周 萱
(秦山核電,浙江海鹽314300)
雖然核電廠在選址上有嚴(yán)格的準(zhǔn)則,但較大和極端自然災(zāi)害仍然會對核電廠的安全運行構(gòu)成一定的威脅。
1997年8月18日,11號臺風(fēng)蕓妮 (編號9711臺風(fēng))在浙江溫州灣附近登陸,中心風(fēng)速60 m·s-1,東海上的浪高最大值達(dá)到了18米,浙東南、浙中、浙北發(fā)生大范圍暴雨,黃浦江水位達(dá)到300年一遇的罕見高潮。錢塘江北岸的海寧站錄得歷史最高潮位9.4米,海鹽縣大部分臨江堤塘越頂過水,決口72處約8.5公里,其中2.5公里與海面貫通相平,全縣25.5萬人全部受災(zāi)[1]。秦一廠受蕓妮的影響,秦躍線 (2428B相開關(guān))跳閘,秦石線 (2271)對側(cè)跳閘,引起380V淡水I、II段,動力I、II段失電,空壓機停運約20分鐘,由于未能及時送電啟動工業(yè)水泵和空壓機,造成主給水調(diào)節(jié)閥失氣關(guān)閉,引起蒸汽發(fā)生器低低液位而停堆、停機。
2004年1月,秦山第三核電廠1號機組因布置在室外的1號蒸汽發(fā)生器主給水流量測量管線內(nèi)結(jié)冰,導(dǎo)致主給水流量信號失效,用于蒸發(fā)器給水控制的給水流量信號低于實際給水流量,蒸汽發(fā)生器實際給水流量增大,當(dāng)水位上升到2.96米時,汽機自動停機,反應(yīng)堆中毒停堆。當(dāng)日現(xiàn)場氣溫最低為-4.2℃,由于相關(guān)管線的伴熱絲沒有運行和保溫材料存在缺陷,最終導(dǎo)致了停堆。
2011年3月11日14時46分,日本本州島附近海域發(fā)生里氏9.0級強震并引發(fā)海嘯,導(dǎo)致了福島7級核事故,地震導(dǎo)致15391人死亡,8171人失蹤,20余萬人撤離[2]。雖然6個反應(yīng)堆都已實施了封堆措施,但對人類的影響永遠(yuǎn)無法抹去。
因此,自然災(zāi)害的積極預(yù)防對核電廠非常重要。
自然災(zāi)害是指由于自然異常變化造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失、社會失穩(wěn)、資源破壞等現(xiàn)象或一系列事件。對核電廠安全構(gòu)成威脅的災(zāi)害主要有強熱帶風(fēng)暴、臺風(fēng)、暴雨、雷電、地震、冰雪災(zāi)害等。核電廠所處地理位置不同,受到自然災(zāi)害威脅的類型也不同,對秦山地區(qū)而言,要重點防范的外部自然災(zāi)害是臺風(fēng)、暴雨和雷電,后面將詳細(xì)論述。
(1)地震活動性分析
在杭州灣及臨近區(qū)域,自1970年有地震臺網(wǎng)觀測以來,只記錄到46次地震,其中最大一次是1971年普陀4.2級地震,震中距廠址135公里;在距廠址27公里以內(nèi),尚未記錄到一次2級以上的現(xiàn)代地震。
(2)附近能動斷層鑒定
秦山地區(qū)的地質(zhì)調(diào)查結(jié)論為:
廠址附近范圍不存在區(qū)域性大斷裂,線性地貌不發(fā)育,處于相對穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境;根據(jù)秦山核電附近基巖區(qū)斷層的測年結(jié)果,最新一次的活動年代均大于10萬年。
因此,秦山核電附近范圍和廠址區(qū)內(nèi)不存在能動斷層。地震動參數(shù)經(jīng)概率法計算得到的秦山核電場地地震動峰值加速度為0.11 g,而秦山各核電廠核島安全有關(guān)的建筑物、系統(tǒng)和部件其安全停堆地震 (SSE)為0.15 g。表明秦山地區(qū)重要系統(tǒng)設(shè)備在抗震方面是安全的。該結(jié)論于1985年7月經(jīng)國家地震局烈度評定委員會審查通過[3]。
以上結(jié)論表明:秦山地區(qū)在抗震方面具有較高的裕量[4]
秦山地區(qū)處于亞熱帶,冬季氣溫雖然可能在零度以下,但持續(xù)時間較短,因此也不是重點防范的對象;但需要在冬季來臨前和低溫期間 (11月—次年2月),各處室根據(jù)迎峰度冬計劃開展自檢工作,對室外重要設(shè)備的保溫情況進行定期檢查確認(rèn);冰凍天氣時,對主變、輸電線路進行巡檢,與電網(wǎng)保持密切聯(lián)絡(luò),確保輸電線路安全。另一方面,雖然秦山地區(qū)處于亞熱帶,但由于常年濕度較大,發(fā)生火災(zāi)的概率并不大。雖然春節(jié)期間三廠曾發(fā)生過山火,但經(jīng)過調(diào)查,是一起由于燃放煙花爆竹引起的人因事件。此后,秦山地區(qū)加強了山體保衛(wèi),每年開展火災(zāi)應(yīng)急演習(xí),有效地防止了此類事件的再次發(fā)生。
就臺風(fēng)而言,我國最容易遭受襲擊的是浙江、福建、臺灣、廣東、海南五個沿海省份。據(jù)統(tǒng)計,1949年—2014年的65年中,登陸浙江的臺風(fēng) (不包括熱帶低壓)總共有40個,其中8月最多,7月次之[5],見表1。
表1 登陸臺風(fēng)統(tǒng)計表Table 1 Statistics sheet for landfall typhoon
從登陸強度看,12級臺風(fēng)或以上強度居多,占到了60%。8月登陸浙江的熱帶氣旋中,四分之三以上是臺風(fēng)或更強的強度。此外,40個登陸臺風(fēng)中,有8個為二次登陸。
從登陸時間看,熱帶氣旋最早登陸浙江的時間是2004年7月3日 (“蒲公英”),最晚登陸時間則是2007年10月7日 (“羅莎”)。
其中最為著名的有8個臺風(fēng)[6],見表2。中心氣壓最低的是1956年8月1日在象山登陸的強臺風(fēng) (5612號),登陸時臺風(fēng)的中心氣壓為923百帕,強度最強,造成的災(zāi)害也最嚴(yán)重,也是對杭州灣海域產(chǎn)生巨大影響的典型臺風(fēng)。
表2 登陸浙江的強臺風(fēng) (1949-2014)Table 2 Strong landfall typhoon in Zhejiang province(1949-2014)
臺風(fēng)或熱帶風(fēng)暴常常伴有暴雨和雷電,因此在臺風(fēng)期間,還應(yīng)密切關(guān)注海水水位變化、確保廠區(qū)排水設(shè)施和避雷系統(tǒng)的完整和可靠。
2008年到2013年間,秦一廠30萬千瓦的機組5次發(fā)生消防水泵在打雷期間自啟的現(xiàn)象,最終分析可能的原因是穩(wěn)壓水池液位聯(lián)鎖受雷擊影響較大。后經(jīng)過變更在山頂穩(wěn)壓水池前加裝防雷裝置,未再發(fā)生此現(xiàn)象。
2016年6月1日,秦一廠30萬千瓦機組6 k V凈水I段1#防雷變電源開關(guān)673速斷保護跳閘 (1#水線跳閘),巡線未發(fā)現(xiàn)異常,最終判斷為雷擊導(dǎo)致C相電流過大引發(fā)保護動作跳閘。
秦山地區(qū)曾發(fā)生多起雨水通過百葉窗或貫穿件漏進房間,造成房間地面積水而影響安全的事件。2004年9月5日,也曾發(fā)生因屋頂、墻體滲漏嚴(yán)重,滲漏的水滴到電氣設(shè)備上,導(dǎo)致電氣設(shè)備的絕緣下降的事件。當(dāng)時,主控觸發(fā)報警,6 k V安全I段進線開關(guān)601跳閘,1#應(yīng)急柴油發(fā)電機自啟,610開關(guān)自動合閘,柴油機輔助給水泵自啟,對機組安全運行造成了一定的影響。1997年到2016年間,僅秦山一廠因極端天氣原因而發(fā)生設(shè)備異常就多達(dá)20次,如圖1所示。
圖1 秦山一廠因極端天氣原因而發(fā)生設(shè)備異常的次數(shù)Fig.1 the number of equipment abnormal in Qinshan phase 1
另外,秦山二廠、三廠地勢比較高,而秦山一廠地勢較低,是一個鍋型結(jié)構(gòu),因此,暴雨期間,要重點防范水淹。
通過以上分析論證,發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)、暴雨和雷電是秦山地區(qū)需要重點防范的自然災(zāi)害,也是本文的重點研究對象。
臺風(fēng)、暴雨和雷電對核電廠的影響分以下幾種情況:
臺風(fēng)刮斷輸送電纜、雷電引起電力系統(tǒng)中斷或者電廠遭水淹引起輸電設(shè)備的短路等原因而導(dǎo)致電廠失去全部外來電源;
臺風(fēng)引起海浪翻越堤壩,造成電廠大面積水淹、暴雨導(dǎo)致電廠大面積水淹、兩者共同作用導(dǎo)致電廠大面積水淹或者重要設(shè)備因水淹而失效。
災(zāi)害可能導(dǎo)致兩種嚴(yán)重后果——全廠斷電 (全黑)和水淹 (這兩種后果同樣適用于地震與海嘯)。全廠斷電 (Station Blackout,簡稱SBO),指核電廠失去所有廠外和廠內(nèi)交流電源,是一個超設(shè)計基準(zhǔn)工況。反應(yīng)堆堆芯余熱排出所要求的許多安全系統(tǒng)的正常工作依靠交流電源,如果發(fā)生SBO事件,將會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果;同樣地,電廠遭遇水淹也是非常嚴(yán)重的問題,尤其是水淹高度達(dá)到設(shè)計基準(zhǔn)水位時,很多安全系統(tǒng)都已失效,對核安全形成極大挑戰(zhàn)。為防范這幾種災(zāi)害,電廠必須考慮以下幾個問題:
失去所有外部電源后,如何確保應(yīng)急柴油機的緊急啟動并較長時間穩(wěn)定供電;
臺風(fēng)期間,如何防止電廠被水淹;
廠區(qū)遭遇水淹時,如何快速排水,確保重要安全系統(tǒng)的可用性。
核電廠廠外電源喪失引發(fā)的全廠斷電事件是重要程度僅次于冷卻劑喪失事故和熱阱喪失事故的第3重要始發(fā)事件。核電廠交流電源對于電廠的安全運行及事故處理起著重要的作用[7]。正常情況下,廠外交流電源從電網(wǎng)經(jīng)主輸電系統(tǒng)而來,如果因臺風(fēng)、雷電或地震造成主輸電系統(tǒng)癱瘓,必須由應(yīng)急柴油發(fā)電機緊急供電。
因此,電廠必須時刻確保應(yīng)急柴油發(fā)電機的可用性,除了定期試驗確保其在良好狀態(tài)外,還應(yīng)將其安裝在安全位置,確保不被水淹。福島核電站事故就是在失去所有外電源的情況下,海嘯又造成除一臺應(yīng)急柴油發(fā)電機 (6B)外的所有應(yīng)急電源喪失,且外部援助無望而釀成的。
秦山地區(qū)只有秦一廠是一個濕廠址 (廠坪標(biāo)高5.00 m,低于設(shè)計基準(zhǔn)洪水位10.01 m),在增設(shè)重要廠房擋水檻等措施后,當(dāng)廠區(qū)水位達(dá)到最大可承受水位6.6 m時,高壓/低壓安注系統(tǒng)、安全殼噴淋系統(tǒng)、應(yīng)急柴油發(fā)電機廠房完全被水淹沒 (標(biāo)高均為5.3 m),只能采用外部電源供電導(dǎo)出余熱。為應(yīng)對全廠斷電事件,秦一廠增加了一套非安全級備用交流 (Alternate alternative current,簡稱AAC)柴油發(fā)電機組,以提高核電廠的縱深防御能力。在全廠失電工況下,向安全停堆相關(guān)負(fù)載提供充足、可靠的電力,保證堆芯的冷卻及余熱的排出,并確保安全殼的完整性。為防止水淹,柴油發(fā)電機組安裝在AAC柴油機廠房的2樓 (標(biāo)高為9 m)。
AAC電源項目的建設(shè)對秦一廠是非常重要的,因為AAC電源使300 MW機組在失去所有廠外電源及廠內(nèi)電源時有備用電源可以為安全停堆所需要的負(fù)荷提供必要的電力,增加了縱深防御的手段,提升了電廠的安全性。
由于二廠和三廠的場址標(biāo)高都超過最大風(fēng)暴潮引起的潮水位 (10.01 m)。因此,應(yīng)急柴油機相對安全,但為了防止極端情況下應(yīng)急柴油機被水淹,二廠和三廠都對應(yīng)急柴油機房增加了永久防護墻 (具體下文描述)。
另外,經(jīng)過對秦山地區(qū)九臺機組的分析評估,秦山核電確定了秦山地區(qū)移動設(shè)備的配置方案,具體配置方案包括:2臺低壓 (400 V)移動柴油發(fā)電車 (負(fù)荷為650 k W)、1臺中壓(6.6 k V-6.3 k V)移動柴油發(fā)電車 (負(fù)荷約為1800 k W),2臺移動柴油機泵 (額定流量65 m3·h-1,揚程220 m.H2O)。在電廠全黑時,首先考慮機組本身的應(yīng)急柴油發(fā)電機供電,在極端情況下,可啟用移動柴油發(fā)電車系統(tǒng),進一步提高了機組的安全性能。
基于我國沿海區(qū)域的歷史災(zāi)害情況和已有的工程實踐經(jīng)驗,秦山核電為了防御設(shè)計基準(zhǔn)洪水,采取的主要措施包括:
將安全重要物項建在設(shè)計基準(zhǔn)洪水水位之上,包括考慮風(fēng)浪影響。
建造永久的外部屏障,如防洪堤、擋浪墻和其他防洪構(gòu)筑物,并將防波堤作為安全相關(guān)物項考慮。
防洪設(shè)計中考慮可能產(chǎn)生的局部越浪,以及可能最大降雨產(chǎn)生的局地洪水影響,包括適當(dāng)?shù)呐潘O(shè)施,相應(yīng)的應(yīng)急防洪措施等。
編制了防水淹預(yù)案,定期進行相關(guān)演習(xí)。
3.2.1 秦一廠防水淹的措施及效果評價
在沒有改造前,秦一廠輔助廠房和電氣廠房擋水檻上沿的標(biāo)高為6.1 m,當(dāng)水位超過6.1 m時,布置在電氣廠房內(nèi)的輔助給水泵和布置在輔助廠房的高壓安注泵、停堆冷卻泵、噴淋泵均淹沒失效,因此,秦一廠所能承受的最大水淹高度為6.1 m。因此,在設(shè)計基準(zhǔn)洪水位時,秦一廠沒有抵御能力。因此,秦一廠積極采取了海堤加高、重要廠房封堵等一系列措施。
(1)海堤加高改造
福島事故后,秦山地區(qū)對海堤高度做了重新評估,計算分析及模型試驗結(jié)果表明秦一廠需要對海堤加固、加高改造,確保越浪量在可控范圍內(nèi)。秦二廠、秦三廠現(xiàn)有防洪(海堤,擋浪墻)設(shè)施穩(wěn)定,不需要進行改造。秦一、二、三廠場坪標(biāo)高及設(shè)計基準(zhǔn)水位見表3[8]。
(2)重要廠房封堵設(shè)防
在設(shè)計基準(zhǔn)洪水位時,海水會通過海水泵房的三個濾網(wǎng)開孔進入保護區(qū)。因此,增設(shè)3.1 m高49-3#號海水泵房擋水墻 (+10.10 m);為了防止擋水墻出現(xiàn)滲漏,威脅一回路海水泵,又在海水泵房內(nèi)的一回路海水泵坑入口四周加高0.5 m;另外,根據(jù)計算,秦一廠整個廠區(qū)的可能最大水淹水位為1.43 m(+6.43 m)??紤]一定的裕量,安全有關(guān)廠房按照設(shè)防高度+6.60 m進行封堵設(shè)計。因此,秦一廠實施了安全有關(guān)廠房如輔助廠房、主控室、應(yīng)急柴油發(fā)電機廠房等的開口項、通風(fēng)管道、工藝管道貫穿口、電纜貫穿口等的封堵,同時,改造夏家灣排水閘門,還對截洪溝進行了改造。
表3 秦山地區(qū)各核電廠設(shè)計基準(zhǔn)洪水位的變化Table 3 Variation of flood water level designed for nuclear power plants in Qinshan area:
(3)效果評價
經(jīng)過廠房封堵改造,秦一廠的最大可承受淹沒水位從6.1 m提升到6.6 m。但仍然比設(shè)計基準(zhǔn)洪水位 (10.01 m)低3.41 m。海堤改造后,所能承受的最大洪水位提高到12.7 m,比設(shè)計基準(zhǔn)洪水位10.01 m高出2.69 m,表明秦一廠是安全的,見圖2所示。
圖2 秦一廠水淹裕度Fig.2 Water flooded margin of Qinshan phase 1
3.2.2 秦二廠防水淹的措施及效果評價
上海核工程研究設(shè)計院曾做過計算,10.01 m設(shè)計基準(zhǔn)洪水下,疊加千年一遇降雨情況 (可能最大72小時點雨量等值線圖為1400 mm,可能最大24小時點雨量等值線圖為1000 mm[11]),分析計算秦二廠廠區(qū)積水深度:<0.70(+11.63)m[12],因此,秦二廠對安全重要廠房進行了改造,如:
將PX泵房 (海水泵房)SEC(安全廠用水系統(tǒng))泵坑無水密要求的共8臺0米以下人員門更換成水密門;LX(電氣廠房)-3.4 m層電纜采用MCT模塊封堵;安全重要廠房的門窗和孔洞設(shè)置擋水板或抬高高度到+11.63 m等。效果評價見圖3所示。
圖3 秦二廠水淹裕度Fig.3 Water flooded margin of Qinshan phase 2
3.2.3 秦三廠防水淹的措施
秦三廠的廠址地坪標(biāo)高為11.80 m(黃海標(biāo)高,下同),高于設(shè)計基準(zhǔn)洪水位(10.01 m)。上海核工程研究設(shè)計院也曾做過計算,在10.01 m設(shè)計基準(zhǔn)洪水,疊加千年一遇降雨情況下,秦山三廠廠區(qū)積水深度:<0.98(+12.78)m,洪水分別從南北護提內(nèi),籍堤頂溢流排入杭州灣[13]。而秦三廠可以利用高位噴淋水箱對蒸汽發(fā)生器二次側(cè)注水、利用蒸汽發(fā)生器MSSV排放蒸汽導(dǎo)出堆芯余熱,可承受的水淹高度達(dá)30.18 m。但因為主控室和主控設(shè)備間標(biāo)高為21.22 m,因此,秦三廠能承受的最大水淹高度為21.22 m,表明秦三廠是安全的[14]。見圖4所示。因此,秦三廠的改造比較少。只在海水泵房新增2.2 m擋水墻、備用柴油發(fā)電機廠房增設(shè)1.2 m永久擋水墻,在副控室、應(yīng)急水泵房、應(yīng)急柴油機廠房、高壓堆芯安注廠房等重要安全廠房周界門開口均采用1.2 m擋水閘門封堵等。
圖4 秦三廠水淹裕度Fig.4 Water flooded margin of Qinshan phase 3
由于秦一廠是個濕廠址,因此主要對其進行研究。秦一廠安全有關(guān)建筑物的地面標(biāo)高為5.300 m。核島建筑物和廠區(qū)前沿灘地的輔助廠房周圍的場地的坡度均設(shè)計成坡向排水泵房,廠區(qū)排水系統(tǒng)采取重力流形式進入排水泵房,然后通過泵房內(nèi)4臺泵的提升排入杭州灣 (每臺泵的最大排水量為2.5 m3·s-1,揚程為12 m)。
根據(jù)截水溝、排水溝正常排水,排水泵站工作正常的工況計算暴雨量為最不利的情況下,換算成積水標(biāo)高為5.230 m,低于核島建筑物地面標(biāo)高5.300 m。
若考慮截水溝、排水溝正常排水,排水泵站不工作,其積水標(biāo)高為5.948 m,淹沒核島建筑物地面0.648 m,為此,一廠積極采取措施:在秦山與方家山馬鞍形連接處,結(jié)合二期廠外道路,開辟梯形斷面缺口,并設(shè)可能最大降雨量 (Probable Maximum Precipitation,簡稱PMP)排水溝 (建廠時設(shè)計為斷面B×H=10×0.55 m,溝底坡度i=0.01,溝底標(biāo)高為4.100m—4.700 m,目前因為方家山建設(shè)時的道路加高建設(shè),深度已有3米有余)作為廠區(qū)PMP的排水通道,進一步將雨水經(jīng)夏家灣排入白洋河內(nèi)。
另外,在秦山上設(shè)置2條截洪溝,攔截山上下來的雨水,排入白洋河 (位置在二廠山洞出口處),確保核島場地標(biāo)高5.300 m不受淹沒。
此外,電廠還購置了一批移動潛水泵。當(dāng)廠區(qū)積水時,適時安裝在排水口,提高排水效率。
綜上所述,秦山地區(qū)無論在防全黑還是在防水淹方面,都做了充分的準(zhǔn)備,設(shè)計上可應(yīng)對極端災(zāi)害的影響。
(1)福島事故發(fā)生后,國家核安全局組織專家組對秦山核電進行了檢查,并最終確定了27個大項,55個子項的評估和技防整改項目,目前已全部完成。主要包括:海堤越浪量計算、海堤加高及擋水墻改造、增設(shè)高位柴油發(fā)電機、消防改造、提升消氫系統(tǒng)功能、加強補水能力、提高蓄電池能力、加強與氣象部門的信息交流等,使秦山核電防全黑、防洪防水淹、防氫爆、事故補水等能力明顯提高,從技術(shù)上進一步保證了核安全,得到了國家核安全局的認(rèn)可。
(2)雖然秦山核電為自然災(zāi)害的預(yù)防做了大量工作,但并非意味著所有問題都會得到解決,例如:雖然為九臺機組配備了一臺6 k V,1800 k W移動柴油發(fā)電機、兩臺400 V,650 k W移動柴油發(fā)電機和兩臺移動柴油泵。但如果發(fā)生多機組事故,這些移動設(shè)備可能不足以響應(yīng)此類事件。與臺灣和法國核電廠相比,配置標(biāo)準(zhǔn)是比較低的。
(3)另外,目前移動電源存放的位置較高,在一廠大面積深度水淹等極端情況下,是否可以安全地運輸?shù)街付ㄎ恢?還需要進一步考慮和驗證。
(4)安全只能被證偽,無法被證實,自然災(zāi)害的預(yù)防與應(yīng)對是一個長期工作,需要常備不懈。秦山核電針對電廠全黑沒有進行過應(yīng)急演習(xí),也沒有開展過綜合應(yīng)急演習(xí)盲演。萬一發(fā)生全廠失電,需要在廠房黑暗環(huán)境下開展檢查、送電、注水等一系列作業(yè),這方面的能力還有待考驗。
(5)本文只對秦山核電自然災(zāi)害的預(yù)防措施做了說明,沒有涉及管理流程等內(nèi)容,但并不代表管理不重要。相反,任何電廠,只有預(yù)防措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,還要建立健全應(yīng)急管理組織體系[15],根據(jù)應(yīng)急預(yù)案針對情況的不同,準(zhǔn)備好綜合應(yīng)急預(yù)案、專項應(yīng)急預(yù)案和現(xiàn)場處置方案等各類應(yīng)急預(yù)案,另外,要有明確、具體的事故預(yù)防措施和應(yīng)急程序等[16]。因此,管理是非常重要的。技術(shù)與管理,缺一不可。
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