史國(guó)寶，郭東海，陳 松，曲海汀，王 喆，張 亮

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200233）

美國(guó)911 恐怖事件及福島核事故后，世界各國(guó)對(duì)核電廠的安全十分關(guān)注，外部事件是否會(huì)引起核電廠大量放射性釋放是關(guān)注的焦點(diǎn)。我國(guó)在國(guó)家核安全局的組織下，對(duì)全國(guó)核電廠的安全狀況進(jìn)行了全面的核安全綜合檢查，針對(duì)核電廠抵御極端外部事件的安全裕度進(jìn)行了定量評(píng)估，提出了進(jìn)一步提高核電廠安全水平的要求。為了規(guī)范和指導(dǎo)各核電廠安全改進(jìn)行動(dòng)的落實(shí)，2012年國(guó)家核安全局發(fā)布了《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求》［1］（以下簡(jiǎn)稱《通用技術(shù)要求》），從核電廠防洪能力、移動(dòng)電源及設(shè)置等8 個(gè)方面對(duì)核電廠提出了技術(shù)要求。一方面，《通用技術(shù)要求》盡可能地統(tǒng)一和協(xié)調(diào)各核電廠所采取的安全改進(jìn)策略的深度和廣度，解決了我國(guó)核電廠在實(shí)施福島后改進(jìn)措施過程中所采用技術(shù)的統(tǒng)一性問題；另一方面，核電廠的設(shè)計(jì)理念不斷進(jìn)步，非能動(dòng)安全系統(tǒng)的采用使核電廠應(yīng)對(duì)外部事件的能力得到了很大提升。在《通用技術(shù)要求》指導(dǎo)下如何實(shí)施改進(jìn)是一個(gè)需要研究的問題。根據(jù)《通用技術(shù)要求》，核電廠需要設(shè)置中壓移動(dòng)電源，這對(duì)于采用能動(dòng)安全系統(tǒng)的核電廠有較好的針對(duì)性［2-5］，而對(duì)于AP1000［6］核電廠，如何選擇合理的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行中壓移動(dòng)電源的工程實(shí)施是本文探討的主題。

1 AP1000外部事件應(yīng)對(duì)能力分析和中壓移動(dòng)電源應(yīng)用場(chǎng)景分析

對(duì)于采用能動(dòng)安全系統(tǒng)的核電廠，實(shí)現(xiàn)安全功能所需的支持系統(tǒng)較多，為了提高其應(yīng)對(duì)外部事件的能力，針對(duì)安全殼、輔助廠房?jī)?nèi)的安全物項(xiàng)，充分利用安全殼、輔助廠房已有的特點(diǎn)，采取加裝水密門等方式提高對(duì)外部事件的設(shè)防能力，而針對(duì)外圍安全系統(tǒng)（如最終熱阱），提高設(shè)防能力很難，因此，要求利用儲(chǔ)存在廠內(nèi)的移動(dòng)設(shè)備來(lái)彌補(bǔ)外圍安全系統(tǒng)失去后實(shí)現(xiàn)安全功能所必需的支持功能，這就是《通用技術(shù)要求》和美國(guó)核能研究所提出的多樣靈活應(yīng)對(duì)策略（Diverse and Flexible Coping Strategies，簡(jiǎn)稱FELX）［7］的基本對(duì)策。《通用技術(shù)要求》對(duì)移動(dòng)電源及設(shè)置的功能要求有：（1）在喪失全部交流電源時(shí)（包括廠址附加的柴油發(fā)電機(jī)），應(yīng)通過配置移動(dòng)式應(yīng)急電源為實(shí)施應(yīng)急措施提供臨時(shí)動(dòng)力，以緩解事故后果，并為恢復(fù)廠內(nèi)/外交流電源提供時(shí)間窗口；（2）應(yīng)對(duì)移動(dòng)電源的負(fù)荷進(jìn)行分析，這些負(fù)荷至少應(yīng)包括核電廠安全參數(shù)的監(jiān)測(cè)和控制，必要的通訊、通風(fēng)和照明，主泵密封和移動(dòng)泵（當(dāng)不采用自帶動(dòng)力的移動(dòng)泵時(shí)）及其他臨時(shí)設(shè)施的負(fù)荷需求。多堆廠址應(yīng)配備至少兩套設(shè)備，其中至少一套應(yīng)在滿足上述負(fù)荷后，考慮一臺(tái)低壓安注泵或一臺(tái)輔助給水泵的負(fù)荷。

隨著技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)思路的不斷進(jìn)步，有些設(shè)計(jì)在能動(dòng)安全系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)置了非能動(dòng)的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)應(yīng)對(duì)措施，有些設(shè)計(jì)完全采用非能動(dòng)安全系統(tǒng)。在這種情況下，移動(dòng)電源的功能不再是彌補(bǔ)外圍安全系統(tǒng)失去后實(shí)現(xiàn)安全功能所必需的支持功能，而應(yīng)該在分析的基礎(chǔ)上有所調(diào)整。

1.1 AP1000外部事件應(yīng)對(duì)能力分析

就AP1000 而言，在應(yīng)對(duì)一般外部事件時(shí)先采用能動(dòng)縱深防御系統(tǒng)，然后采用非能動(dòng)安全系統(tǒng)，其應(yīng)對(duì)層次如圖1所示。

圖1 AP1000應(yīng)對(duì)外部事件設(shè)防層次Fig.1 AP1000 defense in depth levels for external events

在極端外部事件下，如果易受影響的縱深防御系統(tǒng)不可用，AP1000可由非能動(dòng)余熱排出熱交換器（Passive Residual Heat Removal System，簡(jiǎn)稱PRHR）系統(tǒng)排出堆芯衰變熱。安全殼內(nèi)置式換料水箱（In-Containment Refueling Water Storage Tank，簡(jiǎn)稱IRWST）水箱溫度逐漸升高直至蒸發(fā)，上升的水蒸汽經(jīng)鋼安全殼壁面冷凝后，絕大部分回流至IRWST。安全殼升壓將觸發(fā)非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)（Passive Containment Cooling System，簡(jiǎn)稱PCS）動(dòng)作，安全殼外壁形成的水層冷卻安全殼，PCS高位水箱能供水3天。

如果極端外部事件疊加反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（Reactor Coolant System，簡(jiǎn)稱RCS）泄漏，PRHR投入排出堆芯衰變熱。RCS 水位下降，穩(wěn)壓器排空，熱管段和冷管段含汽。因RCS低壓觸發(fā)的堆芯補(bǔ)水箱（Core Makeup Tank，簡(jiǎn)稱CMT）由循環(huán)模式進(jìn)入注射模式，至CMT低水位觸發(fā)自動(dòng)卸壓閥（Automatic Depression System，簡(jiǎn)稱ADS）1-3。由于RNS 泵的注射沒有動(dòng)力電源的支持而不可用，CMT 水位達(dá)到低低水位后觸發(fā)ADS4，而后IRWST注射。這個(gè)過程能一直持續(xù)下去，安全殼的熱量同樣由PCS帶出。

對(duì)于安全系統(tǒng)觸發(fā)電源，AP1000 配置了1E級(jí)直流和UPS系統(tǒng)（Class 1E DC and UPS System，簡(jiǎn)稱IDS）24 小時(shí)蓄電池。針對(duì)極端外部事件下IDS 充電功能長(zhǎng)期不能恢復(fù)的情景，可以采用以下兩種方法：一種方法是在蓄電池放電超過21小時(shí)后觸發(fā)ADS 4開啟和IRWST注射，利用開式冷卻方式；另一種是延長(zhǎng)用電策略，IDS 系統(tǒng)4 個(gè)序列24 小時(shí)蓄電池放電超過21 小時(shí)后，操縱員切除對(duì)應(yīng)直流母線上的其它負(fù)荷，同時(shí)關(guān)注相關(guān)參數(shù)，當(dāng)需要時(shí)再連接負(fù)荷，以此保證需要ADS 觸發(fā)時(shí)蓄電池有足夠的容量。目前AP1000采用后一種方法。

對(duì)于安全監(jiān)測(cè)電源，AP1000配置了IDS 72小時(shí)蓄電池，由輔助柴油機(jī)提供72 小時(shí)后的電源，輔助柴油機(jī)還向安全殼外高位水箱的水源補(bǔ)充泵提供電源。

可以看出，對(duì)于采用非能動(dòng)安全系統(tǒng)的AP1000 核電廠，實(shí)現(xiàn)安全功能所需的支持系統(tǒng)少，而安全設(shè)施位于對(duì)外部事件設(shè)防能力很高的安全殼、輔助廠房?jī)?nèi)。即使極端外部事件的影響持續(xù)數(shù)天，也只需要提供事故安全監(jiān)測(cè)電源以及向PCS 水箱補(bǔ)水即可。這是AP1000 與常規(guī)核電廠在應(yīng)對(duì)極端外部事件上最大的差別。

我國(guó)早在2000年就開始實(shí)施了國(guó)庫(kù)管理制度。這一項(xiàng)制度的實(shí)施就實(shí)現(xiàn)了國(guó)庫(kù)資金的統(tǒng)一管理，同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了將財(cái)政資金進(jìn)行直接的劃撥。例如稅收和非稅收的繳費(fèi)都統(tǒng)一納入財(cái)政專戶之中，國(guó)庫(kù)管理制度的實(shí)施，規(guī)范了財(cái)政資金的收支，提高了財(cái)政資金的管理效率。與此同時(shí)，對(duì)于預(yù)算的執(zhí)行也建立了動(dòng)態(tài)的監(jiān)控機(jī)制，從而對(duì)其進(jìn)行全面的監(jiān)督，這能夠有效地對(duì)預(yù)算的執(zhí)行起到警示的作用。

1.2 中壓移動(dòng)電源應(yīng)用場(chǎng)景分析

對(duì)于AP1000，在極端外部事件下，已有的安全系統(tǒng)能夠滿足72 小時(shí)內(nèi)堆芯和安全殼的冷卻要求，配置移動(dòng)泵補(bǔ)充PCS水箱72小時(shí)后所需的安全殼和乏燃料冷卻水量，利用380 V 輔助柴油機(jī)或者低壓移動(dòng)電源向72 小時(shí)后的事故安全監(jiān)測(cè)設(shè)備和PCS 循環(huán)泵供電，使其能應(yīng)對(duì)極端外部事件帶來(lái)的持續(xù)數(shù)天的影響。美國(guó)核管會(huì)認(rèn)為AP1000 外部事件下的應(yīng)對(duì)能力滿足要求［8］。由于《通用技術(shù)要求》沒有對(duì)安全功能滿足與否作出判斷，而直接描述了對(duì)采用能動(dòng)安全系統(tǒng)的核電廠有較好針對(duì)性的改進(jìn)要求，在核安全對(duì)話中根據(jù)《通用技術(shù)要求》業(yè)主承諾了中壓移動(dòng)電源的設(shè)置。在這個(gè)基礎(chǔ)上，問題轉(zhuǎn)化為中壓移動(dòng)電源的工程實(shí)施，即如何選擇合理的應(yīng)用場(chǎng)景接入中壓移動(dòng)電源，使其對(duì)AP1000 核電廠的安全性或者經(jīng)濟(jì)性有所幫助。

通過系統(tǒng)的分析，筆者認(rèn)為在下述兩個(gè)場(chǎng)景中，中壓移動(dòng)電源對(duì)AP1000 核電廠的安全性或者經(jīng)濟(jì)性有所幫助。

（1）AP1000 的IDS 安全級(jí)24 小時(shí)蓄電池采用延長(zhǎng)用電策略，在蓄電池放電超過21 小時(shí)后，要求操縱員切除對(duì)應(yīng)直流母線上的其它負(fù)荷，以保證ADS 觸發(fā)時(shí)蓄電池保留足夠的容量。這些操作在事故后期實(shí)施，不會(huì)產(chǎn)生大的風(fēng)險(xiǎn)。在這樣的場(chǎng)景下，如果通過中壓移動(dòng)電源向1E級(jí)蓄電池充電，則無(wú)需通過切除直流母線上的負(fù)荷來(lái)保證蓄電池有足夠容量，這有助于提高安全性。

（2）AP1000 發(fā)生喪失廠外電源事故后，如果PRHR 無(wú)效或者RCS 有泄漏，可以依靠開啟ADS1-3 實(shí)現(xiàn)RCS 部分降壓，由CMT 和RNS 注射實(shí)現(xiàn)堆芯補(bǔ)水，并由PCS 排出安全殼熱量。RNS注射可以阻止CMT 水位下降，防止ADS 4 啟動(dòng)。這樣的場(chǎng)景下需要中壓移動(dòng)電源來(lái)帶載RNS，從IRWST 吸水，注入主系統(tǒng)（如圖2 所示），并通過ADS1-3 級(jí)排出水汽，進(jìn)行充排冷卻。RNS注射除了供電外還需要相關(guān)支持系統(tǒng)，包括設(shè)備冷卻水。AP1000 在設(shè)計(jì)時(shí)允許設(shè)備冷卻水系統(tǒng)部分運(yùn)行，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（Component Cooling Water System，簡(jiǎn)稱CCS）設(shè)計(jì)中設(shè)有一條與電廠消防系統(tǒng)（Fire Protection System，簡(jiǎn)稱FPS）的連接管線，由消防泵或者其他水源提供供水，通過該管線向RNS 泵提供可靠的冷卻水供應(yīng)，消防水冷卻RNS 泵后通過預(yù)留的排放接口直接排往廢物廠房外，而其它CCS用戶將被隔離。這對(duì)反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性有幫助。利用MAAP［9］程序?qū)ι鲜龉r進(jìn)行了分析。極端外部事件使核電廠全廠失電，進(jìn)一步假定極端外部事件使RCS 有泄漏，保守考慮熱管段3/8 英寸破口（儀表管破裂）。圖3 給出了RCS 壓力變化圖。反應(yīng)堆停堆后PRHR 有效，帶出衰變熱，破口排放使穩(wěn)壓器排空，堆芯補(bǔ)水箱投入補(bǔ)充RCS 水裝量的喪失，至40351.4 秒（11.2 小時(shí)）堆芯補(bǔ)水箱低水位觸發(fā)ADS1-3 打開，RCS 卸壓。在這個(gè)工況中，中壓移動(dòng)電源可用來(lái)向1E 級(jí)蓄電池充電，隨后帶載RNS 泵，從IRWST 吸水，注入主系統(tǒng)，避免ADS4的觸發(fā)。

圖2 RNS注射Fig.2 RNS injection

圖3 RCS壓力變化圖Fig.3 RCS pressure change diagram

2 中壓移動(dòng)電源工程實(shí)施方案

2.1 接入條件

在失去主發(fā)電機(jī)和廠外電源，疊加兩臺(tái)廠內(nèi)備用柴油發(fā)電機(jī)組（Standby Diesel Generator，簡(jiǎn)稱SDG）均不可用的情況下，中壓移動(dòng)電源為1E級(jí)24小時(shí)蓄電池充電，需要時(shí)也可以為RNS泵注射提供動(dòng)力。

綜上所述，中壓移動(dòng)電源的接入條件為：

（1）主發(fā)電機(jī)不可用；

（2）廠外電源（500 kV和220 kV）不可用；

（3）兩臺(tái)SDG均不可用；

2.2 儲(chǔ)存場(chǎng)地

移動(dòng)泵和移動(dòng)電源儲(chǔ)存間子項(xiàng)為移動(dòng)電源、移動(dòng)泵、試驗(yàn)負(fù)載等設(shè)備提供永久存放場(chǎng)地。子項(xiàng)的設(shè)計(jì)確保在水淹高度高于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位5 m 時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)電源、移動(dòng)泵等設(shè)備不可用；在8 度（地震烈度的定義見G50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，8度的抗震設(shè)防烈度對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2 g）地震烈度的地震工況下保持廠房的結(jié)構(gòu)完整性，從而保證移動(dòng)電源和移動(dòng)泵的可用性；在移動(dòng)電源和移動(dòng)泵存放期間，為移動(dòng)電源和移動(dòng)泵車內(nèi)蓄電池、加熱器等負(fù)載提供充電電源；在中壓移動(dòng)電源定期試驗(yàn)期間，為試驗(yàn)負(fù)載提供工作電源。

2.3 接入方案

在AP1000 依托項(xiàng)目中，需中壓移動(dòng)電源帶載的負(fù)荷均位于10 kV 中壓母線ECS-ES-1 和ECS-ES-2 上，即中壓移動(dòng)電源需要接入到這兩段母線之一。中壓移動(dòng)電源的接線示意圖如圖4所示。

圖4 中壓移動(dòng)電源接入方案電氣系統(tǒng)圖Fig.4 Medium voltage mobile power supply access scheme

在附屬?gòu)S房外墻上設(shè)置ECS-EJ-200 和ECS-EJ-201 接口箱。引至中壓母線ECS-ES-1和ECS-ES-2 的動(dòng)力電纜從接口箱引出后，穿管沿附屬?gòu)S房外墻向上敷設(shè)，之后分別穿過套管進(jìn)入電氣設(shè)備間，再經(jīng)中壓橋架水平敷設(shè)至兩段中壓母線開關(guān)柜的正上方，上進(jìn)線接入柜內(nèi)。所有電纜、電纜管進(jìn)出附屬?gòu)S房外墻處和電源接口端子箱處均采取防火和防水封堵。

當(dāng)中壓移動(dòng)電源需要投入使用時(shí)，自移動(dòng)泵和移動(dòng)電源儲(chǔ)存間子項(xiàng)行駛至附屬?gòu)S房附近接口位置，并將自帶的供電電纜與接口箱通過線鼻子方式或快速接頭方式連接，即可接入核島中壓母線提供電源。

2.4 帶載負(fù)荷

采用手動(dòng)方式帶載負(fù)荷。除了必要的負(fù)荷，為了使電廠非安全級(jí)儀控系統(tǒng)和電氣的繼電保護(hù)裝置可用，并考慮MCR 可居留措施，中壓移動(dòng)電源的潛在用途可以總結(jié)為向IDS系統(tǒng)及輔助設(shè)備、非1E 級(jí)220 V 交流UPS 系統(tǒng)（No Class 1E DC and UPS System，簡(jiǎn)稱EDS）及輔助設(shè)備、主控制室可居留設(shè)施及相關(guān)輔助設(shè)備以及向RNS 泵及支持系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備供電，見表1、2、3?？偭?700 kW左右,低于中壓移動(dòng)電源的持續(xù)額定功率。在事故中部分負(fù)荷可能因失效而不能帶載，需要運(yùn)行人員靈活處理。

表1 中壓移動(dòng)電源帶載負(fù)荷-蓄電池充電載荷Table 1 Medium voltage mobile power supply load for battery charging

表2 中壓移動(dòng)電源帶載負(fù)荷-通風(fēng)類載荷Table 2 Medium voltage mobile power supply load for ventilation

表3 中壓移動(dòng)電源帶載負(fù)荷-RNS注射相關(guān)載荷Table 3 Medium voltage mobile power supply load for RCS injection

2.5 中壓移動(dòng)電源接入規(guī)程

AP1000 應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期喪失廠外交流電規(guī)程的主要內(nèi)容有：在失電21小時(shí)后，如電廠狀態(tài)穩(wěn)定，操縱員手動(dòng)切除IDS 直流負(fù)荷，保存蓄電池電能。如電廠后續(xù)出現(xiàn)泄漏等情況，根據(jù)相應(yīng)的CMT水位整定值，手動(dòng)恢復(fù)IDS 直流負(fù)荷，使其觸發(fā)ADS1-3 級(jí)閥門，如CMT 水位繼續(xù)下降，則觸發(fā)ADS4 閥門、IRWST 和再循環(huán)注射等。中壓移動(dòng)電源接入規(guī)程在電廠長(zhǎng)期喪失廠外電應(yīng)急規(guī)程［10］的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，主要修改有：

（1）中壓移動(dòng)電源對(duì)蓄電池充電的啟動(dòng)點(diǎn)可放在長(zhǎng)期失電8 小時(shí)后，保證在21 小時(shí)之前投入，以避免后續(xù)的手動(dòng)切除直流負(fù)荷操作。如果不成功，則執(zhí)行目前的手動(dòng)切負(fù)荷方案。

（2）對(duì)于電廠小泄漏工況，中壓移動(dòng)電源帶載RNS實(shí)現(xiàn)低壓注水從而避免ADS 4啟動(dòng)。RNS泵啟動(dòng)前需要軸封冷卻，由FPS 小泵提供軸封冷卻水，冷卻水直排到廠房。RNS泵軸封冷卻啟動(dòng)點(diǎn)為CMT水位低于100%后啟動(dòng)。

考慮中壓移動(dòng)電源接入的電廠長(zhǎng)期喪失廠外電應(yīng)急規(guī)程詳細(xì)流程如圖5所示。

圖5 考慮中壓移動(dòng)電源接入的長(zhǎng)期喪失廠外電應(yīng)急規(guī)程流程圖Fig.5 Flow chart of procedures for long-term loss of offsite power considering medium voltage mobile power supply connection

2.6 其他事項(xiàng)

為了驗(yàn)證移動(dòng)電源能夠連續(xù)執(zhí)行其預(yù)定功能，應(yīng)對(duì)移動(dòng)電源進(jìn)行周期性的維修保養(yǎng)試驗(yàn)，可用性試驗(yàn)有：移動(dòng)電源慢啟動(dòng)試驗(yàn)、帶負(fù)載試驗(yàn)等可用性試驗(yàn)，每3 個(gè)月一次。而快速啟動(dòng)試驗(yàn)、熱啟動(dòng)試驗(yàn)、負(fù)載持續(xù)性試驗(yàn)、甩設(shè)計(jì)負(fù)載試驗(yàn)需在停堆換料期間開展。

在中壓移動(dòng)電源接入向1E級(jí)24小時(shí)蓄電池充電時(shí)，運(yùn)行人員可通過啟動(dòng)相關(guān)房間的風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，降低氫氣聚集，降低房間溫度。如通風(fēng)系統(tǒng)故障或其他原因?qū)е峦L(fēng)系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行，則可采用臨時(shí)措施（如打開房門）進(jìn)行通風(fēng)。另外，運(yùn)行人員可通過氫氣儀表來(lái)監(jiān)測(cè)蓄電池房間的氫氣濃度。

3 結(jié)論

AP1000非能動(dòng)安全系統(tǒng)具有很強(qiáng)的應(yīng)對(duì)外部事件能力，能在長(zhǎng)期失電和長(zhǎng)期失去熱阱的情況下帶出堆芯和安全殼的熱量，滿足福島后對(duì)核電廠提出的安全要求。根據(jù)《通用技術(shù)要求》對(duì)中壓移動(dòng)電源的要求，為中壓移動(dòng)電源選擇合理的應(yīng)用場(chǎng)景。分析表明，在極端外部事件條件下，中壓移動(dòng)電源可為1E級(jí)24小時(shí)蓄電池充電，在極端外部事件疊加一回路發(fā)生小泄漏的情況下，可帶載RNS泵用來(lái)補(bǔ)水，這有利于AP1000 依托項(xiàng)目的安全性和（或）經(jīng)濟(jì)性的提高。在此基礎(chǔ)上，討論了中壓移動(dòng)電源接入、帶載負(fù)荷、規(guī)程以及試驗(yàn)條目等工程方案。