徐陽(yáng) 朱東來(lái) 尹浪 申中祥 陳傳偉

摘 要

根據(jù)我國(guó)核電廠操縱人員培訓(xùn)及再培訓(xùn)大綱，主控室操縱人員在取得操縱人員執(zhí)照后，每年都需要進(jìn)行一定學(xué)時(shí)的熱工水力專項(xiàng)復(fù)訓(xùn)。目前核電廠通常使用的熱工水力教程，大多關(guān)注熱工水力基本理論，尚沒有一項(xiàng)充分結(jié)合主控室操縱人員工作實(shí)際的熱工水力復(fù)訓(xùn)教材。本研究旨在結(jié)合我國(guó)M310型核電機(jī)組的熱工水力特性，提出M310型核電廠操縱人員熱工水力復(fù)訓(xùn)教材編制方案，加深操縱人員對(duì)熱工水力理論知識(shí)和電廠實(shí)際運(yùn)行之間聯(lián)系的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞

M310型核電廠;操縱人員;熱工水力;復(fù)訓(xùn)教材;編制方案

中圖分類號(hào)： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 79

Abstract

According to the training and retraining program for operators of nuclear power plants in China， operators need to have a certain class hour of thermal-hydraulics special retraining every year after obtaining the operator license. At present， most of the thermal-hydraulics tutorials commonly used in nuclear power plants pay attention to the basic theory of thermal-hydraulics， but there is not a comprehensive thermal-hydraulics retraining textbook combining the actual work of the operators. The purpose of this study is to combine the thermal-hydraulics characteristics of M310 nuclear power plant in China， propose a scheme of thermal-hydraulics retraining textbook for operators of M310 nuclear power plant， and deepen the understanding of the relationship between the theoretical knowledge of thermal-hydraulics and the actual operation of the plant.

Key words

M310 nuclear power plant; operators; Thermal-hydraulics; Retraining materials; Formulate program

1 研究背景

對(duì)于核電廠而言，質(zhì)素合格的主控室操縱人員是關(guān)系核電廠安全的關(guān)鍵因素，也是保障核電廠正常運(yùn)行的必要前提。隨著我國(guó)商運(yùn)核電機(jī)組規(guī)模的持續(xù)提升，我國(guó)核電站操縱人員的數(shù)量也在不斷增長(zhǎng)。僅2019年，國(guó)內(nèi)商用核電廠實(shí)施的操縱員（RO）和高級(jí)操縱員（SRO）執(zhí)照考試批次就超過(guò)60批次，合計(jì)約有750名RO和SRO通過(guò)考試加入主控室操縱人員的團(tuán)隊(duì)。根據(jù)我國(guó)核電廠操縱人員培訓(xùn)及再培訓(xùn)大綱[1]，主控室操縱人員在取得操縱員執(zhí)照后，每年都需要進(jìn)行一定學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)理論復(fù)訓(xùn)，其中就包括核電廠熱工水力專項(xiàng)復(fù)訓(xùn)。

目前核電廠通常使用的熱工水力相關(guān)教程[2-5]，側(cè)重點(diǎn)各有不同，大多關(guān)注熱工水力基本理論的介紹或公式定理的推導(dǎo)，與反應(yīng)堆操縱人員的實(shí)際工作聯(lián)系并不緊密，尚沒有一項(xiàng)充分結(jié)合主控室操縱人員工作實(shí)際、重點(diǎn)闡述核電廠實(shí)際運(yùn)行中的熱工水力問(wèn)題的綜合研究成果。

本研究旨在結(jié)合我國(guó)M310型核電機(jī)組的熱工水力理論、反應(yīng)堆熱傳輸過(guò)程、重點(diǎn)熱傳輸設(shè)備中的熱力學(xué)過(guò)程等方面的特點(diǎn)，提出M310型核電廠操縱人員熱工水力復(fù)訓(xùn)教材編制方案，使操縱人員獲得與本電廠堆型有關(guān)的熱工水力基礎(chǔ)理論知識(shí)，對(duì)核電站反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各種熱工水力現(xiàn)象有清晰的認(rèn)識(shí)，對(duì)可能出現(xiàn)的熱工水力相關(guān)問(wèn)題能通過(guò)觀察、運(yùn)用所學(xué)知識(shí)初步分析其原因，預(yù)見其發(fā)展和后果，并能適時(shí)地提出對(duì)策和措施，從而避免盲目性，確保反應(yīng)堆運(yùn)行的安全。

2 教材框架

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)各M310型核電廠調(diào)研，了解到現(xiàn)有主控室操縱人員熱工水力復(fù)訓(xùn)主要情況如下表1所示。

根據(jù)上述對(duì)主控室操縱人員復(fù)訓(xùn)需求和現(xiàn)有反應(yīng)堆熱工水力教材的調(diào)研，本研究提出M310型核電廠操縱人員熱工水力復(fù)訓(xùn)教材編制框架如圖1所示。

該編制框架的基本指導(dǎo)思想是：

（1）滿足主控室持照人員熱工水力4小時(shí)復(fù)訓(xùn)時(shí)長(zhǎng)需求;

（2）盡可能減少熱工水力基礎(chǔ)理論部分內(nèi)容，僅保留操縱人員必須熟悉或了解的概念或現(xiàn)象;

（3）增加熱工水力與機(jī)組運(yùn)行章節(jié)內(nèi)容，重點(diǎn)講解正常機(jī)組運(yùn)行工況下，各主要熱傳輸系統(tǒng)或設(shè)備的運(yùn)行熱工水力知識(shí);

（4）增加熱工水力案例分析章節(jié)，分正常運(yùn)行瞬態(tài)、運(yùn)行事件經(jīng)驗(yàn)反饋及事故運(yùn)行工況三個(gè)小節(jié)進(jìn)行案例分析講解。

3 教材內(nèi)容概述

3.1 核電廠熱工水力必備知識(shí)

本章應(yīng)從傳熱學(xué)、流體力學(xué)及工程熱力學(xué)的基本概念出發(fā)，對(duì)核電廠熱工水力相關(guān)的基本理論進(jìn)行簡(jiǎn)單回顧。核電廠是將核能轉(zhuǎn)換成熱能，利用熱能產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生電能的大型工業(yè)綜合體。上述能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，涉及反應(yīng)堆堆芯傳熱、一回路冷卻劑導(dǎo)熱、蒸汽發(fā)生器換熱及汽輪發(fā)電機(jī)做功等環(huán)節(jié)。作為主控室操縱人員，為保障核電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，需對(duì)核電廠中能量傳輸?shù)母黝悷峁に^(guò)程有清晰的了解。

本章共設(shè)三個(gè)小節(jié)，各小節(jié)主要內(nèi)容框架分別見圖2、圖3和圖4。

3.2 熱工水力與機(jī)組運(yùn)行

本章應(yīng)結(jié)合機(jī)組的運(yùn)行工況和操縱人員的實(shí)際工作，對(duì)核電廠關(guān)鍵熱工水力部件或系統(tǒng)進(jìn)行深入解析，同時(shí)對(duì)其運(yùn)行監(jiān)視、設(shè)計(jì)定值背后的熱工水力原理進(jìn)行一定的解釋。希望加深持照人員對(duì)反應(yīng)堆堆芯、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器及二回路主要設(shè)備等部件的機(jī)理認(rèn)識(shí)，了解日常工作中運(yùn)行監(jiān)視參數(shù)所代表的熱工水力意義。

第二章主要框架見圖5。

3.3 熱工水力案例分析

本章結(jié)合M310型核電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的具體熱工水力案例（指涉及重要系統(tǒng)溫度、壓力、水位或流量等熱工水力參數(shù)急劇變化，對(duì)機(jī)組運(yùn)行造成劇烈影響的運(yùn)行瞬態(tài)、事件或事故），從操縱人員應(yīng)知應(yīng)會(huì)的角度出發(fā)，將各案例中涉及的熱工水力現(xiàn)象及其機(jī)理進(jìn)行解釋說(shuō)明。本章分別從正常運(yùn)行、運(yùn)行事件和典型事故三類案例出發(fā)，對(duì)各類案例中的主要熱工水力瞬態(tài)，瞬態(tài)造成的影響及涉及的物理機(jī)理進(jìn)行討論分析，幫助主控室操縱人員加強(qiáng)對(duì)此類案例的理解和認(rèn)識(shí)，提高操縱人員對(duì)此類案例的應(yīng)急處理能力。

第三章框架如下圖6所示。

以下列舉對(duì)某運(yùn)行事件的熱工水力具體分析。

3.3.1 事件描述[6]

某日早班，主要計(jì)劃工作：滅汽腔，T1RCP010，T1LHS001/003，計(jì)劃開始冷卻時(shí)間15：00;8：30-11：30，完成滅汽腔工作;11：35，開始執(zhí)行T1LHS001，試驗(yàn)前按程序要求停運(yùn)X1RRA001PO，保留X1RRA002PO運(yùn)行;12：02，開始執(zhí)行T1RCP010;13：40，T1LHS001結(jié)束。由于一回路正在執(zhí)行T1RCP010，需盡量保持一回路溫度穩(wěn)定;此外一臺(tái)RRA泵運(yùn)行時(shí)，一回路溫度穩(wěn)定，X1RRA024/025VP的開度約為34%，有較大的調(diào)節(jié)裕度;當(dāng)班值未恢復(fù)X1RRA001PO運(yùn)行，但未將此信息反饋運(yùn)行經(jīng)理;14：02，完成T1RCP010;14：40，早班操縱員接機(jī)組長(zhǎng)指令，開始進(jìn)行冷卻，并逐步調(diào)整冷卻速率;之后與中班進(jìn)行交接班。當(dāng)時(shí)早班機(jī)組長(zhǎng)、操縱員、中班操縱員都未意識(shí)到單泵運(yùn)行后續(xù)可能存在冷卻流量不足的問(wèn)題;運(yùn)行經(jīng)理雖然認(rèn)為應(yīng)該啟動(dòng)第二臺(tái)RRA泵，但并未明確做出要求;14：50，早班操縱員離開主控，中班操縱員繼續(xù)降溫，一回路壓力26.3bar.g，溫度梯度約為16℃/h，X1RRA024/025VP開度30%，X1RCV013VP開度32%;按D3規(guī)程要求“177℃以下時(shí)以最大速率降溫（28℃/h），不允許中止”，中班期間為保證冷卻速率，繼續(xù)開大X1RRA024/025VP;據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)，一回路溫度在90℃以下時(shí)，一臺(tái)RRA泵無(wú)法保證28℃/h的降溫速率，當(dāng)班值接大修組指令，準(zhǔn)備啟動(dòng)X1RRA001PO;16：00，準(zhǔn)備啟泵，查詢S程序及操作總結(jié)，準(zhǔn)備按S程序啟動(dòng)。啟泵前X1RRA024/025VP開度70%，降溫速率24℃/h，一回路溫度133℃;X1RRA流量1230m3/h，X1RCV013VP開度32%，X1RCV310VP開度36%，X1RRI A列溫度29.4℃;當(dāng)班值分析認(rèn)為，啟動(dòng)第二臺(tái)RRA泵時(shí)對(duì)冷卻會(huì)造成一定影響，但由于X1RRA013VP開度設(shè)定值為1320m3/h，即雙泵運(yùn)行后總流量會(huì)很快被調(diào)節(jié)在1320m3/h左右，啟泵引入的冷卻效果應(yīng)該不會(huì)過(guò)強(qiáng)。即使冷卻速率發(fā)生變化，操縱員可通過(guò)及時(shí)調(diào)節(jié)X1RRA024/025VP開度，控制一回路冷卻速率（當(dāng)時(shí)為24℃/h）;控制一回路冷卻速率后再調(diào)節(jié)X1RRA013VP設(shè)定值，以滿足雙泵運(yùn)行流量要求（1800m3/h）。由于D3規(guī)程中對(duì)冷卻的不間斷要求，啟泵前未調(diào)整冷卻速率。同時(shí)由于時(shí)間較短，當(dāng)班值未能對(duì)壓力下降的幅度做出預(yù)判。16：19：24，啟動(dòng)X1RRA001PO，X1RRA流量瞬時(shí)增大至1698m3/h，一回路壓力迅速下降，X1RCV013VP開始關(guān)閉;16：19：54，一回路壓力低于23bar.g，最低低至21.2bar.g;16：20：05，主控停運(yùn)X1RRA001PO，一回路壓力開始回升;16：20：40，一回路壓力回升至23bar.g以上，最終穩(wěn)定在26.3bar.g，主控檢查主泵運(yùn)行參數(shù)正常。期間主泵壓差最低低至20bar（主泵軸封壓差低報(bào)警未觸發(fā)）。后續(xù)檢查主泵運(yùn)行參數(shù)，無(wú)明顯異常。在后續(xù)主泵檢修過(guò)程中也未發(fā)現(xiàn)異常。

3.3.2 事件熱工水力分析

本次事件中，操縱人員對(duì)啟動(dòng)第二臺(tái)RRA泵對(duì)一回路的壓力擾動(dòng)情況嚴(yán)重低估，在啟泵前沒有提前減小RRA024/025VP的開度，希望啟泵后再調(diào)節(jié)，結(jié)果啟泵后30s時(shí)間內(nèi)一回路壓力就下降到23bar.g以下，超出了技術(shù)規(guī)范要求。這里對(duì)本次事件中的一回路冷卻工況進(jìn)行分析。

RRA系統(tǒng)泵與熱交換器主要連接管線見圖7。

圖7中，RRA024/025VP用于控制通過(guò)相應(yīng)熱交換器的反應(yīng)堆冷卻劑流量，操縱員通常根據(jù)一回路溫度及升降溫速率需要，手動(dòng)給出開度整定值。RRA013VP為熱交換器旁路閥，用來(lái)維持通過(guò)的流量在預(yù)定值，以保證泵的輸出流量恒定。但是，需注意的是，RRA013VP只是熱交換器的旁路上，其調(diào)節(jié)范圍僅限于熱交換器旁路流量，若RRA024/025VP開度過(guò)大，則可能出現(xiàn)即使將RRA013VP全關(guān)，也無(wú)法將總流量降低至預(yù)定值。在本事件中這點(diǎn)就尤為突出：“當(dāng)班值分析認(rèn)為，啟動(dòng)第二臺(tái)RRA泵時(shí)對(duì)冷卻會(huì)造成一定影響，但由于X1RRA013VP開度設(shè)定值為1320m3/h，即雙泵運(yùn)行后總流量會(huì)很快被調(diào)節(jié)在1320m3/h左右”。當(dāng)班值誤以為RRA013VP對(duì)流量的調(diào)節(jié)能力是不受限制的，認(rèn)為啟泵后流量也會(huì)快速下降，沒有考慮到此時(shí)RRA024/025VP開度較大，即使RRA013VP全關(guān)，僅通過(guò)此兩閥門，RRA總流量也會(huì)大于1320m3/h。

除了上述誤判以外，操縱人員對(duì)此工況下一回路的熱平衡狀態(tài)的理解也有所欠缺。冷停堆工況下一回路的熱平衡狀態(tài)方程如下：

上式中，左邊前兩項(xiàng)分別為堆芯余熱和主泵功率，第三項(xiàng)為冷卻劑溫度變化釋放或吸收的熱量，若降溫則冷卻劑釋放顯熱，若升溫則為冷卻劑吸收熱量;右邊分別為冷源（RRA或SG）帶走的熱量、環(huán)境散熱和下泄流熱損失。

堆芯余熱主要取決于停堆后的時(shí)間，在停堆后1周時(shí)約10MW;主泵功率取決于主泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，正常三臺(tái)運(yùn)行時(shí)約12MW;冷卻劑溫度變化釋放的功率可以根據(jù)當(dāng)前物性參數(shù)計(jì)算，在機(jī)組133℃時(shí)，以24℃/h降溫，大約對(duì)應(yīng)8MW。這樣，保持24℃/h降壓速率，需帶走的熱量約30MW。

環(huán)境散熱和下泄流熱損失均較小，合計(jì)約2MW左右;主要熱量還是通過(guò)RRA熱交換器帶走，約28MW。

此時(shí)若啟動(dòng)第二臺(tái)泵，同時(shí)要求降溫速率不變，則至少應(yīng)保證通過(guò)RRA熱交換器的總流量不發(fā)生大的變化。然而，根據(jù)泵的管路特性，若不改變閥門開度，啟動(dòng)并聯(lián)的一臺(tái)泵后，在揚(yáng)程基本不變的情況下，管路流量會(huì)增大1.6～2倍。也就是說(shuō)，本事件中，RRA熱交換器冷卻能力在啟泵后約增加一倍，達(dá)到50MW左右，遠(yuǎn)大于一回路產(chǎn)熱量和降溫需求。這樣，一回路冷卻劑溫度迅速下降，水體積收縮，導(dǎo)致一回路系統(tǒng)壓力快速降低。

因此，正確的做法是需在啟泵前適當(dāng)減小RRA024/025VP開度，保證啟動(dòng)后通過(guò)熱交換器的流量不發(fā)生大的變化。

3.3.3 針對(duì)熱工水力因素的糾正行動(dòng)

（1）在RRA系統(tǒng)培訓(xùn)教材中增加章節(jié)對(duì)RRA013VP的流量調(diào)節(jié)能力進(jìn)行補(bǔ)充說(shuō)明，特別是針對(duì)RRA024/025VP閥門開度較大的情況。

（2）對(duì)操縱人員進(jìn)行NS/RRA模式下一回路的熱平衡關(guān)系的理論培訓(xùn)，讓操縱人員對(duì)該狀態(tài)下的堆芯余熱、設(shè)備顯熱及冷卻劑顯熱有定量的概念，加強(qiáng)操縱人員對(duì)RRA冷卻流量變化對(duì)一回路溫度壓力影響的理解。

4 結(jié)束語(yǔ)

截止到2019年10月，我國(guó)在運(yùn)的47臺(tái)商運(yùn)核電機(jī)組中，M310型核電機(jī)組有34臺(tái)，占全部機(jī)組的70%以上[8]。在主控室操縱人員數(shù)量上，M310型核電機(jī)組也是遙遙領(lǐng)先的，目前M310機(jī)組持照人員已有3000人以上，而且每年仍在以200人-300人的速率在持續(xù)增長(zhǎng)。本研究期望給M310型核電廠操縱人員熱工水力復(fù)訓(xùn)教材的編制帶來(lái)新的思路，能提高核電廠操縱人員熱工水力復(fù)訓(xùn)質(zhì)量，加深操縱人員對(duì)熱工水力理論知識(shí)和電廠實(shí)際運(yùn)行之間聯(lián)系的認(rèn)識(shí)，更好的保障核電站的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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