS注射除了供電外還需要相關支持系統，包括設備冷卻水。AP1000 在設計時允許設備冷卻水系統部分運行，設備冷卻水系統（Component Cooling Water System，簡稱CCS）設計中設有一條與電廠消防系統（Fire Protection System，簡稱FPS）的連接管線，由消防泵或者其他水源提供供水，通過該管線向RNS 泵提供可靠的冷卻水供應，消防水冷卻RNS 泵后通過預留的排放接口直接排往廢物廠房外，而其它CCS用戶將被隔離。這對反應堆的安全性和經濟性有幫助。利用MAAP［9］程序對上述工況進行了分析。極端外部事件使核電廠全廠失電，進一步假定極端外部事件使RCS 有泄漏，保守考慮熱管段3/8 英寸破口（儀表管破裂）。圖3 給出了RCS 壓力變化圖。反應堆停堆后PRHR 有效，帶出衰變熱，破口排放使穩壓器排空，堆芯補水箱投入補充RCS 水裝量的喪失，至40351.4 秒（11.2 小時）堆芯補水箱低水位觸發ADS1-3 打開，RCS 卸壓。在這個工況中，中壓移動電源可用來向1E 級蓄電池充電，隨后帶載RNS 泵，從IRWST 吸水，注入主系統，避免ADS4的觸發。

圖2 RNS注射Fig.2 RNS injection

圖3 RCS壓力變化圖Fig.3 RCS pressure change diagram

2 中壓移動電源工程實施方案

2.1 接入條件

在失去主發電機和廠外電源，疊加兩臺廠內備用柴油發電機組（Standby Diesel Generator，簡稱SDG）均不可用的情況下，中壓移動電源為1E級24小時蓄電池充電，需要時也可以為RNS泵注射提供動力。

綜上所述，中壓移動電源的接入條件為：

（1）主發電機不可用；

（2）廠外電源（500 kV和220 kV）不可用；

（3）兩臺SDG均不可用；

2.2 儲存場地

移動泵和移動電源儲存間子項為移動電源、移動泵、試驗負載等設備提供永久存放場地。子項的設計確保在水淹高度高于設計基準洪水位5 m 時，不會導致移動電源、移動泵等設備不可用；在8 度（地震烈度的定義見G50011-2010《建筑抗震設計規范》，8度的抗震設防烈度對應于設計基本地震加速度0.2 g）地震烈度的地震工況下保持廠房的結構完整性，從而保證移動電源和移動泵的可用性；在移動電源和移動泵存放期間，為移動電源和移動泵車內蓄電池、加熱器等負載提供充電電源；在中壓移動電源定期試驗期間，為試驗負載提供工作電源。

2.3 接入方案

在AP1000 依托項目中，需中壓移動電源帶載的負荷均位于10 kV 中壓母線ECS-ES-1 和ECS-ES-2 上，即中壓移動電源需要接入到這兩段母線之一。中壓移動電源的接線示意圖如圖4所示。

圖4 中壓移動電源接入方案電氣系統圖Fig.4 Medium voltage mobile power supply access scheme

在附屬廠房外墻上設置ECS-EJ-200 和ECS-EJ-201 接口箱。引至中壓母線ECS-ES-1和ECS-ES-2 的動力電纜從接口箱引出后，穿管沿附屬廠房外墻向上敷設，之后分別穿過套管進入電氣設備間，再經中壓橋架水平敷設至兩段中壓母線開關柜的正上方，上進線接入柜內。所有電纜、電纜管進出附屬廠房外墻處和電源接口端子箱處均采取防火和防水封堵。

當中壓移動電源需要投入使用時，自移動泵和移動電源儲存間子項行駛至附屬廠房附近接口位置，并將自帶的供電電纜與接口箱通過線鼻子方式或快速接頭方式連接，即可接入核島中壓母線提供電源。

2.4 帶載負荷

采用手動方式帶載負荷。除了必要的負荷，為了使電廠非安全級儀控系統和電氣的繼電保護裝置可用，并考慮MCR 可居留措施，中壓移動電源的潛在用途可以總結為向IDS系統及輔助設備、非1E 級220 V 交流UPS 系統（No Class 1E DC and UPS System，簡稱EDS）及輔助設備、主控制室可居留設施及相關輔助設備以及向RNS 泵及支持系統相關設備供電，見表1、2、3。總量1700 kW左右,低于中壓移動電源的持續額定功率。在事故中部分負荷可能因失效而不能帶載，需要運行人員靈活處理。

表1 中壓移動電源帶載負荷-蓄電池充電載荷Table 1 Medium voltage mobile power supply load for battery charging

表2 中壓移動電源帶載負荷-通風類載荷Table 2 Medium voltage mobile power supply load for ventilation

表3 中壓移動電源帶載負荷-RNS注射相關載荷Table 3 Medium voltage mobile power supply load for RCS injection

2.5 中壓移動電源接入規程

AP1000 應對長期喪失廠外交流電規程的主要內容有：在失電21小時后，如電廠狀態穩定，操縱員手動切除IDS 直流負荷，保存蓄電池電能。如電廠后續出現泄漏等情況，根據相應的CMT水位整定值，手動恢復IDS 直流負荷，使其觸發ADS1-3 級閥門，如CMT 水位繼續下降，則觸發ADS4 閥門、IRWST 和再循環注射等。中壓移動電源接入規程在電廠長期喪失廠外電應急規程［10］的基礎上進行修改，主要修改有：

（1）中壓移動電源對蓄電池充電的啟動點可放在長期失電8 小時后，保證在21 小時之前投入，以避免后續的手動切除直流負荷操作。如果不成功，則執行目前的手動切負荷方案。

（2）對于電廠小泄漏工況，中壓移動電源帶載RNS實現低壓注水從而避免ADS 4啟動。RNS泵啟動前需要軸封冷卻，由FPS 小泵提供軸封冷卻水，冷卻水直排到廠房。RNS泵軸封冷卻啟動點為CMT水位低于100%后啟動。

考慮中壓移動電源接入的電廠長期喪失廠外電應急規程詳細流程如圖5所示。

圖5 考慮中壓移動電源接入的長期喪失廠外電應急規程流程圖Fig.5 Flow chart of procedures for long-term loss of offsite power considering medium voltage mobile power supply connection

2.6 其他事項

為了驗證移動電源能夠連續執行其預定功能，應對移動電源進行周期性的維修保養試驗，可用性試驗有：移動電源慢啟動試驗、帶負載試驗等可用性試驗，每3 個月一次。而快速啟動試驗、熱啟動試驗、負載持續性試驗、甩設計負載試驗需在停堆換料期間開展。

在中壓移動電源接入向1E級24小時蓄電池充電時，運行人員可通過啟動相關房間的風機進行通風，降低氫氣聚集，降低房間溫度。如通風系統故障或其他原因導致通風系統無法運行，則可采用臨時措施（如打開房門）進行通風。另外，運行人員可通過氫氣儀表來監測蓄電池房間的氫氣濃度。

3 結論

AP1000非能動安全系統具有很強的應對外部事件能力，能在長期失電和長期失去熱阱的情況下帶出堆芯和安全殼的熱量，滿足福島后對核電廠提出的安全要求。根據《通用技術要求》對中壓移動電源的要求，為中壓移動電源選擇合理的應用場景。分析表明，在極端外部事件條件下，中壓移動電源可為1E級24小時蓄電池充電，在極端外部事件疊加一回路發生小泄漏的情況下，可帶載RNS泵用來補水，這有利于AP1000 依托項目的安全性和（或）經濟性的提高。在此基礎上，討論了中壓移動電源接入、帶載負荷、規程以及試驗條目等工程方案。