楊潤(rùn)

摘要：AP1000消防水系統(tǒng)在組成與運(yùn)行上與國(guó)內(nèi)的核電站有很大不同，除了支持消防外還承擔(dān)緩解機(jī)組事故功能，本文對(duì)AP1000消防水系統(tǒng)在各種事故工況下的運(yùn)行特點(diǎn)和運(yùn)行中需關(guān)注的問題進(jìn)行了分析和探討。

關(guān)鍵詞：消防水系統(tǒng)；事故運(yùn)行；運(yùn)行特點(diǎn)與對(duì)應(yīng)思考

1.概述

AP1000采用第三代壓水堆技術(shù)，采用了大量的非能動(dòng)設(shè)施和水源，AP1000機(jī)組消防水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行上也與傳統(tǒng)壓水堆的消防系統(tǒng)有很大不同，AP1000消防水系統(tǒng)不僅在火災(zāi)事故中承擔(dān)消防作用，并且在可在機(jī)組其他事故工況下提供SFP補(bǔ)水、RNS冷卻、安全殼噴淋等緩解嚴(yán)重事故的能力，起到緩解事故的作用，本文對(duì)AP1000消防水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行特點(diǎn)，特別是事故情況下的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.AP1000消防水系統(tǒng)系統(tǒng)組成

2.1能動(dòng)的消防供水系統(tǒng)

能動(dòng)消防水源采用兩個(gè)主副消防水箱，實(shí)際消防水容量為1390m3的消防水箱、一臺(tái)電動(dòng)消防泵、一臺(tái)柴油機(jī)消防泵、二臺(tái)消防穩(wěn)壓泵、消防管網(wǎng)及管網(wǎng)末端的自動(dòng)噴淋滅火裝置和手動(dòng)滅火裝置等組成。自動(dòng)滅火裝置包括干管、濕管、預(yù)作用閥、水噴霧閥；手動(dòng)滅火裝置包括消火栓和立管。水源）補(bǔ)水。系統(tǒng)流程如圖1：

圖1能動(dòng)消防水系統(tǒng)

2.2非能動(dòng)的消防供水系統(tǒng)

其設(shè)計(jì)上用于保護(hù)SSE下安全停堆設(shè)備執(zhí)行其安全停堆功能，免受火災(zāi)影響。其保護(hù)的安全相關(guān)設(shè)備安全殼內(nèi)的有PXS、RCS、SGS、安全殼隔離閥，安全殼外的有PMS、1E級(jí)IDS和反應(yīng)堆安全殼隔離閥。該系統(tǒng)的消防水儲(chǔ)存于抗SSE的PCCWST中，容量為68.1m3，儲(chǔ)水量足夠供應(yīng)兩個(gè)消火栓，每一個(gè)消火栓流量為17.03m3/h，同時(shí)使用2小時(shí)，該系統(tǒng)由PCCWST的靜水頭維持系統(tǒng)壓力。安全殼冷卻輔助水箱（PCCAWST）內(nèi)也有消防專用水，由PCS系統(tǒng)的輔助水泵向消防系統(tǒng)供水，具有同樣的流量。

3.消防水系統(tǒng)在機(jī)組事故工況下的運(yùn)行

3.1火災(zāi)情況下系統(tǒng)反應(yīng)

3.1.1非SSE火災(zāi)情況

火災(zāi)發(fā)生后，火災(zāi)探測(cè)器動(dòng)作，在主控室MFPP和LFACP就地消防盤產(chǎn)生火災(zāi)報(bào)警，并聯(lián)動(dòng)相應(yīng)的自動(dòng)噴淋設(shè)備，包括干式噴頭，濕式噴頭，預(yù)作用噴淋閥，雨淋閥或水噴霧閥；沒有自動(dòng)滅火系統(tǒng)的區(qū)域通過手動(dòng)滅火系統(tǒng)，包括消火栓和消防立管，由人工進(jìn)行噴淋滅火。當(dāng)消防水動(dòng)作后，前期的消防水流量由穩(wěn)壓泵提供，隨著消防管網(wǎng)壓力持續(xù)下降，電動(dòng)消防泵的出口壓力降到一定值時(shí)，將啟動(dòng)電動(dòng)消防泵。若電動(dòng)泵故障啟動(dòng)不成功或啟后管網(wǎng)壓力繼續(xù)降低時(shí)，柴油消防泵根據(jù)壓力信號(hào)啟動(dòng)，當(dāng)火災(zāi)撲滅后，操縱員手動(dòng)停運(yùn)電動(dòng)泵和柴油驅(qū)動(dòng)泵。

AP1000自動(dòng)滅火系采用了干式，濕式，預(yù)作用噴淋閥，雨淋閥或水噴霧閥等滅火裝置，其中干式和濕式運(yùn)行原理較為簡(jiǎn)單，預(yù)作用閥和雨淋閥比較復(fù)雜，預(yù)作用閥的運(yùn)行原理集合了其他三種閥門的特性。

3.1.2在SSE情況下火災(zāi)

當(dāng)發(fā)生SSE時(shí)的火災(zāi)，能動(dòng)消防水系統(tǒng)被視為不可用，通過PCCWST的靜壓頭向具有安全停堆功能的系統(tǒng)設(shè)備供水。若發(fā)生在安全殼內(nèi)，此時(shí)，PCCWST中的最低消防水位為168m，安全殼內(nèi)需要其供水的最不利標(biāo)高點(diǎn)為105m，靜壓差最低為63m，即通過這一不少于63m的靜壓頭，使PCCWST水箱中的抗震水源通過常開手動(dòng)閥門PCS系統(tǒng)向安全內(nèi)立管和消火栓供水。若火災(zāi)發(fā)生在安全殼外，則PCCWST水箱中的抗震水源通過常開手動(dòng)閥門分別向核島廠房三個(gè)不同區(qū)域的的手動(dòng)和自動(dòng)滅火系統(tǒng)供水。在發(fā)生安全停堆地震的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故時(shí)，如果PCS啟動(dòng)，則PCCWST內(nèi)的消防專用水會(huì)被安全殼噴淋消耗掉，如果緊接著發(fā)生火災(zāi)，PCS再循環(huán)泵從PCCAWST水箱吸水，利用PCCWST的充水管道為抗震立管系統(tǒng)提供專用消防水。

3.2緩解嚴(yán)重事故的安全殼噴淋

在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故時(shí)，堆芯降級(jí)從而導(dǎo)致大量的放射性物質(zhì)釋放到安全殼大氣中。這個(gè)放射性的活度由惰性氣體、微粒和少量的元素碘和有機(jī)碘，大部分的碘將以微粒形式存在組成。氣載活性的去除由自然過程（即沉降，離子擴(kuò)散，熱遷移）來完成，大量的非氣態(tài)氣載活性將最終沉降在安全殼地坑溶液內(nèi)。從而降低嚴(yán)重事故后的安全殼空間內(nèi)的劑量。如下圖（圖2）：

圖2安全殼噴淋

安全殼的噴淋集管和噴嘴：安全殼的噴淋集管包含一個(gè)流向兩個(gè)置于安全殼環(huán)吊上方的環(huán)形集管的集管。安全殼的噴淋環(huán)形集管和噴淋管嘴被布置成使得安全殼覆蓋體積最大。一個(gè)下部的環(huán)形集管被置于電廠標(biāo)高260英尺（148.77m）處，包含44個(gè)噴淋管嘴。一個(gè)上部的環(huán)形集管被置于電廠標(biāo)高275英尺（153.34m）處，包含24個(gè)噴淋管嘴。消防系統(tǒng)集管在安全殼背壓為（0.138MPa）時(shí)為每個(gè)噴淋管嘴提供3.45m3/hr的設(shè)計(jì)流量，從而整個(gè)安全殼噴淋流量約為234.85m3/hr的噴淋流量。

安全殼噴淋的運(yùn)行除了因?yàn)閬碜杂谙浪涞膰娏芩斐傻南老到y(tǒng)的裝量的減少外，對(duì)該系統(tǒng)的可用性無影響。為了維持滅火的裝量，第二消防水箱在安全殼噴淋運(yùn)行期間被隔離。因?yàn)橄老到y(tǒng)運(yùn)行在管道是充滿和加壓的這樣一種能動(dòng)備用狀態(tài)下，所以FPS-V050和FPS-V701被打開則這個(gè)系統(tǒng)將會(huì)執(zhí)行其安全殼噴淋功能。當(dāng)因?yàn)閲娏茉斐傻南乐鞴芫W(wǎng)中的水壓開始下降時(shí)，電動(dòng)泵在收到一個(gè)低壓信號(hào)后自動(dòng)啟動(dòng)，如果電動(dòng)泵失效無法啟動(dòng)，則柴油機(jī)泵在收到低壓信號(hào)后啟動(dòng)，打開水箱之間的連接管線上的手動(dòng)閥，泵將會(huì)持續(xù)運(yùn)行直到手動(dòng)關(guān)閉為止。

3.3失去全部CCS時(shí)RNS換熱器的冷卻

AP1000在設(shè)計(jì)上考慮在汽輪機(jī)廠房發(fā)生大面積火災(zāi)，正常安全停堆設(shè)備的停堆功能由于火災(zāi)喪失時(shí)，安全相關(guān)的非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)PXS和安全殼噴淋系統(tǒng)PCS可在不需操縱員干預(yù)下在72小時(shí)內(nèi)冷卻反應(yīng)堆并維持反應(yīng)堆安全停堆狀態(tài)。對(duì)于AP1000，由于火災(zāi)導(dǎo)致CCS或SWS全部換熱器失去時(shí)，在火災(zāi)撲滅后，在停堆后72小時(shí)由FPS系統(tǒng)消防水實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的冷停堆并維持冷停堆工況。FPS通過CCS管道向RNS換熱器的一列提供冷卻水，導(dǎo)出堆芯余熱。

FPS設(shè)置一個(gè)與CCS系統(tǒng)固定連接接口，通過一個(gè)常閉的手動(dòng)閘閥和CCS系統(tǒng)熱交換器出口的供水集管相連，正常時(shí)處于常關(guān)狀態(tài)，當(dāng)需要消防水供應(yīng)冷卻水時(shí)，需要操縱員手動(dòng)關(guān)閉CCS供水集管和回水集管上的隔離，防止冷卻水旁通RNS換熱器，就地打開附屬?gòu)S房的消防水集管向CCS的供水閥，打開向RNS換熱器和泵供冷卻水的閥門，F(xiàn)PS消防水通過RNS換熱器冷卻一回路冷卻劑后流經(jīng)貫穿附屬?gòu)S房和廢物廠房的管道排向廠房外的雨水排放槽。

3.4嚴(yán)重事故為乏池補(bǔ)水

AP1000的乏池系統(tǒng)為SFP設(shè)計(jì)了噴淋功能，該功能為緩解超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下，乏池蒸干的后果起到重要作用。其噴淋方式與傳統(tǒng)核電廠的安全殼噴淋相似，都是將水從頂部噴下，起到降溫和限制放射性物質(zhì)擴(kuò)散的作用。SFP設(shè)置兩組噴淋管線，一組來自FPS系統(tǒng)，另外一組來自PCS系統(tǒng)。每組包括16個(gè)噴淋支管和噴淋頭，分別布置在SFP的西側(cè)和東側(cè)墻體上，噴淋頭的布置稍低于操作平臺(tái)，標(biāo)高約為134英尺。該噴淋管線接自廠區(qū)消防管網(wǎng)，該管線上設(shè)置有一個(gè)手動(dòng)隔離閥，該閥位于核輔助廠房12361房間，需要運(yùn)行時(shí)，操縱員手動(dòng)打開該閥，將輔助廠房消防管網(wǎng)的消防水供到尺寸3英寸的噴淋集管上，共提供約為54m3/h的流量用以SFP噴淋。

4.各種運(yùn)行工況下的分析與思考

4.1火災(zāi)時(shí)消防水系統(tǒng)運(yùn)行的思考

目前設(shè)計(jì)的消防儀控系統(tǒng)為非抗震級(jí)，不具備抗震能力，當(dāng)發(fā)生SSE，考慮其不可用，需要運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)火情，并利用抗震立管和消防栓手動(dòng)滅火。而在發(fā)生SSE時(shí)必須可用以確保安全停堆的系統(tǒng)設(shè)備包括PXS、RCS、SGS、安全殼隔離閥，PMS、1E級(jí)IDS等，一旦這些設(shè)備區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，在無消防儀控報(bào)警的情況下需要操作人現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，這在實(shí)際過程會(huì)增加運(yùn)行工作量，實(shí)施起來難度也較大，不利于火災(zāi)的及時(shí)撲滅。

4.2嚴(yán)重事故進(jìn)行安全殼內(nèi)噴淋運(yùn)行的思考

在停堆時(shí)為了保證安全殼內(nèi)的消防，安全殼隔離閥V050由運(yùn)行人員手動(dòng)打開，為安全殼內(nèi)立管供消防水，此時(shí)安全殼內(nèi)消防管網(wǎng)處于充壓狀態(tài)，而噴淋管線上只有氣動(dòng)閥V701保持關(guān)閉，一旦發(fā)生失去壓縮空氣V701失效打開或V701泄漏時(shí)，消防水就經(jīng)過噴淋管線和噴頭向安全殼內(nèi)噴淋，對(duì)于正在進(jìn)行換料的換料水池，會(huì)產(chǎn)生誤稀釋，導(dǎo)致?lián)Q料水池內(nèi)的硼濃度降低。為了防止這種可能發(fā)生的誤噴淋，造成對(duì)換料水池的誤稀釋，在打開安全殼隔離閥V050之前可以手動(dòng)關(guān)閉V701上游的手動(dòng)閥V700，進(jìn)行隔離，但V700閥門位于安全殼內(nèi)，操作時(shí)需進(jìn)入安全殼建議將V701上游的手動(dòng)閥V700設(shè)置成電動(dòng)閥，正常保持打開狀態(tài)，在停堆換料或安全殼內(nèi)發(fā)生火災(zāi)需要打開安全殼隔離閥V050時(shí)，由操縱員主控室手動(dòng)關(guān)閉電動(dòng)閥，保證噴淋管線的可靠隔離既可保證正常運(yùn)行時(shí)安全殼噴淋的可靠隔離，又可保證在堆芯降級(jí)的嚴(yán)重事故后期，安全殼噴淋的可靠運(yùn)行。

4.3CCS兩列全部喪失時(shí)為RNS換熱器補(bǔ)水運(yùn)行工況的思考

FPS向RNS換熱器供應(yīng)的冷卻水流量最初設(shè)計(jì)為600gpm（138m3/h），因無法滿足AP1000在停堆后的堆芯衰變熱導(dǎo)出要求，最終西屋將數(shù)據(jù)變更為1100gpm（250m3/h），堆芯余熱導(dǎo)出所需水量與停堆后時(shí)間關(guān)系如圖3，1100gpm的流量在停堆后72小時(shí)可保證將反應(yīng)堆從安全停堆模式4工況冷卻到冷停堆模式5工況并維持在冷停堆狀態(tài)。單臺(tái)消防泵的容量為454m3/h，可滿足流量要求，但是為FPS水箱補(bǔ)水的RWS系統(tǒng)的補(bǔ)水能力只有625gpm（141m3/h），無法維持RNS換熱器1100gpm的冷卻流量要求，從停堆后72小時(shí)到冷態(tài)后的210小時(shí)內(nèi)，RWS水量不足以保持冷停堆狀態(tài)（如表1），西屋設(shè)計(jì)中并沒有設(shè)置另外的補(bǔ)水水源，只是使用移動(dòng)式空氣冷卻器通過RNS換熱器的FPS供水管道供水和排水口的消防軟管與RNS換熱器相連，進(jìn)行冷卻，但是在堆芯余熱導(dǎo)出的最初階段由于熱負(fù)荷較大導(dǎo)致的移動(dòng)式冷卻器尺寸較大，不便移動(dòng)并無法在換熱器房間內(nèi)布置，只有在FPS對(duì)堆芯冷卻到一定階段，衰變熱降低時(shí)才使用容量較小、尺寸較小的移動(dòng)式冷卻器。對(duì)于使用多少容量和尺寸的移動(dòng)式換熱器，具體何時(shí)投入使用設(shè)計(jì)中并沒有說明。建議此時(shí)采用臨時(shí)泵和接管從其他水源取水為消防水箱補(bǔ)水，如PCCAWST水箱和DWS除鹽水箱，或使用消防水車對(duì)消防水箱補(bǔ)水。

5.總結(jié)和建議

以上對(duì)AP1000消防水系統(tǒng)的各種工況下的運(yùn)行特點(diǎn)及思考，從中可以看出AP1000的消防水系統(tǒng)相比國(guó)內(nèi)其他核電站不論是在系統(tǒng)布置和系統(tǒng)運(yùn)行上都有較大不同，AP1000消防水事故工況下作為一種備用水源，系統(tǒng)功能較多，與其他系統(tǒng)的接口也比較多，運(yùn)行中出現(xiàn)問題的幾率也相應(yīng)增加，因此在今后的運(yùn)行中應(yīng)該注意和可以改進(jìn)的幾點(diǎn)有：

1）日常運(yùn)行中首先要保證消防水的水質(zhì)，因?yàn)橄浪到y(tǒng)在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)處于備用，管網(wǎng)里面的水為“死水”，容易腐蝕生成雜質(zhì)，使消防水質(zhì)惡化，因消防水事故工況下作為一種備用水源，系統(tǒng)功能較多，因此在正常運(yùn)行時(shí)除了進(jìn)行加藥保證水質(zhì)外，還應(yīng)定期打開末端的手動(dòng)閥，進(jìn)行排水，避免水質(zhì)進(jìn)一步惡化。

2）與各系統(tǒng)之間的接口較多，包括安全殼噴頭、SFP噴頭、CCS換熱器的相連，正常運(yùn)行處于備用時(shí)應(yīng)做好在線及相應(yīng)隔離措施，避免不必要的誤動(dòng)作。針對(duì)消防水系統(tǒng)的各種事故運(yùn)行工況下的規(guī)程還不是很完善，今后應(yīng)進(jìn)一步完善針對(duì)以上幾種事故下運(yùn)行規(guī)程。

3）建議配置氣體穩(wěn)壓系統(tǒng)，氣體穩(wěn)壓在國(guó)內(nèi)其他核電站中使用較多，并且經(jīng)驗(yàn)表明運(yùn)行良好。氣體穩(wěn)壓系統(tǒng)包括穩(wěn)壓罐和為其補(bǔ)水補(bǔ)氣的補(bǔ)水泵、空壓機(jī)、緩沖罐，維持在備用狀態(tài)，滿足火災(zāi)初期的滅火要求；相比于電動(dòng)穩(wěn)壓泵，在日常運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性較好。

4）建議將安全殼內(nèi)噴淋管線上在V701的上游手動(dòng)閥V700設(shè)為常開的電動(dòng)隔離閥，保證正常運(yùn)行時(shí)安全殼噴淋的可靠隔離，特別是停堆換料期間防止對(duì)換料水池的誤稀釋。

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