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(福建福清核電有限公司，福建　福清　350318)

1　電氣廠房冷凍水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

電氣廠房冷凍水系統(tǒng)(DEL)的功能是為電氣廠房?jī)?nèi)的主控制室空調(diào)系統(tǒng)(DVC)、電氣廠房主通風(fēng)系統(tǒng)(DVL)和電纜層通風(fēng)系統(tǒng)(DVE)的冷卻盤管提供8℃的冷凍水，回收冷卻盤管熱量，并經(jīng)由冷水機(jī)組將這些熱量傳遞給設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(RRI)。通過(guò)與DVC/DVE/DVL三個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行，使電氣廠房的各個(gè)房間溫度和濕度處于設(shè)計(jì)要求的范圍之內(nèi)，從而保證了電氣廠房?jī)?nèi)設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

DEL系統(tǒng)是一個(gè)封閉式的冷凍水回路，系統(tǒng)由2臺(tái)水冷式冷水機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱水冷機(jī)組)、1臺(tái)風(fēng)冷機(jī)組和3臺(tái)冷凍水循環(huán)泵等組成。其中風(fēng)冷機(jī)組和相應(yīng)的冷凍水循環(huán)泵設(shè)置的目的是在H1工況(指核電機(jī)組喪失最終熱阱的事故工況)的情況下，獨(dú)立為主控室空調(diào)系統(tǒng)(DVC)提供冷凍水，用以確保主控室的DCS(集散式控制系統(tǒng))設(shè)備的正常運(yùn)行[1]。

2　風(fēng)冷機(jī)組運(yùn)行工況說(shuō)明及存在的不足

風(fēng)冷機(jī)組和冷凍水循環(huán)泵的運(yùn)行時(shí)間段主要分為三個(gè)時(shí)間段：機(jī)組調(diào)試期間、機(jī)組正常運(yùn)行期間以及H1工況期間。

在福清核電站1～4號(hào)機(jī)組調(diào)試期間，調(diào)試前期由于重要廠用水系統(tǒng)(SEC)和設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(RRI)尚不滿足運(yùn)行條件，DEL的兩臺(tái)水冷機(jī)組無(wú)法運(yùn)行。為了保持DCS重要設(shè)備和電氣盤柜的安全穩(wěn)定運(yùn)行，采用臨時(shí)通風(fēng)和臨時(shí)空調(diào)等方法為一些重要房間提供冷風(fēng)；但在夏季階段，臨時(shí)設(shè)施不能滿足上述重要設(shè)備的運(yùn)行要求，此時(shí)需要長(zhǎng)期運(yùn)行DEL風(fēng)冷機(jī)組為DVC系統(tǒng)提供冷凍水，向主控制室和DCS重要設(shè)備房間持續(xù)輸送冷風(fēng)，維持這些房間的溫濕度處于設(shè)計(jì)限值之內(nèi)。

在機(jī)組正常運(yùn)行期間，由于機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，兩臺(tái)水冷機(jī)組(一用一備)已經(jīng)足夠滿足機(jī)組運(yùn)行要求，風(fēng)冷機(jī)組作為DEL系統(tǒng)的最終備用機(jī)組，僅在執(zhí)行定期試驗(yàn)時(shí)運(yùn)行。

在H1工況期間，由于熱阱全部喪失，兩臺(tái)水冷機(jī)組均無(wú)法運(yùn)行。根據(jù)RCC-P(指法國(guó)壓水堆核電站核島系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則，1991版1995修訂)的第4.5.4.2節(jié)“喪失全部熱阱”節(jié)中要求，在全部喪失熱阱后維持機(jī)組處于安全狀態(tài)一個(gè)月，以恢復(fù)最終熱阱[2]。根據(jù)相關(guān)要求，在機(jī)組全部喪失熱阱期間，需要風(fēng)冷機(jī)組持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，單獨(dú)向DVC系統(tǒng)提供冷凍水，維持主控室和DCS重要設(shè)備房間溫濕度在限值之內(nèi)，確保主控制室和DCS系統(tǒng)設(shè)備在事故情況下的正常運(yùn)行，從而維持機(jī)組處于安全狀態(tài)。

然而經(jīng)過(guò)深入分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)冷機(jī)組及其相應(yīng)的冷凍水循環(huán)泵存在以下不足：

1)在機(jī)組大修期間以及多種事故工況疊加(比如H1工況外加失去全部廠外電源的事故工況)情況下DEL風(fēng)冷機(jī)組無(wú)法有效發(fā)揮其功能，甚至完全失去作用；

2)根據(jù)福清核電站1～4號(hào)機(jī)組調(diào)試經(jīng)驗(yàn)反饋，機(jī)組調(diào)試期間進(jìn)行6.6kV母線試驗(yàn)和停電檢修時(shí)，經(jīng)常導(dǎo)致風(fēng)冷機(jī)組不可用，電氣廠房只能依靠臨時(shí)空調(diào)維持DCS系統(tǒng)所在的少數(shù)房間的持續(xù)送冷風(fēng)。

由于DEL系統(tǒng)是安全相關(guān)系統(tǒng)(DCS/DVC)的支持系統(tǒng)，對(duì)核電廠的運(yùn)行安全有著重要的貢獻(xiàn)，因此，DEL系統(tǒng)的喪失是不可接受的。三哩島核事故告訴我們，設(shè)備和人因的累積失效是可能發(fā)生的，為了對(duì)付多種、無(wú)限事件帶來(lái)的困難，需提高系統(tǒng)和設(shè)備的固有安全性，提升系統(tǒng)和設(shè)備在各種事故下的應(yīng)對(duì)能力。以此看來(lái)，風(fēng)冷機(jī)組的安全可靠性具有一定的提升空間，也很有必要提高其安全可靠性。

3　風(fēng)冷機(jī)組、冷凍水循環(huán)泵控制系統(tǒng)和供電模式分析

3.1　控制系統(tǒng)及供電模式說(shuō)明

1臺(tái)風(fēng)冷機(jī)組包含兩個(gè)模塊，每個(gè)模塊單元內(nèi)包括了一個(gè)完整的制冷系統(tǒng)。風(fēng)冷機(jī)組的控制系統(tǒng)由1臺(tái)觸摸屏電腦、1個(gè)系統(tǒng)控制器以及安裝在每個(gè)模塊單元冷水機(jī)組中的兩臺(tái)單元控制器組成，它們通過(guò)通訊電纜連接成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。每個(gè)單元控制器既可以在觸摸屏和系統(tǒng)控制器組成聯(lián)機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行，也可以在必要時(shí)對(duì)模塊單元單獨(dú)控制運(yùn)行。

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1臺(tái)風(fēng)冷機(jī)組由兩路不同的380V電源供電，每個(gè)機(jī)組的風(fēng)冷機(jī)組分別由LKD和LKE的380V母線供電(由M310機(jī)組的全廠供電關(guān)系可知，LKD的上游電源來(lái)自LGB 6.6kV母線，而LKE的上游電源來(lái)自LGC 6.6kV母線)。每個(gè)供電回路對(duì)應(yīng)一個(gè)模塊單元，對(duì)該模塊單元的壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和單元控制器等設(shè)備供電。每個(gè)模塊單元的單元控制器供電由相應(yīng)的供電回路通過(guò)一個(gè)變壓器轉(zhuǎn)換成低壓電源供電，而系統(tǒng)控制器和觸摸屏電腦的供電則是由兩個(gè)單元控制器的兩路低壓電源通過(guò)一個(gè)雙電源轉(zhuǎn)換裝置供電。風(fēng)冷機(jī)組對(duì)應(yīng)的冷凍水循環(huán)泵的上游電源來(lái)自LKE的380V母線。

控制系統(tǒng)的架構(gòu)連接和風(fēng)冷機(jī)組整機(jī)(包括控制系統(tǒng))以及冷凍水循環(huán)泵供電模式簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)的架構(gòu)連接、控制系統(tǒng)和冷凍水循環(huán)泵的供電模式Fig.1　Power supply mode of control system and chilled water pump

3.2　供電模式問(wèn)題分析

通過(guò)對(duì)風(fēng)冷機(jī)組和冷凍水循環(huán)泵控制系統(tǒng)及供電模式分析，發(fā)現(xiàn)其供電模式存在兩個(gè)根本問(wèn)題。

首先，上游電源安全可靠性不高。風(fēng)機(jī)機(jī)組和冷凍水循環(huán)泵的上游電源來(lái)自LGB和LGC母線，屬于機(jī)組常備廠用設(shè)備，以福清核電站1、2號(hào)機(jī)組為例，機(jī)組正常運(yùn)行工況下供電單線圖如圖2所示。在機(jī)組出現(xiàn)由應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)供電的事故工況時(shí)，LGB和LGC母線失電，風(fēng)冷機(jī)組完全失去供電電源。倘若此時(shí)發(fā)生喪失全部熱阱的疊加事故，水冷機(jī)組也將失去作用。屆時(shí)，整個(gè)電氣廠房失去冷凍水，主控制室以及DCS機(jī)柜間溫度持續(xù)上升，DCS重要設(shè)備的安全性受到嚴(yán)重威脅，影響核電機(jī)組在事故工況下對(duì)重要應(yīng)急設(shè)備的控制功能，從而進(jìn)一步擴(kuò)大事故范圍。

圖2　機(jī)組正常運(yùn)行工況下供電單線圖Fig.2　Power supply diagram of unit in normal operating condition

其次，冷凍水循環(huán)泵的供電電源單一。由于風(fēng)冷機(jī)組由LKD和LKE兩路電源供電，系統(tǒng)控制器設(shè)置了雙電源供電轉(zhuǎn)換裝置，因此風(fēng)冷機(jī)組可在任一列電源失電的情況下仍能保持50%功率輸出。但是，冷凍水循環(huán)泵僅由LKE供電，如果該機(jī)組的LKE或者上游LGC母線電源喪失，冷凍水循環(huán)泵將無(wú)法運(yùn)行，即使風(fēng)冷機(jī)組仍然保持一列供電，由于冷凍水無(wú)法循環(huán)流動(dòng)，風(fēng)冷機(jī)組也將無(wú)法運(yùn)行，DEL系統(tǒng)將喪失風(fēng)冷機(jī)組功能，風(fēng)冷機(jī)組的雙電源供電的優(yōu)勢(shì)無(wú)法發(fā)揮。

供電電源單一會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題。在機(jī)組大修期間，系列A或者系列B的配電盤檢修時(shí)，雖然設(shè)計(jì)有LRT大修再供電系統(tǒng)為大修期間需要投入使用的設(shè)備供電，但是再供電設(shè)備范圍不包括DEL系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備[3]，如果LKE/LGC所在的系列檢修時(shí)，DEL系統(tǒng)的1列水冷機(jī)組和風(fēng)冷機(jī)組不可用，此時(shí)僅有一列水冷機(jī)組能夠運(yùn)行，若運(yùn)行的水冷機(jī)組故障，整個(gè)DEL系統(tǒng)將可不用。而在機(jī)組調(diào)試期間，根據(jù)福清核電調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，由于重要廠用水系統(tǒng)和設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的安裝調(diào)試進(jìn)度滯后，DEL水冷機(jī)組無(wú)法運(yùn)行，常需要風(fēng)冷機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行，以提供一個(gè)良好的調(diào)試工作環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行環(huán)境。但是在盤柜檢修以及電源試驗(yàn)期間， LKE/LGC失電時(shí)， DEL風(fēng)冷機(jī)組不可用，此時(shí)為了保證DCS設(shè)備工作環(huán)境，常采用臨時(shí)空調(diào)為DCS設(shè)備間送冷風(fēng)，這種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且效果不理想，在福清核電現(xiàn)場(chǎng)炎熱的夏季期間，臨時(shí)空調(diào)無(wú)法滿足DCS設(shè)備持續(xù)運(yùn)行要求。

4　供電模式改進(jìn)分析

為了保證DEL風(fēng)冷機(jī)組在多種工況下的運(yùn)行可靠性，經(jīng)過(guò)分析，可將風(fēng)冷機(jī)組和冷凍水循環(huán)泵的上游電源設(shè)置在安全性和穩(wěn)定性較高的母線上，以提高其供電的可靠性。通過(guò)對(duì)M310機(jī)組全廠供電關(guān)系的分析(以福清核電站1、2號(hào)機(jī)組為例)，現(xiàn)提出以下改進(jìn)方案，詳見(jiàn)表1。改進(jìn)后的供電模式如圖3所示。同時(shí)，通過(guò)改進(jìn)方案的優(yōu)勢(shì)和可行性對(duì)其進(jìn)行深入分析。

表1　改進(jìn)方案列表Table 1　Improvement project

圖3　改進(jìn)后供電模式簡(jiǎn)圖Fig.3　Power supply diagram after improvement

4.1　改進(jìn)方案優(yōu)勢(shì)

2)充分發(fā)揮雙電源供電優(yōu)勢(shì)。改進(jìn)方案為風(fēng)冷機(jī)組的冷凍水循環(huán)泵設(shè)置了雙電源供電切換裝置，使得整個(gè)風(fēng)冷機(jī)組具備雙電源供電，能夠應(yīng)對(duì)多種失電事故工況。

3)操作便捷，快速響應(yīng)。由于每個(gè)機(jī)組均設(shè)置了LHA/LHB系統(tǒng)，其下游380V配電盤柜集中設(shè)置在電氣廠房?jī)?nèi)，風(fēng)冷機(jī)組的兩路電源以及雙電源切換裝置的兩路電源均可單獨(dú)設(shè)置在每個(gè)機(jī)組的電氣廠房?jī)?nèi)，與水冷機(jī)組的供電盤柜布置在一起，使得整個(gè)DEL系統(tǒng)的供電盤柜布置集中，操作便捷，在緊急情況下能夠快速響應(yīng)。

4.2　改進(jìn)可行性分析

4.2.1電纜敷設(shè)可行性

風(fēng)冷機(jī)組和冷凍水循環(huán)泵現(xiàn)有的供電電源與LHA/LHB下游的380V交流應(yīng)急電源均是布置在電氣廠房的同一層相鄰房間內(nèi)。因此，可以利用現(xiàn)有的電纜敷設(shè)路徑，僅需進(jìn)行細(xì)微的修改即可完成改進(jìn)方案的電纜敷設(shè)。對(duì)于冷凍水循環(huán)泵雙電源改進(jìn)的電纜敷設(shè)問(wèn)題，則可沿著原有的電纜路徑增加敷設(shè)一條電纜，在泵的附近安裝雙電源供電切換裝置(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查看，福清核電冷凍水循環(huán)泵所在房間具備安裝雙電源供電切換裝置的條件)。

4.2.2電源裕量分析

首先是電源盤柜的布置問(wèn)題。每個(gè)380V交流應(yīng)急電源系統(tǒng)上均會(huì)設(shè)置足夠數(shù)量和足夠容量的備用盤柜，以備電源改造之需，比如福清核電LLA電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶負(fù)載總功率為987kW，下游負(fù)荷實(shí)際總功率為766kW，同時(shí)設(shè)置了4個(gè)備用抽屜，而風(fēng)冷機(jī)組一列電源的功率為102kW，冷凍水循環(huán)泵的功率為15kW，由此來(lái)看，應(yīng)急電源系統(tǒng)完全能夠滿足改造需求。其次是改進(jìn)后的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載問(wèn)題。將電源設(shè)置在應(yīng)急電源母線上，表面上看來(lái)是增加了應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的負(fù)載。但是，由于水冷機(jī)組上游電源也是設(shè)置在應(yīng)急電源母線上，而在柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行的事故工況下，兩種冷凍機(jī)組并不會(huì)同時(shí)運(yùn)行，因此，改進(jìn)方案實(shí)際上并不會(huì)增加應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的負(fù)載。

4.2.3改進(jìn)實(shí)施窗口

對(duì)于新建機(jī)組，可在機(jī)組設(shè)計(jì)階段即對(duì)風(fēng)冷機(jī)組和冷凍水循環(huán)泵上游電源進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，后續(xù)機(jī)組安裝時(shí)即可實(shí)施；對(duì)于調(diào)試階段的機(jī)組，因調(diào)試階段的停電窗口較多，可通過(guò)調(diào)試變更的方式選擇合適的窗口實(shí)施改造；對(duì)于運(yùn)行機(jī)組，則可以選擇機(jī)組大修期間電源母線檢修等窗口實(shí)施改造。

綜上所述，此改進(jìn)方案具有較多的優(yōu)勢(shì)，而且實(shí)施可行性高。

5　結(jié)論

通過(guò)上述的深入探討分析，同時(shí)參考方家山主泵相關(guān)設(shè)備電源安全性改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)反饋[5]，結(jié)合改進(jìn)方案的優(yōu)勢(shì)和可行性，改進(jìn)后的供電可靠性考慮，可將DEL風(fēng)冷機(jī)組兩路電源分別設(shè)置在LHA/LHB下游380V交流應(yīng)急電源系統(tǒng)上，以及為冷凍水循環(huán)泵設(shè)置雙電源供電切換裝置，切換裝置的兩路電源也分別設(shè)置在LHA/LHB下游380V交流應(yīng)急電源系統(tǒng)上，以提高其供電可靠性，進(jìn)一步提升風(fēng)冷機(jī)組的安全可靠性，最終使得DEL系統(tǒng)能夠在多種不同工況期間能夠更好地執(zhí)行其設(shè)計(jì)功能。此改進(jìn)方案可供后續(xù)類似機(jī)組系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)作參考。