華龍一號電氣廠房冷水系統設計優化研究

中國核電工程有限公司 趙 曉 孫蘭飛 魏川鋮 劉占盛 張鳳閣

0 引言

華龍一號堆型作為我國自主研發的第三代核電堆型，安全指標相比第二代有了很大提升。為了保證核電站的穩定安全運行，安裝了一系列的專設安全系統，以及為保證專設安全系統能執行其安全功能的輔助支持系統。其中，熱阱是事故后專設安全系統能否執行其安全功能的關鍵因素之一。熱阱系統不僅包括直接導出反應堆衰變熱的熱阱系統，還包括為安全系統設備運行及電氣儀控設備(電氣柜、儀控柜等)提供必要環境條件的熱阱系統，后者涉及到通風系統、冷水系統及設備冷卻水系統。

華龍一號核島共設置了5個冷水系統，分別為電氣廠房冷水(WEC)系統、安全廠房冷水(WSC)系統、核島冷水(WNC)系統、人員通行廠房冷水(WAC)系統和核廢物廠房冷水(WWC)系統。WEC系統是核島唯一的核級冷水系統，為安全級的通風系統及中低壓安注泵電動機提供冷水，保證其穩定安全運行，是重要的核島輔助系統之一。

1 WEC系統功能

WEC系統的冷水回路為封閉式回路，其功能是將電氣廠房、安全廠房、燃料廠房和輔助廠房等廠房內設置的通風空調系統冷卻盤管及中低壓安注泵電動機冷卻時所回收的熱量，通過冷水機組傳遞給設備冷卻水(WCC)系統或室外大氣，以確保核電廠的主控室、分散式控制系統(DCS)設備及中低壓安注泵的正常運行及主控室操作人員的可居留性。

WEC系統冷水供/回水溫度采用國標推薦溫度7 ℃/12 ℃；WCC系統冷卻水供水溫度為10～45 ℃。圖1為WEC系統流程簡圖。

注：VEB為電氣柜間通風系統；VEE為電氣廠房機械設備區通風系統；VCL為主控室空調系統；VMO為安全廠房機械設備區通風系統；VEC為控制柜間通風系統；RSI為安全注入系統；VFL為核燃料廠房通風系統；SL為左安全廠房；SR為右安全廠房；MP為遠傳壓力表；LP為就地壓力表；MT為遠傳溫度計；VNA為輔助廠房通風系統。圖1 WEC系統流程簡圖

WEC系統設置2臺(一用一備)水冷式冷水機組和相應的冷水泵，1臺模塊化風冷式冷水機組和相應的冷水泵。另外，還設置了1臺冷水儲存罐，用于冷水機組切換時為末端用戶提供持續的冷水。正常工況下，A列或B列水冷系列運行，另一列水冷系列備用。風冷機組處于熱備用狀態。在喪失最終熱阱工況下水冷機組失效，此時運行的水冷系列的冷水泵繼續運行，在風冷機組啟動前這段時間內，通過冷水儲存罐向末端用戶提供冷水，直至風冷機組系列啟動完畢。

2 WEC系統水冷機組與風冷機組啟停切換

在WEC系統原設計中，水冷機組、風冷機組和冷水泵前后均設置有手動隔離閥。運行列的前后隔離閥為常開狀態，備用列和風冷列的隔離閥為常閉狀態。運行列和備用列之前的切換為手動切換。列間切換時，需要就地手動切換相應的隔離閥。手動切換需要一定時間，在此期間，由系統中的冷水儲存罐為末端用戶提供持續冷源。

為了提高WEC系統的自動化水平，對原方案進行如下優化改進：

1) 將每臺備用列冷水泵和冷水機組前后的隔離閥由常閉狀態改為常開狀態。依靠水泵出口的止回閥進行運行列與備用列之間的隔離，同時冷水泵與對應列的冷水機組進行連鎖啟停，實現一個冷水列只需要啟動冷水機組就可以連鎖該列水泵的啟動。

2) 為了實現主控室自動啟停切換水冷列與風冷列設備，考慮采用“冷水機組綜合故障停機”反饋信號，只要運行列的水冷機組故障停機，該故障停機信號就送至主控室，連鎖啟動風冷機組，第一時間保證持續供冷。風冷機組啟動后，從主控室發出指令派現場運維人員查看水冷機組故障停機原因，視情況可將風冷機組切換到備用的水冷列運行。

優化后的流程如圖2所示。該優化改進方案提高了WEC系統的自動化控制水平，實現了WEC系統水冷/風冷列機組之間的自動切換，水冷機組故障停機后，風冷機組自動啟動，第一時間保證冷水的持續供給，從而維持了主控室人員的可居留性、核級電氣柜和DCS機柜等設備適宜的環境溫度，保證了末端安全級用戶的可靠運行，進一步保障了電站運行的安全性、可靠性。

圖2 優化后的WEC系統流程

3 外部災害防護

WEC系統的風冷機組布置在廠房屋面，需要考慮龍卷風、飛射物等外部災害的影響。在原設計中，如果出現飛射物導致室外風冷機組或管道破裂，造成系統失水過多，引起兩列安全級水冷機組因流量不足而停運，則手動隔離室外管網，并打開除鹽水補水閥進行補水。該操作需要幾小時。由于末端通風用戶的熱惰性，在喪失冷水期間，各房間溫度不會超溫。為了更好地應對外部災害，需要采取更有利的措施。

圖3為增加高位電動隔離閥后的WEC系統流程簡圖，該方案采取了以下優化改進措施：

圖3 增加高位電動隔離閥的WEC系統流程簡圖

1) 在風冷機組前后設置電動隔離閥，與系統低壓報警連鎖，當系統壓力低(無論是WEC系統其他部位滲漏，還是風冷機組及室外管道破口)報警時，連鎖關閉電動隔離閥，切斷風冷機組回路；當檢測到風冷機組在運行時，該連鎖信號將被屏蔽。

2) 將補水隔離閥由手動改為電動，與低壓報警連鎖。當系統壓力低報警時，連鎖補水電動閥打開，進行自動補水。

采取以上2項改進措施后，可在第一時間應對因外部災害引起的系統失水問題，從而保證安全級水冷機組列能夠正常運行。

4 結論

通過將WEC系統的冷水機組和水泵前后的手動閥由常閉改為常開，冷水機組連鎖啟停冷水泵，由“冷水機組綜合故障停機”信號自動連鎖啟動風冷機組，實現了水冷機組與風冷機組的自動切換，降低了對冷水儲存罐的容量需求，以較小的改動，使系統自動化水平顯著提升，提高了核級冷源的可靠性。

通過在風冷機組前后增設電動隔離閥，并與系統低壓報警連鎖，將手動補水改為電動補水，解決了龍卷風、飛射物等可能引起WEC系統兩列安全級機組共模失效問題，增強了系統的外部災害防護能力。

通過對華龍一號電氣廠房冷水系統的優化改進，使我們再次認識到，需要持續不斷地思考總結新堆型的系統設計，不斷提出更優的設計方案，以使系統的設計更加完善。