CPR1000核電機組主泵熱屏隔離設計分析與改進研究

李增芬，孔 斌，陳蜀志

（深圳中廣核工程設計有限公司，深圳 518000）

1 CPR1000核電機組主泵熱屏問題分析

CPR1000壓水堆核電廠的主泵熱屏是主泵的重要組成部分，其主要作用是阻止反應堆冷卻劑的熱量向主泵的上部傳導［1］。主泵正常運行時，化學和容積控制系統（RCV）向主泵注入冷的高壓軸封水保護泵軸承和軸封，熱屏起到輔助作用。軸封水中斷時，熱屏發揮保護泵軸承和軸封的主要作用，冷卻向上流動的一回路冷卻劑［2］。

熱屏把一回路部分冷卻劑中的熱量通過熱屏熱交換器傳遞給設備冷卻水系統（RRI）。熱屏熱交換器中的盤管壁面不但起到傳遞熱量的作用，而且是分隔一回路冷卻劑和設備冷卻水的壓力邊界，是一回路壓力邊界的組成部分。

由于一回路冷卻劑與設備冷卻水之間溫差極大，在事故條件下熱交換器中的盤管存在破裂的風險。1990年，法國Fessenheim核電站（CPY機組）十年運行后核查2號主泵時即發現熱屏罩內外及底部法蘭有裂紋，主泵熱屏上游逆止閥有卡澀現象。如果熱屏罩或熱屏法蘭破裂就可能導致熱屏冷卻熱交換器的破裂。如果設備冷卻水側管路上的閥門無法起到隔離作用，則相當于一回路壓力邊界被破壞，產生安全殼旁通型LOCA而導致事故惡化。由于大亞灣、嶺澳一期的熱屏冷卻水系統設計均不滿足單一故障準則的要求；嶺澳二期盡管實施過改進，但仍存在一定缺陷；隨著福島事故后核安全局對在役機組的持續改進要求越來越嚴格，類似福島全廠失電工況（SBO）后如何保證機組的安全成為全球機組改進的重點方向。因此需要實施適當的改進措施，確保各種工況下主泵熱屏的有效隔離，提高機組運行安全性。

本文在CPR1000核電機組大亞灣、嶺澳一期和嶺澳二期核電站現有設計的基礎上，提出新的方案，比較分析改進方案的可行性、改進影響和改進效果，最終提出可實施的改進方案。

2 在運及在建機組設計現狀

2.1 大亞灣、嶺澳一期

大亞灣核電站、嶺澳一期核電站主泵熱屏熱交換器冷卻系統如圖1所示。熱屏熱交換器上游設有一臺止回閥，下游設有一臺氣動隔離閥。止回閥V1、氣動隔離閥V2及其之間的管道的設計壓力為17.23MPa（a）（與一回路冷卻劑系統的設計壓力相同），止回閥上游和氣動隔離閥下游的設備冷卻水管道設計壓力為1.3MPa（a）。一旦在熱屏熱交換器下游探測到高流量信號，即意味著主泵熱屏交換器破裂，此時閥門V2將會自動關閉以實施隔離，止回閥V1、氣動隔離閥V2及其之間的管道將成為一回路壓力邊界。

但如果考慮單一故障，即氣動隔離閥V2不能關閉，或止回閥V1故障卡塞，則相當于隔離失效。一旦主泵熱屏熱交換器破裂，高壓的一回路冷卻劑就會進入RRI系統管道的低壓部分，使得RRI系統位于安全殼外的管道或設備發生破裂，導致安全殼旁通型LOCA事故和放射性釋放。

圖1 大亞灣和嶺澳一期設備冷卻水冷卻主泵熱屏流程示意圖

2.2 嶺澳二期

2.2.1 方案描述

嶺澳二期為了滿足國家核安全局審查提出的單一故障準則要求，實施的改進方案描述如下：

（1）主泵熱屏上游RRI管線上的一臺止回閥改為兩臺串聯布置的止回閥，并設置相關閥門的定期試驗管線，如圖2所示。

（2）取消主泵熱屏下游RRI管線上的氣動隔離閥，增加兩臺串聯布置的電動閘閥，一個為A列供電，另一個為B列供電，同時要求兩列柴油機應急供電。此兩臺閥門為常開閥，只有在主泵熱屏破裂的情況下（通過流量儀表MD探測設備冷卻水流量高來確定）才關閉。

（3）以上閥門和連接管道的設計都能承受一回路壓力，根據管道阻力適當調整設備尺寸。

進行上述設計技術改造后，可以實現設計基準事故情況下對主泵熱屏實行完全隔離。

2.2.2 存在問題

主泵熱屏冷卻水管，在全廠失電的工況下，如果主泵軸封不能建立大于1.1m3／h的流量，根據狀態導向規程（SOP），需要在主控室手動關閉主泵熱屏RRI側隔離閥，以避免RRI泵重新投運時對主泵軸封造成熱沖擊導致損壞。由于主泵熱屏RRI側隔離閥均為電動閥，在全廠失電的情況下，這些閥門均失去動力電源，無法在主控室進行操作，所以SOP程序中所要求的操作無法完成。即使應急供電恢復后閥門即刻開始關閉，但由于該閥門的關閉時間為15s～20s，因此在RRI泵有效啟動后（應急供電恢復后RRI泵延遲5s帶載），主泵熱屏可能仍未實現有效隔離。

2.3 在建CPR1000機組

嶺澳二期為中廣核集團在建的CPR1000機組的參考電站，因此目前所有在建和在運的CPR1000其他項目，如紅沿河、陽江和寧德等核電站，主泵熱屏的隔離方式同嶺澳二期。

綜上所述，大亞灣、嶺澳一期和嶺澳二期的主泵熱屏熱交換器冷卻系統設計均存在不同程度的缺陷，應當實施改進或優化。

3 改進技術方案及分析

3.1 大亞灣、嶺澳一期核電站改造設計

3.1.1 改造目標

由圖1可知，大亞灣、嶺澳一期核電站主泵熱屏冷卻管線設計不滿足單一故障準則，對其進行改造需要解決以下問題：

（1）主泵熱屏故障時，隔離要求必須滿足單一故障準則；

（2）根據福島事故后的經驗反饋，全廠失電（SBO）工況下如何保證機組安全，提高對主泵熱屏隔離閥的可操作性。

3.1.2 改進方案

3.1.2.1 改進方案的總體思路

RRI系統冷卻用戶——主泵熱屏在大亞灣和嶺澳一期核電站，基于存在熱屏破裂且主泵熱屏隔離閥或止回閥不能關閉的情況，對大亞灣和嶺澳一期核電站的主泵熱屏RRI冷卻水管線進行改進，采取改進方案如下：

（1）主泵熱屏上游RRI管線上的一臺止回閥改為兩臺串聯布置的止回閥，并設置相關閥門的定期試驗管線；

（2）在主泵熱屏下游RRI管線上的氣動隔離閥的基礎上，增加一臺串聯布置的電動閘閥，其供電列與原先氣動閥相反，同時要求柴油機應急供電。此兩臺閥門為常開閥，只有在主泵熱屏破裂的情況下（通過流量儀表探測設備冷卻水流量高來確定）才關閉。對氣動閥門的功能沒有改變，所以不會影響其在SBO工況下的隔離功能。

（3）以上閥門和連接管道的設計都能承受一回路壓力。

進行上述設計技術改造后，可以實現事故情況下對主泵熱屏實行完全隔離。

3.1.2.2 改進方案的具體內容

本改進方案在保證了主泵熱屏被及時冷卻的前提下，能合理地避免主泵熱屏破裂時由于上游止回閥卡澀或下游氣動隔離閥故障不能關閉而造成的“安全殼旁通型LOCA事故”的發生，可以滿足單一故障要求。該改進方案對設計及工程實施影響較小，可以實現。相關流程圖的修改參見圖3所示。

圖3 大亞灣、嶺澳一期核電站改造后流程簡圖

本改進方案的具體內容從工藝改進和定期試驗方法兩個方面分別進行詳述。

（1）主泵熱屏上游

將主泵熱屏上游RRI管線上的一臺公稱通徑為DN50的高壓止回閥V1改為兩臺串聯的公稱通徑為DN80的高壓旋啟式止回閥V1和V4；增加或取消DN50和DN80的管道，同時考慮管道上的異徑管的設置。

（2）主泵熱屏下游

主泵熱屏下游RRI管線的一臺公稱通徑為DN50的高壓氣動故障打開模式的截止閥V2，公稱直徑改為DN80，同時增加一臺常開的高壓電動閘閥V3。其中，V2供電維持不變，V3的供電與氣動閥保持相反，同時要求柴油機應急供電。此兩臺閥門為常開閥，只有在主泵熱屏破裂的情況下（通過流量儀表探測設備冷卻水流量高來確定）才關閉。

通過調整設備和管道的尺寸，并設置異徑管，可以抵消由于增加閥門引起的壓力損失，因此該回路的水力學特性相對整個RRI系統沒有發生變化，即流量和回路壓差可保持一致，不影響RRI泵的揚程及回路其他用戶的流量分配。

（3）隔離閥驅動方式的確定

修改前，主泵熱屏下游隔離閥為氣動故障開閥門，如果保留此閥門控制方式不變，再增加一個同樣的閥門，那么在主泵熱屏破裂，需要隔離閥關閉時，如果由于氣源（非安全級）故障或其它共模故障，閥門處于開啟狀態，則不能保證隔離；如果將此兩氣動閥門改為故障關模式，可以保證事故狀態下的隔離，但在非事故狀態下（主泵熱屏沒有破裂），可能會由于氣源故障或其它故障導致閥門關閉，致使主泵熱屏失去冷卻水，影響機組的可用率。

考慮到上述因素，將主泵熱屏下游隔離閥新增的閥門驅動方式定為電動，兩個串聯的隔離閥分別由A、B列電源供電，并同時要求對新增的電動隔離閥柴油機應急供電，滿足單一故障準則，保證事故狀態下的隔離功能。

（4）止回閥定期試驗管線的確定

修改后為兩臺串聯的止回閥，需要對單臺閥門進行試驗。在每臺止回閥上游分別增加定期試驗疏水管線，由一臺隔離閥和快速接頭組成，串聯閥門下游增加疏水管帽，可以對單個止回閥進行隔離。

（5）雙串聯止回閥密封性定期試驗問題

改進方案中在每個止回閥的上游都設置了疏水管線，并設有相關隔離閥和快速接頭連接；疏水管線不用的時候實施隔離的作用，在調試和運行維修過程中通過此隔離管線進行止回閥門的試驗，來驗證止回閥的密封性問題，解決電站存在的運行隱患問題，使事故不發生或引起的后果減小到最低程度。

3.1.3 改進分析

從分析順序和邏輯上來說，主泵熱屏隔離改造設計可行性方案研究主要包括以下三個階段的分析工作：

3.1.3.1 方案設計可行性分析

為了提高在運電站安全性，有必要重新論證實施改造之后布置的可行性，水力特性的影響，及電氣和儀控等是否滿足工藝要求，主泵熱屏隔離管線能否維持全廠SBO工況下的有效隔離。此階段工作通過國內外經驗反饋和運行程序和事故程序梳理來完成。

通過對電動和氣動隔離閥組實施多電源供電（正常電源、應急電源和后備電源）的研究，分析現有的后備柴油機系統是否滿足供電要求，分析其在SBO工況下的事故應急策略。

3.1.3.2 方案設計經濟性分析

如果第一階段的分析工作表明，實施工程改造可以滿足運行安全要求，則應開展第二階段的工作。工程改造方案應考慮成熟性，優先選用現有系統中采納的電動隔離閥門，同時分析后備柴油機的容量，以達到SBO工況下能夠保證主泵熱屏隔離閥的有效關閉，并從系統、布置、儀控、電氣、運行、技術經濟等方面論證其可行性。這種基于在運電站的工程改造，其難點在于尋找新增設備和管道的布置、檢修空間，柴油機容量是否滿足要求，新增的電氣、儀控設備是否會對其設計造成大的影響，是否會影響控制系統的較大變更。

3.1.3.3 可行性分析

（1）布置可行性分析

根據CPR1000核電機組核電廠廠房布置和設備布置進行初步分析，按照圖3的改造方案可知，在主泵熱屏上游增加一臺止回閥及相應的試驗管線，下游增加一臺電動隔離閥在布置上是可行的，布置圖如圖4所示。

圖4 初步布置方案圖

（2）水力計算可行性分析

按照圖4的布置方案設計，參照CPR1000核電機組核電廠RRI系統搭建的flowmaster水力模型，修改RRI／RCP局部回路水力模型，初步分析可知，新的改造設計的仿真流量可以滿足RCP冷卻流量要求，同時對其他用戶的影響很小可以忽略。RCP局部水力模型見圖5所示。

圖5 RCP／RRI局部水力模型示意圖

（3）單一故障分析

根據圖3所示，進行上述設計技術改造后，主泵熱屏上、下游都增加了雙重隔離，可以實現在主泵熱屏故障情況下對主泵熱屏實行隔離的要求。并且，由于下游為一個電動隔離閥和一個氣動隔離閥，還滿足了多樣性要求。

（4）SBO工況分析

針對主泵熱屏隔離及其SBO工況下相關運行程序、事故處理程序進行分析，原有的氣動閥門有蓄電池供電，在SBO工況下是可以進行操作的，可以滿足隔離功能。

（5）儀控、電氣的可行性分析

每臺機組有三臺主泵，大亞灣和嶺澳一期核電站各兩臺機組，分別都是新增了6臺電動閥門，電動閥都是成熟應用的，其用電量相比后備柴油機容量來講，影響不大，所以增加的用電需求不會影響后備柴油機的運行和功能要求，電氣實施可行。

該改進方案相對嶺澳二期現有的改進方案比較，控制“一臺氣動閥+一臺電動閥”新增的控制邏輯修改與“兩臺電動閥”相似度較大，基于嶺澳二期和CPR1000新機組的改進經驗，對現有大亞灣和嶺澳一期的控制平臺改造而言，儀控方案的實施是可行的。

（6）方案安全性、經濟性分析

目前改造的方案新增的設備（止回閥、電動閥）和管道，在嶺澳二期核電站已經成功應用，所以對系統和機組的安全性沒有影響；新增的設備都是國產化設備，對經濟性的影響比較小，相比安全和可靠性來講，可以接受。

3.2 嶺澳二期核電站改造設計

3.2.1 目標

嶺澳二期核電站在設計初期，已經按照國家核安全局要求進行了改造，滿足了單一故障準則。為了適應福島事故后經驗反饋，嶺澳二期核電站擬主要解決SBO工況下主泵熱屏隔離閥關閉問題以及解決SBO工況下主泵熱屏隔離閥可以操作的問題。

3.2.2 改進方案

3.2.2.1 改進方案的總體思路

RRI系統冷卻用戶——主泵熱屏在嶺澳二期核電站，基于存在熱屏破裂且主泵熱屏隔離閥或止回閥不能關閉的情況，冷卻水管線已經進行了相關改進，但是為了滿足SBO工況下的隔離操作，需要作以下優化改造：把主泵熱屏下游RRI管線上的兩臺電動隔離閥，其中一臺改為氣動隔離閥，同時該氣動隔離閥除了正常供電外，需要接蓄電池供電或水壓試驗泵汽輪發電機組（LLS）供電。該閥門為常開閥且故障模式為失氣開，在SBO工況下進行操作，從而滿足隔離功能。

3.2.2.2 改進方案的具體內容

針對嶺澳二期核電站主泵熱屏冷卻水隔離的設計，將每條主泵熱屏冷卻管路下游的高壓電動閘閥V3，改為高壓氣動截止閥。相關流程圖的修改參見圖6所示。

圖6 嶺澳二期設備冷卻水冷卻主泵熱屏流程示意圖

工藝改進包括：

（1）主泵熱屏下游

主泵熱屏下游RRI管線的一臺常開的高壓電動閘閥V3，改為一臺高壓氣動故障打開模式的截止閥。其中，V2供電維持不變，V3的供電與電動閥保持相反，同時要求加蓄電池或水壓試驗泵汽輪發電機組（LLS）供電。此兩臺閥門為常開閥，只有在主泵熱屏破裂的情況下（通過流量儀表探測設備冷卻水流量高來確定）才關閉。

閥門僅僅為驅動形式發生了變化，對該回路的水力學特性不產生影響，即流量和回路壓差保持一致，不影響RRI泵的揚程變化。

（2）隔離閥驅動方式的確定

修改前，主泵熱屏下游隔離閥為兩臺電動隔離閥門，如果保留此閥門控制方式不變，則SBO工況下，電動閥保持開的狀態，需要隔離時則無法隔離；目前如改為一個氣動閥和一個電動閥的組合，同時氣動閥由蓄電池或水壓試驗泵汽輪發電機組（LLS）供電，則可以滿足失電情況下的隔離功能。優化后的設計既滿足單一故障，又滿足多樣性，還可以保證SBO工況下的隔離功能。

3.2.3 工作內容

從分析順序和邏輯上來說，主泵熱屏隔離改造設計可行性方案研究主要包括以下三個階段的分析工作：

3.2.3.1 方案設計可行性分析

為了提高在運電站安全性，有必要重新論證嶺澳二期設備換型之后布置的可行性，水力計算的可行性及新增蓄電池或LLS系統容量是否滿足要求，主泵熱屏隔離管線能否維持全廠SBO工況下的有效隔離。通過對電動隔離閥組實施多電源供電（正常電源、應急電源和后備電源）的研究，分析現有的后備柴油機LLS系統是否滿足供電要求，分析新增的蓄電池是否滿足事故運行要求。

3.2.3.2 方案研究經濟性分析

僅考慮設備驅動方式的改變，對工程造價影響不大，采用局部增加電源的方式滿足SBO工況要求。利用現有電站設備后備柴油機LLS，僅從容量上考慮是否滿足要求。

3.2.3.3 可行性分析

（1）布置可行性分析

根據圖6的改造方案可知，在把主泵熱屏下游管線上一臺電動隔離閥換為一臺氣動隔離閥，主要考慮氣動頭的安裝、維修空間，初步分析在布置上是可行的。

（2）水力計算可行性分析

嶺澳二期修改的閥門只是驅動方式發生了變化，設備設計時只要求閥門阻力特性與之前一致，系統整個水力計算沒有影響。

（3）單一故障分析

根據圖6所示，在主泵熱屏下游RRI管線上的一臺電動隔離閥，改為一臺串聯布置的氣動截止閥，由與電動閥不同的系列供電，同時要求蓄電池供電。進行上述設計技術改造后，增加了雙重隔離，可以實現在主泵熱屏故障情況下對主泵熱屏實行隔離的要求。并且，由于下游為一個電動隔離閥和一個氣動隔離閥，還滿足了多樣性要求。

（4）SBO工況分析

針對主泵熱屏隔離及其SBO工況下相關運行程序、事故處理程序進行分析，氣動閥門有蓄電池供電，在SBO工況下是可以進行操作的，可以滿足隔離功能。

（5）儀控、電氣的可行性分析

每臺機組有三臺主泵，嶺澳二期核電站各兩臺機組，6臺電動閥門改為6臺氣動閥，依據目前成熟應用的氣動閥，每臺閥門供電要求為48V電源，需要的電功率很小，蓄電池可以滿足其用電要求；該用電量相比200kW LLS柴油機容量來講，不會影響LLS柴油機的運行和功能要求，電氣專業實施可行。

儀控專業反饋兩臺機組新增6臺閥門的控制，對現有嶺澳二期的DCS控制平臺改造來講是可以實施的，對儀控的影響可以接受。

（6）方案安全性、經濟性分析

改造方案中涉及的設備（氣動閥）和管道，已有的核電站已經成功應用，所以對系統和機組的安全性沒有影響；新增的設備都是國產化設備，對經濟性的影響比較小，相比安全和可靠性來講，可以接受。

4 結語

本文通過對CPR1000核電機組大亞灣、嶺澳一期和嶺澳二期核電廠主泵熱屏隔離改造的設計分析，可以得出，通過局部的改造計算分析，可以在現有設計的基礎上，滿足主泵熱屏在破裂時的隔離功能，同時又滿足在SBO失電情況下的隔離功能，保證壓力邊界的完整性和設備的可操作性。

［1］ 廣東核電培訓中心編.900MW壓水堆核電站系統與設備［M］.北京：原子能出版社，2007.

［2］ 朱繼洲.壓水堆核電廠的運行［M］.北京：原子能出版社，2000.