三門核電有限公司 梁世拓

關(guān)鍵字：循環(huán)水系統(tǒng)；事故工況；瞬態(tài)響應(yīng)；處理進(jìn)程

1 引言

三門核電一期工程引進(jìn)了美國(guó)西屋公司開發(fā)的AP1000第三代先進(jìn)壓水堆技術(shù)。在電廠的設(shè)計(jì)中，汽輪發(fā)電機(jī)及其輔助系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“常規(guī)島”）產(chǎn)生的熱量最終通過循環(huán)水系統(tǒng)帶入大海。在功率運(yùn)行期間，常規(guī)島系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量相當(dāng)可觀，一旦循環(huán)水系統(tǒng)發(fā)生故障，電站重要的冷源無法得到保障，有可能引起較大的瞬態(tài)，對(duì)電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅。

2 系統(tǒng)概述

循環(huán)水系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“CWS”）是一個(gè)以海水作為冷卻介質(zhì)的一次循環(huán)冷卻系統(tǒng)。循環(huán)水取自三門灣海水，經(jīng)過凝汽器后排入三門灣。每臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水系統(tǒng)包括了2臺(tái)50%容量的循環(huán)水泵。循環(huán)水經(jīng)過2根循環(huán)水管道進(jìn)入汽輪機(jī)廠房，然后每根壓力供水管道分成3條支路，每條支路都與一臺(tái)凝汽器的一側(cè)水室對(duì)應(yīng)相連。循環(huán)水經(jīng)過凝汽器后又匯流到2根獨(dú)立的管線內(nèi)，流入虹吸井。此外，CWS在兩臺(tái)泵的出口管線分別引出一條支管，去往開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“OWS”）。OWS 為汽輪機(jī)廠房的閉式冷卻水系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“TCS”）熱交換器提供冷卻用的海水。TCS 為常規(guī)島重要的設(shè)備提供冷卻，其攜帶的熱量通過TCS 板式熱交換器傳遞至OWS，并最終進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)而排入大海。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖[1]

在循環(huán)水泵的入口，配置有固定式攔污柵和旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，用于防止海生物或其他碎片進(jìn)入循環(huán)水泵的入口。其中，旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)可以根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔啟動(dòng)，一般情況下每隔8小時(shí)啟動(dòng)20分鐘。當(dāng)出現(xiàn)大量雜物堵塞時(shí)，旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)也可以根據(jù)前后液位差啟動(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)啟動(dòng)后，沖洗水泵通過側(cè)進(jìn)水的方式，將濾網(wǎng)上的雜質(zhì)沖刷走。

3 喪失循環(huán)水瞬態(tài)分析

3.1 失效原因分析

循環(huán)水泵的取水口在海灣里，海灣屬于公共區(qū)域，其不確定性較大。海生物、雜物、船只脫錨等存在堵塞三門核電海水取水系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，尤其在海生物可能暴發(fā)期（每年3～5月）、禁止?jié)O期（每年5～9月）、臺(tái)風(fēng)期（每年5～10月），海蘆葦、枯秸稈、互花米草、魚蝦、貝殼等可能會(huì)大量涌入取水系統(tǒng)。如果異物無法及時(shí)清理，容易導(dǎo)致取水系統(tǒng)堵塞，威脅循環(huán)水系統(tǒng)。

除了上述原因外，循環(huán)水泵本身的故障或者聯(lián)鎖也會(huì)導(dǎo)致泵的非預(yù)期停運(yùn)。循環(huán)水泵由廠內(nèi)的中壓母線供電，一旦發(fā)生電氣故障，相應(yīng)的循環(huán)水泵自動(dòng)跳閘。循環(huán)水泵的密封水有兩路水源，生產(chǎn)水和生活水。生產(chǎn)水源為正常水源，生活水為備用水源。當(dāng)循環(huán)水泵密封水流量低于10m3/h 會(huì)引起密封水路徑由正常水源切換至備用水源。如果密封水流量低于5m3/h，則循環(huán)水泵會(huì)立即跳閘。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，正常的密封水流量受管網(wǎng)的壓力影響較大，生產(chǎn)水用戶的負(fù)荷變化容易引起密封水流量非預(yù)期波動(dòng)。另外，循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)，其對(duì)應(yīng)的出口蝶閥全關(guān)后延遲1min 也會(huì)引起泵自動(dòng)跳閘。

3.2 單臺(tái)循環(huán)水泵喪失瞬態(tài)分析

正常滿功率運(yùn)行時(shí)，如果單臺(tái)循環(huán)水泵發(fā)生跳閘，進(jìn)入凝汽器的海水將減少一半，此時(shí)凝汽器真空將會(huì)出現(xiàn)一定程度的惡化。從電站循環(huán)的角度來看，凝汽器真空惡化使汽輪機(jī)的背壓提高，在蒸汽初參數(shù)不變的情況下，背壓提高將引起電站的熱效率下降[2]。三門核電采用堆跟機(jī)的運(yùn)行方式，如果此時(shí)維持發(fā)電機(jī)出力不變，那么反應(yīng)堆熱功率將自動(dòng)上升。

三門核電反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)熱功率為3400MW[3]。根據(jù)電廠運(yùn)行規(guī)程，10min 平均熱功率不能超過3403.4MW，1h 平均熱功率不能超過3400MW。為保證電廠的經(jīng)濟(jì)性，在滿足上述限值的情況下，電站熱功率都會(huì)盡可能維持在接近設(shè)計(jì)熱功率的水平。因此，發(fā)生瞬態(tài)后操縱人員需要立即降低發(fā)電機(jī)功率，以保證電廠熱功率不超限。在設(shè)計(jì)的海水溫度情況下，單臺(tái)循環(huán)水泵跳閘，需要降低機(jī)組出力至96%的額定功率。在夏天溫度較高的情況下，機(jī)組出力需要降到96%以下，具體以保證熱功率不超限為準(zhǔn)。

3.3 喪失所有循環(huán)水瞬態(tài)分析

功率運(yùn)行期間，以下兩種情況都有可能導(dǎo)致喪失所有循環(huán)水：一種是循環(huán)水泵吸入口大量堵塞、循環(huán)水管線破口等原因?qū)е孪到y(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)惡化，需要緊急停運(yùn)所有循環(huán)水泵；另一種是由于泵本身發(fā)生故障，導(dǎo)致兩臺(tái)循環(huán)水泵均停運(yùn)（如單臺(tái)泵檢修時(shí)另一臺(tái)泵故障跳閘）。

3.3.1 凝汽器失去冷源

一旦喪失所有循環(huán)水，凝汽器喪失冷源，電廠功率運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量將無法導(dǎo)出，汽輪機(jī)將無法維持運(yùn)行。汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中配置有保護(hù)信號(hào)，功率運(yùn)行時(shí)兩臺(tái)循環(huán)水泵跳閘將會(huì)自動(dòng)聯(lián)鎖汽輪機(jī)跳機(jī)。

汽輪機(jī)停機(jī)后，反應(yīng)堆產(chǎn)生的蒸汽需要通過旁排閥或者大氣釋放閥（以下簡(jiǎn)稱“PORV”）進(jìn)行導(dǎo)出。根據(jù)電廠設(shè)計(jì)，旁排閥可以導(dǎo)出40%的蒸汽流量，PORV 可以導(dǎo)出13%的蒸汽流量。旁排閥是將蒸汽旁路汽輪機(jī)，直接排向凝汽器。其可用的必要條件之一就是凝汽器可用，在循環(huán)水喪失的情況下，旁排閥將被閉鎖。因此，此時(shí)只有PORV 可用于蒸汽排放，導(dǎo)出反應(yīng)堆熱量。由于PORV 的排放能力有限，如果此時(shí)反應(yīng)堆剩余功率較高，產(chǎn)生的蒸汽量大于PORV 的排放能力，蒸汽母管壓力會(huì)快速上升，主蒸汽管線上的安全閥就有可能動(dòng)作，引起事故擴(kuò)大。因此，在功率較高的情況下，一旦發(fā)生兩臺(tái)循環(huán)水泵跳閘的情況，僅依靠系統(tǒng)配置的汽輪機(jī)自動(dòng)跳機(jī)聯(lián)鎖是不夠的。這種情況下，需要電廠操縱員根據(jù)異常運(yùn)行規(guī)程，盡快將反應(yīng)堆緊急停堆，以最大限度地減少蒸汽排放需求，從而保證主蒸汽母管的安全閥不受到挑戰(zhàn)。

3.3.2 完全喪失OWS 分析

OWS 需要循環(huán)水泵運(yùn)行以提供吸入壓頭，一旦喪失循環(huán)水，OWS 也將無法運(yùn)行。OWS 是TCS的支持系統(tǒng)，OWS 喪失相當(dāng)于TCS 失去冷卻能力。常規(guī)島的一些重要設(shè)備均通過TCS 進(jìn)行冷卻，如主給水泵組、凝結(jié)水泵等。

由于TCS 的重要性，三門核電開發(fā)了異常響應(yīng)規(guī)程AOP-334（喪失汽輪機(jī)廠房閉式冷卻水)。其針對(duì)的故障中也包含了OWS 完全喪失這種工況。在循環(huán)水泵完全喪失導(dǎo)致停堆后，該規(guī)程也需要同步執(zhí)行。

在兩臺(tái)循環(huán)水泵喪失事故中，操縱員已根據(jù)規(guī)程將反應(yīng)堆停堆，兩臺(tái)循環(huán)水泵停運(yùn)或者停堆均會(huì)聯(lián)鎖汽輪機(jī)跳閘。停機(jī)后，發(fā)電機(jī)及其輔助系統(tǒng)的熱負(fù)荷基本被切除。汽輪機(jī)相關(guān)負(fù)荷則不同，由于需要維持汽輪機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間的惰轉(zhuǎn)，因此潤(rùn)滑油系統(tǒng)的熱量將不會(huì)迅速消失，其隨汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的降低而降低。除此之外，汽輪機(jī)跳閘后，主給水泵組、凝結(jié)水泵和循環(huán)水泵繼續(xù)維持原狀態(tài)運(yùn)行，產(chǎn)生相當(dāng)可觀的熱量。因此，即使停機(jī)以后，TCS 仍能保持較高的溫升速率。溫度的繼續(xù)上升將可能導(dǎo)致TCS 設(shè)備和系統(tǒng)受到損壞，并且使上述泵的電機(jī)冷卻不足。為保證設(shè)備運(yùn)行安全，操縱員需要手動(dòng)停運(yùn)主給水泵組、凝結(jié)水泵等設(shè)備等，其溫度的運(yùn)行限制如表1所示。

表1 主要負(fù)荷及運(yùn)行限值

在反應(yīng)堆停堆之后，常規(guī)島側(cè)提供的二回路熱阱是核安全的重要保障。為保證二回路熱阱可靠，需要蒸汽發(fā)生器的給水可用。在功率運(yùn)行時(shí)，主給水泵組通過主給水路徑為蒸汽發(fā)生器提供給水，其取水水源來自除氧器。反應(yīng)堆停堆后，給水路徑自動(dòng)切換，主給水管線和啟動(dòng)給水管線之間的橋閥自動(dòng)開啟，主給水泵通過橋閥和啟動(dòng)給水管線為蒸汽發(fā)生器提供給水，取水水源同樣來自除氧器，此為停堆后的正常水源。當(dāng)TCS 失效后，主給水泵組需要立即停運(yùn)。所有主給水泵組停運(yùn)后，蒸汽發(fā)生器就需要來自啟動(dòng)給水泵的備用給水，其取水水源是廠區(qū)內(nèi)設(shè)置的凝結(jié)水儲(chǔ)存箱。

啟動(dòng)給水泵的自動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)如下：任一蒸汽發(fā)生器給水流量低（主給水流量與啟動(dòng)給水流量之和，5%額定給水流量）與SG 窄量程水位低（停堆后定值為35%）；任一蒸汽發(fā)生器寬量程液位低（定值為55%）。

在喪失循環(huán)水引起的事故中，兩種情況會(huì)引起事故進(jìn)程稍有區(qū)別。第一種是直接停堆，然后由停堆信號(hào)聯(lián)鎖汽輪機(jī)停機(jī)。根據(jù)邏輯配置，停堆信號(hào)會(huì)延時(shí)5秒再觸發(fā)停機(jī)。該延時(shí)的存在，使停堆后蒸汽發(fā)生器向汽輪機(jī)供應(yīng)的蒸汽不會(huì)立即減少。蒸汽發(fā)生器的給水在停堆后立即切換至啟動(dòng)給水路徑，給水流量大幅降低。因此，在停堆后的短時(shí)間內(nèi)，汽水失配會(huì)使蒸汽發(fā)生器的液位快速下降。在這種情況下，操縱員停運(yùn)主給水泵組后，給水流量低與蒸汽發(fā)生器窄量程液位低信號(hào)符合，啟動(dòng)給水泵將自動(dòng)啟動(dòng)。

第二種是兩臺(tái)循環(huán)水泵跳閘直接聯(lián)鎖汽輪機(jī)停機(jī)，然后操縱員再根據(jù)規(guī)程將反應(yīng)堆停堆，由于先停機(jī)已將主要的蒸汽需求切斷，然后再停堆，蒸汽發(fā)生器液位降幅較小，此時(shí)停運(yùn)主給水泵后，啟動(dòng)給水泵可能未達(dá)到啟動(dòng)定值，此時(shí)操縱員可以手動(dòng)投入啟動(dòng)給水泵，或者等蒸汽發(fā)生器液位達(dá)到定值后，確認(rèn)啟動(dòng)給水泵自動(dòng)投入。

凝結(jié)水儲(chǔ)存箱的水溫一般與環(huán)境溫度大致相當(dāng)，而除氧器正常功率運(yùn)行時(shí)水溫約170℃。在停機(jī)之后，除氧器保持定壓運(yùn)行，溫度保持在100～120℃。因此，當(dāng)使用啟動(dòng)給水泵供水時(shí)，冷卻效果會(huì)遠(yuǎn)大于除氧器供水。該情況會(huì)引起反應(yīng)堆冷卻增加。尤其在壽期初，堆芯衰變熱較小時(shí)，操縱員需要密切關(guān)注一回路的平均溫度。一回路溫度過低會(huì)引起安注信號(hào)的觸發(fā)。因此，在該工況下，一般還需要一名操縱員單獨(dú)調(diào)節(jié)啟動(dòng)給水流量和監(jiān)視一回路平均溫度，在保證足夠的給水流量下，要保證一回路不過冷，這給電廠控制增加了難度。

另外，上文提到停機(jī)后汽輪機(jī)的惰轉(zhuǎn)會(huì)繼續(xù)加熱軸承潤(rùn)滑油，TCS 冷卻能力不足可能導(dǎo)致潤(rùn)滑油溫度的持續(xù)升高。潤(rùn)滑油的溫度是建立穩(wěn)定油膜的重要參數(shù)，穩(wěn)定油膜無法建立可引起汽輪機(jī)大軸劇烈振動(dòng)和燒瓦等事故。因此，對(duì)于汽輪機(jī)惰轉(zhuǎn)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)也十分重要。根據(jù)運(yùn)行規(guī)程中的汽輪機(jī)停機(jī)后手動(dòng)破壞真空準(zhǔn)則，當(dāng)OWS 喪失引起TCS 系統(tǒng)失效后，在潤(rùn)滑油溫度高于55℃或者汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速低于750rpm 時(shí)，需要手動(dòng)破壞真空，以實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)的快速停運(yùn)。

3.3.3 瞬態(tài)總結(jié)

綜上所述，功率運(yùn)行時(shí)失去單臺(tái)循環(huán)水泵產(chǎn)生的瞬態(tài)相對(duì)較小，電站操縱員需要關(guān)注反應(yīng)堆熱功率及凝汽器真空，并根據(jù)反應(yīng)堆熱功率適當(dāng)降低機(jī)組出力，便能維持機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行。如果失去所有循環(huán)水，那么機(jī)組將產(chǎn)生很大的瞬態(tài)。循環(huán)水泵的喪失直接導(dǎo)致凝汽器不可用，旁排閥無法用于排放蒸汽。因此，高功率水平下喪失循環(huán)水，需要盡快停堆，以減少蒸汽排放需求，避免瞬態(tài)對(duì)主蒸汽安全閥帶來挑戰(zhàn)。

在停堆之后，操縱員需要盡快停運(yùn)常規(guī)島主要設(shè)備。主給水泵組的停運(yùn)，會(huì)使正常給水水源無法使用，需要使用啟動(dòng)給水供水，此時(shí)操縱員關(guān)注一回路平均溫度，并且在必要時(shí)手動(dòng)調(diào)節(jié)啟動(dòng)給水流量，以避免反應(yīng)堆過冷。汽輪機(jī)在停機(jī)后的惰轉(zhuǎn)過程中，潤(rùn)滑油還會(huì)受到持續(xù)的加熱，此時(shí)也需要操縱員關(guān)注并根據(jù)規(guī)程破壞真空。

4 結(jié)語

循環(huán)水系統(tǒng)是核電廠功率運(yùn)行期間重要的支持系統(tǒng)，也是電廠熱力循環(huán)中重要的冷源。當(dāng)循環(huán)水部分喪失或全部喪失時(shí)，會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生較大的瞬態(tài)。電廠操縱人員需要很好地了解這些瞬態(tài)情況下機(jī)組的響應(yīng)和相關(guān)的事故規(guī)程，才能保證電廠的安全。