三門核電喪失循環水瞬態分析

三門核電有限公司 梁世拓

關鍵字：循環水系統；事故工況；瞬態響應；處理進程

1 引言

三門核電一期工程引進了美國西屋公司開發的AP1000第三代先進壓水堆技術。在電廠的設計中，汽輪發電機及其輔助系統（以下簡稱“常規島”）產生的熱量最終通過循環水系統帶入大海。在功率運行期間，常規島系統運行時產生的熱量相當可觀，一旦循環水系統發生故障，電站重要的冷源無法得到保障，有可能引起較大的瞬態，對電廠的安全穩定運行構成威脅。

2 系統概述

循環水系統（以下簡稱“CWS”）是一個以海水作為冷卻介質的一次循環冷卻系統。循環水取自三門灣海水，經過凝汽器后排入三門灣。每臺機組的循環水系統包括了2臺50%容量的循環水泵。循環水經過2根循環水管道進入汽輪機廠房，然后每根壓力供水管道分成3條支路，每條支路都與一臺凝汽器的一側水室對應相連。循環水經過凝汽器后又匯流到2根獨立的管線內，流入虹吸井。此外，CWS在兩臺泵的出口管線分別引出一條支管，去往開式循環冷卻水系統（以下簡稱“OWS”）。OWS 為汽輪機廠房的閉式冷卻水系統（以下簡稱“TCS”）熱交換器提供冷卻用的海水。TCS 為常規島重要的設備提供冷卻，其攜帶的熱量通過TCS 板式熱交換器傳遞至OWS，并最終進入循環水系統而排入大海。

圖1 循環水系統流程簡圖[1]

在循環水泵的入口，配置有固定式攔污柵和旋轉濾網，用于防止海生物或其他碎片進入循環水泵的入口。其中，旋轉濾網可以根據設定的時間間隔啟動，一般情況下每隔8小時啟動20分鐘。當出現大量雜物堵塞時，旋轉濾網也可以根據前后液位差啟動。當旋轉濾網啟動后，沖洗水泵通過側進水的方式，將濾網上的雜質沖刷走。

3 喪失循環水瞬態分析

3.1 失效原因分析

循環水泵的取水口在海灣里，海灣屬于公共區域，其不確定性較大。海生物、雜物、船只脫錨等存在堵塞三門核電海水取水系統的風險，尤其在海生物可能暴發期（每年3～5月）、禁止漁期（每年5～9月）、臺風期（每年5～10月），海蘆葦、枯秸稈、互花米草、魚蝦、貝殼等可能會大量涌入取水系統。如果異物無法及時清理，容易導致取水系統堵塞，威脅循環水系統。

除了上述原因外，循環水泵本身的故障或者聯鎖也會導致泵的非預期停運。循環水泵由廠內的中壓母線供電，一旦發生電氣故障，相應的循環水泵自動跳閘。循環水泵的密封水有兩路水源，生產水和生活水。生產水源為正常水源，生活水為備用水源。當循環水泵密封水流量低于10m3/h 會引起密封水路徑由正常水源切換至備用水源。如果密封水流量低于5m3/h，則循環水泵會立即跳閘。根據運行經驗，正常的密封水流量受管網的壓力影響較大，生產水用戶的負荷變化容易引起密封水流量非預期波動。另外，循環水泵運行時，其對應的出口蝶閥全關后延遲1min 也會引起泵自動跳閘。

3.2 單臺循環水泵喪失瞬態分析

正常滿功率運行時，如果單臺循環水泵發生跳閘，進入凝汽器的海水將減少一半，此時凝汽器真空將會出現一定程度的惡化。從電站循環的角度來看，凝汽器真空惡化使汽輪機的背壓提高，在蒸汽初參數不變的情況下，背壓提高將引起電站的熱效率下降[2]。三門核電采用堆跟機的運行方式，如果此時維持發電機出力不變，那么反應堆熱功率將自動上升。

三門核電反應堆的設計熱功率為3400MW[3]。根據電廠運行規程，10min 平均熱功率不能超過3403.4MW，1h 平均熱功率不能超過3400MW。為保證電廠的經濟性，在滿足上述限值的情況下，電站熱功率都會盡可能維持在接近設計熱功率的水平。因此，發生瞬態后操縱人員需要立即降低發電機功率，以保證電廠熱功率不超限。在設計的海水溫度情況下，單臺循環水泵跳閘，需要降低機組出力至96%的額定功率。在夏天溫度較高的情況下，機組出力需要降到96%以下，具體以保證熱功率不超限為準。

3.3 喪失所有循環水瞬態分析

功率運行期間，以下兩種情況都有可能導致喪失所有循環水：一種是循環水泵吸入口大量堵塞、循環水管線破口等原因導致系統運行狀態惡化，需要緊急停運所有循環水泵；另一種是由于泵本身發生故障，導致兩臺循環水泵均停運（如單臺泵檢修時另一臺泵故障跳閘）。

3.3.1 凝汽器失去冷源

一旦喪失所有循環水，凝汽器喪失冷源，電廠功率運行時產生的熱量將無法導出，汽輪機將無法維持運行。汽輪機保護系統中配置有保護信號，功率運行時兩臺循環水泵跳閘將會自動聯鎖汽輪機跳機。

汽輪機停機后，反應堆產生的蒸汽需要通過旁排閥或者大氣釋放閥（以下簡稱“PORV”）進行導出。根據電廠設計，旁排閥可以導出40%的蒸汽流量，PORV 可以導出13%的蒸汽流量。旁排閥是將蒸汽旁路汽輪機，直接排向凝汽器。其可用的必要條件之一就是凝汽器可用，在循環水喪失的情況下，旁排閥將被閉鎖。因此，此時只有PORV 可用于蒸汽排放，導出反應堆熱量。由于PORV 的排放能力有限，如果此時反應堆剩余功率較高，產生的蒸汽量大于PORV 的排放能力，蒸汽母管壓力會快速上升，主蒸汽管線上的安全閥就有可能動作，引起事故擴大。因此，在功率較高的情況下，一旦發生兩臺循環水泵跳閘的情況，僅依靠系統配置的汽輪機自動跳機聯鎖是不夠的。這種情況下，需要電廠操縱員根據異常運行規程，盡快將反應堆緊急停堆，以最大限度地減少蒸汽排放需求，從而保證主蒸汽母管的安全閥不受到挑戰。

3.3.2 完全喪失OWS 分析

OWS 需要循環水泵運行以提供吸入壓頭，一旦喪失循環水，OWS 也將無法運行。OWS 是TCS的支持系統，OWS 喪失相當于TCS 失去冷卻能力。常規島的一些重要設備均通過TCS 進行冷卻，如主給水泵組、凝結水泵等。

由于TCS 的重要性，三門核電開發了異常響應規程AOP-334（喪失汽輪機廠房閉式冷卻水)。其針對的故障中也包含了OWS 完全喪失這種工況。在循環水泵完全喪失導致停堆后，該規程也需要同步執行。

在兩臺循環水泵喪失事故中，操縱員已根據規程將反應堆停堆，兩臺循環水泵停運或者停堆均會聯鎖汽輪機跳閘。停機后，發電機及其輔助系統的熱負荷基本被切除。汽輪機相關負荷則不同，由于需要維持汽輪機較長時間的惰轉，因此潤滑油系統的熱量將不會迅速消失，其隨汽輪機轉速的降低而降低。除此之外，汽輪機跳閘后，主給水泵組、凝結水泵和循環水泵繼續維持原狀態運行，產生相當可觀的熱量。因此，即使停機以后，TCS 仍能保持較高的溫升速率。溫度的繼續上升將可能導致TCS 設備和系統受到損壞，并且使上述泵的電機冷卻不足。為保證設備運行安全，操縱員需要手動停運主給水泵組、凝結水泵等設備等，其溫度的運行限制如表1所示。

表1 主要負荷及運行限值

在反應堆停堆之后，常規島側提供的二回路熱阱是核安全的重要保障。為保證二回路熱阱可靠，需要蒸汽發生器的給水可用。在功率運行時，主給水泵組通過主給水路徑為蒸汽發生器提供給水，其取水水源來自除氧器。反應堆停堆后，給水路徑自動切換，主給水管線和啟動給水管線之間的橋閥自動開啟，主給水泵通過橋閥和啟動給水管線為蒸汽發生器提供給水，取水水源同樣來自除氧器，此為停堆后的正常水源。當TCS 失效后，主給水泵組需要立即停運。所有主給水泵組停運后，蒸汽發生器就需要來自啟動給水泵的備用給水，其取水水源是廠區內設置的凝結水儲存箱。

啟動給水泵的自動啟動信號如下：任一蒸汽發生器給水流量低（主給水流量與啟動給水流量之和，5%額定給水流量）與SG 窄量程水位低（停堆后定值為35%）；任一蒸汽發生器寬量程液位低（定值為55%）。

在喪失循環水引起的事故中，兩種情況會引起事故進程稍有區別。第一種是直接停堆，然后由停堆信號聯鎖汽輪機停機。根據邏輯配置，停堆信號會延時5秒再觸發停機。該延時的存在，使停堆后蒸汽發生器向汽輪機供應的蒸汽不會立即減少。蒸汽發生器的給水在停堆后立即切換至啟動給水路徑，給水流量大幅降低。因此，在停堆后的短時間內，汽水失配會使蒸汽發生器的液位快速下降。在這種情況下，操縱員停運主給水泵組后，給水流量低與蒸汽發生器窄量程液位低信號符合，啟動給水泵將自動啟動。

第二種是兩臺循環水泵跳閘直接聯鎖汽輪機停機，然后操縱員再根據規程將反應堆停堆，由于先停機已將主要的蒸汽需求切斷，然后再停堆，蒸汽發生器液位降幅較小，此時停運主給水泵后，啟動給水泵可能未達到啟動定值，此時操縱員可以手動投入啟動給水泵，或者等蒸汽發生器液位達到定值后，確認啟動給水泵自動投入。

凝結水儲存箱的水溫一般與環境溫度大致相當，而除氧器正常功率運行時水溫約170℃。在停機之后，除氧器保持定壓運行，溫度保持在100～120℃。因此，當使用啟動給水泵供水時，冷卻效果會遠大于除氧器供水。該情況會引起反應堆冷卻增加。尤其在壽期初，堆芯衰變熱較小時，操縱員需要密切關注一回路的平均溫度。一回路溫度過低會引起安注信號的觸發。因此，在該工況下，一般還需要一名操縱員單獨調節啟動給水流量和監視一回路平均溫度，在保證足夠的給水流量下，要保證一回路不過冷，這給電廠控制增加了難度。

另外，上文提到停機后汽輪機的惰轉會繼續加熱軸承潤滑油，TCS 冷卻能力不足可能導致潤滑油溫度的持續升高。潤滑油的溫度是建立穩定油膜的重要參數，穩定油膜無法建立可引起汽輪機大軸劇烈振動和燒瓦等事故。因此，對于汽輪機惰轉時的狀態監測也十分重要。根據運行規程中的汽輪機停機后手動破壞真空準則，當OWS 喪失引起TCS 系統失效后，在潤滑油溫度高于55℃或者汽輪機轉速低于750rpm 時，需要手動破壞真空，以實現汽輪機的快速停運。

3.3.3 瞬態總結

綜上所述，功率運行時失去單臺循環水泵產生的瞬態相對較小，電站操縱員需要關注反應堆熱功率及凝汽器真空，并根據反應堆熱功率適當降低機組出力，便能維持機組繼續運行。如果失去所有循環水，那么機組將產生很大的瞬態。循環水泵的喪失直接導致凝汽器不可用，旁排閥無法用于排放蒸汽。因此，高功率水平下喪失循環水，需要盡快停堆，以減少蒸汽排放需求，避免瞬態對主蒸汽安全閥帶來挑戰。

在停堆之后，操縱員需要盡快停運常規島主要設備。主給水泵組的停運，會使正常給水水源無法使用，需要使用啟動給水供水，此時操縱員關注一回路平均溫度，并且在必要時手動調節啟動給水流量，以避免反應堆過冷。汽輪機在停機后的惰轉過程中，潤滑油還會受到持續的加熱，此時也需要操縱員關注并根據規程破壞真空。

4 結語

循環水系統是核電廠功率運行期間重要的支持系統，也是電廠熱力循環中重要的冷源。當循環水部分喪失或全部喪失時，會對機組產生較大的瞬態。電廠操縱人員需要很好地了解這些瞬態情況下機組的響應和相關的事故規程，才能保證電廠的安全。