高 偉

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

2011 年 3 月 11 日下午，日本東北部海域發(fā)生里氏 9 級強烈地震，地震發(fā)生時，福島第一核電站的1、2、3號機組正在運行，4號機組正在換料大修，5、6號機組正處于定期停堆維修狀態(tài)。地震發(fā)生后機組實現(xiàn)自動停堆，但電站的外電網(wǎng)由于地震全部癱瘓，各機組自身的應急柴油發(fā)電機緊急啟動，但遭遇隨之即到的巨大海嘯襲擊而失去所有電源供應，反應堆堆芯喪失強迫冷卻手段，堆芯核燃料衰變產(chǎn)生的余熱無法導出，導致部分堆芯熔化。隨后部分廠房氫氣聚集引發(fā)爆炸、起火，大量放射性物質(zhì)外泄，造成核電歷史上又一次重大的事故，也是人類的又一次災難。

1 穩(wěn)壓器安全閥使用的意義

福島事故發(fā)生以后，中國在役及在建核電站針對福島事故進行總結整改工作，其中福島事故后穩(wěn)壓器安全閥再供電工作作為堆芯余熱排出重要手段，也是當中重要的整改工作之一。

根據(jù)福島當時事故的背景，如果核電站發(fā)生全廠斷電事故工況（SBO），如何順利排出堆芯余熱將成為事故處理首要工作。為應對極限事故工況堆芯冷卻，核電站在保留原有安全措施的基礎上增設了福島事故后一、二回路等應急補水改造。當一回路自然循環(huán)可以建立且二回路緊急排熱路徑暢通，則首先考慮利用二回路排出堆芯余熱，此時二回路應急補水產(chǎn)生作用；當二回路排熱手段不可用時，為防止高壓熔堆情況的發(fā)生，在嚴重事故管理導則中要求在綜合評估泄壓的好處和潛在風險的前提下，對一回路進行降壓操作。通過開啟穩(wěn)壓器安全閥使一回路的壓力降低到一定水平。當成功實施一回路泄壓后，則可根據(jù)相關規(guī)程和嚴重事故管理導則的要求，通過實施一回路應急補水，最終實現(xiàn)對堆芯的冷卻。

當二回路排熱手段不可用需要一回路補水操作時，如何確保穩(wěn)壓器安全閥的長時間開啟成為一個很重要的環(huán)節(jié)，只有穩(wěn)壓器安全閥的可靠開啟才能保證一回路的泄壓和應急補水的注入，而同時保證穩(wěn)壓器安全閥的長時間開啟才能確保應急補水帶走熱量流出，最終實現(xiàn)對堆芯的冷卻。

2 穩(wěn)壓器安全閥介紹

2.1 穩(wěn)壓器安全閥組成

由3個安全閥組提供穩(wěn)壓器的超壓保護。每一個閥組由串聯(lián)安裝的兩臺閥門組成：

1）一臺提供卸壓功能的上游閥門，稱為“保護閥”。

2）一臺提供隔離功能的下游閥門，稱為“隔離閥”。

“本廠穩(wěn)壓器隔離閥為RCP017、018、019VP，穩(wěn)壓器超壓保護閥為RCP020、021、022VP。在正常運行期間，保護閥關閉，隔離閥開啟。在超壓保護閥自動起跳開啟后，一旦不能自動回座關閉時，則系統(tǒng)壓力繼續(xù)下降，下降到隔離閥關閉壓力時，隔離閥自動關閉，隔離卸壓管路，防止蒸汽的過量排放。RCP 系統(tǒng)在正常運行期間，所有超壓保護閥都是關閉的，當它們達到各自的壓力設定值時才自動起跳開啟，排放卸壓”[1]。

本廠使用的穩(wěn)壓器安全閥為法國生產(chǎn)的SEBIM安全閥，SEBIM安全閥為世界上技術先進的一類先導式安全閥，為壓水堆核電廠最重要和復雜的一類閥門，是核島一回路的最后一道壓力屏障。它的低壓保護功能使其在三哩島事故后得到全世界核電站廣泛的應用，可以說SEBIM安全閥是針對解決三哩島事故工況發(fā)展起來的。穩(wěn)壓器安全閥的作用為：確保在RCP系統(tǒng)超壓狀況下將穩(wěn)壓器內(nèi)壓力及時釋放，保證了系統(tǒng)及設備的安全；確保RCP系統(tǒng)在低壓狀態(tài)下及時關閉閥門，保護一回路壓力，避免壓力太低造成堆芯融化風險。福島事故后，穩(wěn)壓器安全閥開發(fā)的新作用：極限事故工況下，穩(wěn)壓器安全閥恰當?shù)亻_啟，促使堆芯冷卻水的流出，從而帶走堆芯余熱。

2.2 穩(wěn)壓器安全閥運行原理

當穩(wěn)壓器壓力低于先導閥的整定壓力時，先導閥的傳動桿在上面位置，先導盤R1開啟，使主閥活塞上部與穩(wěn)壓器接通。由于主閥活塞的表面積比閥瓣的大，因而安全閥關閉。

當穩(wěn)壓器壓力升高時，它作用在先導活塞上，并且使先導傳動桿向下，先導盤R1使主閥活塞與穩(wěn)壓器隔離，此時安全閥仍保持關閉。

圖1 穩(wěn)壓器安全閥原理圖Fig.1 Voltage regulator safety valve schematic

當穩(wěn)壓器壓力達到先導閥的整定壓力時，先導傳動桿進一步向下，先導盤R2開啟，主閥活塞上部容納的流體排出，作用在主閥閥瓣上的穩(wěn)壓器壓力使安全閥開啟。

當穩(wěn)壓器壓力降低時，先導傳動桿上升，首先關閉先導盤R2，開啟先導盤R1，然后使主閥活塞上部與穩(wěn)壓器接通，于是安全閥關閉。安全閥在低于其整定壓力下，通過使電磁線圈通電，可以強迫“開啟”。

如果先導盤R1處于開啟位置（即壓力低于先導盤R1的整定壓力），通過使電磁線圈斷電，在主閥活塞上可以重新建立壓力并關閉安全閥。相反，如果先導盤R1維持關閉（壓力高于R1的整定壓力），則不能重新建立壓力，而且安全閥維持開啟狀態(tài)。

3 穩(wěn)壓器安全閥現(xiàn)狀及再供電整改問題

本廠1、2、3、4號機組的一回路安全閥手操電控電磁閥由繼電器機架上UP來供電，其中RCP017、018、020、021VP為A列48V直流電源LCA系統(tǒng)供電，RCP019、022VP為B列48V直流電源LCB系統(tǒng)供電。在嚴重事故發(fā)生時，全廠斷電UP電源喪失，如果考慮長時間SBO工況下一回路的泄壓功能延伸，需要考慮安全閥較長時間的供電要求。在全廠斷電時，LCA和LCB系統(tǒng)蓄電池組只能夠保證對全部負載進行Id放電1h。目前本廠1、2、3、4號4臺機組的一回路安全閥手操電控電磁閥由繼電器機架上UP來供電。嚴重事故時，如果考慮一回路的泄壓延伸功能，則需要考慮安全閥較長時間內(nèi)的供電問題。因此，需要對本廠安全閥電磁閥進行再供電設計，確保其SBO工況下的可用性。

圖2 LNE360CR一次接線圖Fig.2 LNE360CR one wiring diagram

以下內(nèi)容以本廠1/2號機組為例，針對穩(wěn)壓器安全閥再供電問題進行論述。如果核電站發(fā)生全廠斷電事故工況，只能考慮使用水壓試驗泵汽輪發(fā)電機組系統(tǒng)，對重要設備進行可靠供電。1/2號小汽輪發(fā)電機組均為共用設備9LLS001AR供電，而9LLS001AR給9LLS母線上提供380V的交流電，9LLS母線上帶有負載LNE360CR，LNE360CR是通過母線下380V/220V變壓器提供220V電源，剛好可以對設備進行穩(wěn)定可靠供電。

基于這種情況，所以考慮從LNE360CR箱內(nèi)的備用開關供電至RCP系統(tǒng)機架。并在機架附近墻上對A/B列各設置一個整流器箱，其中A列機架有兩組閥門（4個閥RCP017、018、020、021VP），B列一組閥門（2個閥RCP019、022VP），整流器箱內(nèi)的整流器將LNE360CR內(nèi)輸出的220V交流電整流成48V直流電后，在應急需要的工況下由人手動將新增整流器箱48VDC電源轉接到需要供電的機架UP設備。

LNE360CR在設計時由三路電源對其進行供電，控制箱內(nèi)含有三路插座，根據(jù)實際情況選擇對負載進行供電：

1）正常情況下由LNE逆變器LNE001TB帶載，插座為001PJ。

2）小汽輪發(fā)電機組9LLS001AR帶載，插座為002PJ。

3）1/2號LNE360CR配電箱互為備用供電帶載，插座為003PJ。

根據(jù)LNE一次接線圖上可以看出來，LNE360CR內(nèi)還有兩個備用開關LNE371JA與LNE372JA。所以穩(wěn)壓器安全閥再供電電源就從LNE360CR內(nèi)備用開關LNE371JA與LNE372JA引至RCP系統(tǒng)機架中，其中將LNE371JA作為A列安全閥供電，LNE372JA作為B列安全閥供電。

在R C P系統(tǒng)機架附近，新增就地整流插座箱RCP100CR（A列）與RCP200CR（B列），箱內(nèi)設置有220VAC/48VDC整流器，在應急需要的情況下由運行人員手動將RCP100CR或RCP200CR內(nèi)48V直流輸出電源插座通過和RCP系統(tǒng)機架連接的插頭對接，實現(xiàn)RCP安全閥的再供電。

穩(wěn)壓器安全閥A列和B列共計6臺閥門，每臺閥門在有整流器再供電時的計算電流在1.5A左右。因此，每臺閥門整流器的上游空氣開關選擇S262-C6型開關即可，對于每臺就地插座箱的上游電源從LNE360CR箱內(nèi)的空氣開關選擇分段時間大一些的S272-C6即可。

就地插座箱1/2RCP100CR分別安裝于L505和L545房間內(nèi)，箱內(nèi)設置有4路S262-C6 2P型空氣開關，在每一路空開下游設置1個220V AC/48V DC整流電源模塊，4路電源模塊下游依次設有RCP017PJ、RCP018PJ、RCP020PJ、RCP021 PJ電源插座，對應插頭接線依次引至RCP系統(tǒng)機架附近，將接線接頭處用絕緣膠布包扎好。同時，對帶有插頭的電纜兩端安裝電纜標識牌，對插頭電纜另一端出同時安裝好電纜的正、負極標識線號。

就地插座箱1/2RCP200CR分別安裝于L509和L549房間內(nèi)，箱內(nèi)設置有2路S262-C6 2P型空氣開關，在每一路空開下游設置1個220V AC/48V DC整流電源模塊，2路電源模塊下游依次設有RCP019PJ、RCP022PJ電源插座，對應插頭接線依次引至RCP系統(tǒng)機架附近，將接線接頭處用絕緣膠布包扎好。同時，對帶有插頭的電纜兩端安裝電纜標識牌，對插頭電纜另一端同時安裝好電纜的正、負極標識線號。

為避免再供電電源反送至機架上游電源母線，在正常運行期間，如果將插頭電纜與RCP系統(tǒng)機架連接，則機架UP電源會反送電至再供電插頭處，若插頭不慎接地，則會影響RCP系統(tǒng)機架的正常運行。為了避免此類情況發(fā)生，所以送至機架UP出線側的電纜只將接頭做好，用絕緣膠布包扎好，并標識“RCP安全閥再供電電纜”并不接入系統(tǒng)。在SBO事故工況時，由運行人員根據(jù)實際情況執(zhí)行運行規(guī)程，判斷電纜是否需要接入UP對穩(wěn)壓器安全閥進行再供電。

需要特別注意的是，在事故工況下，機架上游直流母線失電期間，UP并未跳閘，為避免再供電電源反送至機架上游直流母線，應先人為斷開A列和B列6臺閥門的機架UP電源，然后再將RCP100CR和RCP200CR內(nèi)再供電插頭電纜分別接至6臺閥門機架UP出線側的直流母線端子排上，從而對穩(wěn)壓器安全閥進行再供電。

4 穩(wěn)壓器安全閥再供電方式中的問題分析

4.1 就地箱內(nèi)整流器維護問題

作為穩(wěn)壓器安全閥再供電整改中最重要的設計，就是增加兩個就地插座箱來為穩(wěn)壓器安全閥組提供額外的動力支持，而在就地插座箱中最重要的元器件就是整流器。配電箱內(nèi)的整流器需要能夠為下游負載提供穩(wěn)定可靠的48V直流電源，以保證在事故工況下穩(wěn)壓器安全閥組的可靠動作。

就地配電箱內(nèi)的整流器全稱應該為高頻開關整流器，這種高頻開關整流器與傳統(tǒng)的相控整流器相比，具有體積小、重量輕、功率因數(shù)高、可聞噪聲低和效率高的特點?！案哳l開關電源整流器的工作原理：交流電源接入整流模塊，經(jīng)濾波及三相全波整流器后變成直流，再接入高頻逆變回路，將直流轉換為高頻交流，最后經(jīng)高頻變壓器、整流橋、濾波器后輸出平穩(wěn)直流[2]”。如圖3所示。

由于整流器元器件在再供電系統(tǒng)中的重要性，因而需要對整流器進行必要的檢修維護工作,對整流器開展定期的維護工作包括：

圖3 高頻開關整流器基本構成框圖Fig.3 Basic composition block diagram of high frequency switch rectifier

1）檢查確認整流器外觀無污漬、潮氣侵蝕，無明顯被壓破損壞痕跡，接線端子螺絲齊全。

2）檢查整流器電源輸入輸出側接線端子表面平整，無金屬熔化及燒傷痕跡。

3）使用250V兆歐表測量一次側對地絕緣電阻不小于0.5MΩ。

4）使用50V兆歐表測量二次側對地絕緣電阻不小于0.5MΩ。

5）一次側接入220V交流電源，測量二次側空載輸出電壓應有穩(wěn)定的DC 48V±10%電壓。

6）二次側接入變阻器負載，測量輸出電壓紋波系數(shù)，不大于2%。

高頻開關整流器內(nèi)有一個用于對功率開關器件提供啟動電流的電阻，該電阻長期通電發(fā)熱會發(fā)生損壞從而引起整流器無法使用。但是如果整流器長期不通電工作使用，整流器內(nèi)的濾波電容元器件經(jīng)常沒有進行充放電活化，更易導致濾波電容性能的下降從而整流器整體損壞。兩者相比較而言，整流器開關更適合處于長期通電狀態(tài)，因為現(xiàn)在就高頻開關整流器技術而言，啟動電阻相比較濾波電容而言更加耐用可靠。

4.2 應急情況下，人因失誤問題

縱觀歷史上發(fā)生的兩次大的核事故當中，人因失誤問題對事故的范圍擴大造成了重要影響。切爾諾貝利事故調(diào)查中主要是由兩個因素共同造成的：一是其反應堆設計不完善，尤其是沒有安全殼；二是嚴重的人因錯誤和管理缺陷，即運行人員多次嚴重而粗暴地違反安全條例和操作規(guī)程，進行了一系列錯誤的操作和處理。美國三哩島事故調(diào)查總統(tǒng)委員會在事故報告中認定，是設備故障導致事故發(fā)生，但是操作者的失誤也是導致此次事故的主要原因。人誤致使設備故障，設備故障引發(fā)了事件，運行人員（包括操縱員、工程師和主管）沒有及時診斷出系統(tǒng)的真實情況，采取了錯誤的操作，使一個小的事件擴大為嚴重事故。因此，當事故發(fā)生時，由于現(xiàn)場情況緊急，任何人都有可能發(fā)生誤操作情況。

在正常運行期間，由于為了防止機架UP電源反送電至RCP100CR/RCP200CR內(nèi)的各個插座上，敷設至穩(wěn)壓器安全閥機架UP出線側的電纜只將接頭做好，并將接頭進行絕緣包扎，但是并不接入系統(tǒng)。只是在發(fā)生SBO事故工況時，由運行人員根據(jù)實際情況執(zhí)行運行規(guī)程，判斷電纜是否需要接入UP對穩(wěn)壓器安全閥進行再供電。如果事故發(fā)生，需要將在供電電纜接入系統(tǒng)，這時候就需要運行人員再通知維修應急人員在現(xiàn)場臨時進行安裝，如果現(xiàn)場工作人員由于情況緊急發(fā)生了誤操作或者沒有將電源進行可靠安裝，這樣就失去了穩(wěn)壓器安全閥再供電的實際意義。

鑒于以上問題，可以在大修期間提前將穩(wěn)壓器安全閥機架UP出線側的電纜接入穩(wěn)壓器安全閥的電磁閥電源上，而在就地配電箱RCP100CR和RCP200CR內(nèi)的插頭上配備有鉸鏈保護罩蓋，平時由鉸鏈保護罩蓋將插頭與外界隔離開來，防止設備短路。而在緊急工況下，由運行人員執(zhí)行操作安全規(guī)程，現(xiàn)將穩(wěn)壓器安全閥機架UP電源開關斷開，然后按照插頭上的標識與插座上的標識一一對應插接，同時對RCP100CR和RCP200CR兩個就地配電箱進行供電，能夠及時有效地完成對穩(wěn)壓器安全閥再供電，從而在應急工況下減少了由于人因失誤造成一定的嚴重后果。

5 總結

穩(wěn)壓器安全閥組可靠再供電問題是在福島事故發(fā)生后，人們對于堆芯壓力容器可靠降壓并排除堆芯余熱功能的再探討整改工作。本文對核電站在極限工況下的事故和處理進行描述，進而對穩(wěn)壓器安全閥再供電整改工作進行剖析，并提出其他較好的解決方案。同時，本文指出現(xiàn)有穩(wěn)壓器安全閥再供電中容易被忽略的問題，闡述這些問題的成因，破除認識誤區(qū)，并提出相應解決方案。希望本文能為核電站福島事故整改人員提供參考，并且為核電站設計人員提供有價值的建議。