福清核電機組壓縮空氣系統存在的問題及改進建議

秦國強　龔正熙　鄭玉英

（福建省福清核電有限公司　福清市　350318）

福清核電機組壓縮空氣系統存在的問題及改進建議

秦國強龔正熙鄭玉英

（福建省福清核電有限公司福清市350318）

文章對福清核電機組壓縮空氣系統的功能和組成進行介紹，并闡述其運行方式。結合福清核電1#、2#機組調試、運行期間壓縮空氣系統出現的異常事件，指出該系統設計上存在的問題，并給出技術改進建議。同時對壓空機故障情況進行分析和討論，給出提高系統運行可靠性的建議。壓縮空氣系統是核電機組正常運行的重要支持系統，文章提出的改進建議對于其他同類型核電機組提高壓縮空氣系統的可靠性、促進核電機組持續安全穩定運行也有良好的借鑒意義。

壓縮空氣系統運行方式壓空喪失存在問題改進建議提高可靠性

福建福清核電廠位于臺灣海峽西岸的福建省福清市三山鎮，廠址規劃建設6臺百萬千瓦核電機組。其中1#～4#機組為M310改進型壓水堆機組。機組工藝系統中使用了大量的氣動閥門，并配置有獨立的壓縮空氣生產及分配系統。作為核電機組的支持系統，壓縮空氣系統的可靠性將直接影響核電機組的安全穩定運行。本文對福清核電1#～4#機組壓縮空氣系統設計上存在的問題進行探討，同時給出改進建議。

1　福清核電機組壓縮空氣系統的功能及組成

福清核電機組壓縮空氣系統包括：壓縮空氣生產系統（SAP）、儀表用壓縮空氣分配系統（SAR）、公用壓縮空氣分配系統 （SAT）。壓縮空氣生產系統（SAP）的功能是生產福清核電全廠所需要的壓縮空氣，該系統向以下壓縮空氣分配管網供氣：

儀表用壓縮空氣分配系統（SAR），用于核島、常規島和BOP的氣動控制器；

公用壓縮空氣分配系統（SAT），用于滿足所有廠房內動力設施運行和維修的需要。

SAP系統根據“縱深防御”原則，設置了兩個部分：

主壓空氣源（0SAP）：在BOP的ZC空氣壓縮機房內，設置了6臺主壓空機，用于為全廠1#～4#機組SAR/SAT系統提供壓縮空氣。

應急氣源（1/2/3/4 SAP）：每臺核電機組均在核島連接廠房內設置了兩臺應急空氣壓縮機，用于為本機組SAR系統提供后備氣源。

福清核電全廠壓縮空氣系統接口關系如圖1所示。

圖1　福清核電全廠壓空系統接口簡圖

2　福清核電機組壓縮空氣系統的運行方式

1#～4#機組應急壓空系統配置均相同，故本文對應急壓空系統進行介紹和討論時，主要以1#機組為例進行說明。

2.1壓縮空氣系統的基本運行方式

位于ZC廠房的0SAP系統，設置6臺主壓空機，在設計工況下為4臺運行，2臺備用。壓空機在就地控制主機上投入聯控，根據0SAP主壓空管網壓力信號按順序自動啟停，以維持管網壓力在（0.85～1.0）MPa絕對壓力。

1SAP系統兩臺應急壓空機設定為一臺處于基本負荷模式，另一臺處于備用模式。正常情況下，這2臺應急壓空機均處于停運狀態。當主壓空系統出現故障，導致下游SAP管網壓力降低時，位于連接廠房的兩臺應急壓空機1SAP001CO/002CO將自動啟動，保證下游管網壓力在要求值：處于基本負荷模式的應急壓空機在1SAP管網壓力降低至0.68MPa.g時自動啟動，若壓力繼續降低至0.66MPa.g，處于備用模式的應急壓空機也將自動啟動。另外，這2臺壓空機也可以由運行人員在核電機組主控室手動啟動。

0SAP向 1SAP和 1SAT單向供氣。0SAP到1SAP系統的供氣管道上設置了電動隔離閥1SAP069VA和逆止閥1SAP071VA。機組正常運行時1SAP069VA處于開啟狀態，主壓空機通過0SAP管網向1SAP/1SAR供氣；在壓空管網壓力低于0.68 MPa.g時，1SAP第一臺應急壓空機自動啟動向1SAR儀用壓空管網供氣。為避免逆止閥1SAP071VA回座不嚴影響1SAP對1SAR的供氣，主控室操縱員需手動關閉電動閥1SAP069VA。

壓縮空氣系統中設置了自動控制閥門，可以保證SAP系統按照優先的次序供氣，即儀表用壓縮空氣（SAR）優先于公用壓縮空氣（SAT）；另外，核島用氣優先于常規島（汽輪機廠房）和BOP區域的用氣。具體設計為：在1SAP通往常規島供氣管線上設置了一個自動調節閥1SAP067VA。當1SAP壓空管網壓力降低到0.58 MPa.g時，該閥門自動關閉，切斷向1#常規島及BOP儀用壓空管網的SAR供氣，以確保核島用氣。BOP區域的SAR壓力不足時，可以根據需要切換到相鄰機組SAR供給。

1SAT系統由0SAP主壓空管網供給。當1SAT入口管網壓力降至0.76 MPa.g時，入口管線上的氣動隔離閥1SAT002VA自動關閉，切斷向1#常規島和BOP等區域的公用壓空供氣，優先保證其他區域的用氣。BOP的公用壓空可以根據需要切換到相鄰機組SAT供給。

2.2壓空喪失的影響

（1）0SAP主壓空喪失。

0SAP壓空喪失，將導致1/2SAT及9SAT失去壓空供應。SAT失去的主要影響有：DVC系統碘過濾器干燥氣源喪失，若濕度增加將導致碘過濾器不可用，事故情況下放射性氣溶膠進入主控室，將造成主控室區域污染，機組核安全水平降級；DVN碘過濾器回路旁路管線失去正壓密封氣源，當出現核輔助廠房或燃料廠房出現放射性污染時可能導致未經碘過濾器處理的空氣進入大氣，造成放射性不可控排放。

另外，0SAP壓空喪失，機組應急壓空機 1/ 2SAP001CO/002CO將啟動。若應急壓空機啟動故障，則1/2SAP及下游1/2SAR將失壓。

（2）1/2SAR壓空喪失。

1/2SAR壓縮空氣分別供給RX、LX、NX、WX、KX等區域的氣動執行機構。部分與核安全相關的重要用戶，設置了單獨的壓空儲罐，可以為核島安全級氣動執行機構提供持續供氣，用于在上游SAR壓空喪失時仍能確保這些氣動閥門的開關操作，以便實現機組安全后撤到冷停堆狀態。

對于沒有單獨壓空罐供應的閥門，當SAR管網壓力下降到0.4 MPa.g時，這些閥門將處于故障安全狀態，無法進行控制。其中部分設備失氣將對機組運行造成重大影響：

①ASG汽動泵入口電磁閥ASG137/138/237/ 238VV失氣開啟，ASG汽動泵啟動。由于ASG泵出口調節閥在機組正常運行時保持全開狀態（失去壓縮空氣后也是保持全開），一旦ASG汽動泵啟動，則將以200 m3/h的流量向3臺蒸汽發生器中注入冷水，將造成一回路平均溫度下降，反應堆核功率異常升高，導致超功率停堆。

②核島冷凍水系統DEG冷凍機組RRI冷卻水閥門失氣關閉，冷凍機組全部跳閘，EVR和EVC溫度上升，安全殼壓力持續上升；當安全殼壓力達到0.11 MPa絕壓，機組將被迫向維修冷停堆工況后撤。

③乏燃料水池充氣裝置PTR010CR/011CR失氣，KX廠房內的乏燃料水池氣閘門密封不嚴，乏燃料水池向乏燃料轉運艙和裝載井泄漏，乏池液位下降導致乏池熱容量大幅降低，可能出現乏燃料裸露的風險。

④主蒸汽隔離閥氣動油泵因喪失壓空動力而無法工作，若主蒸汽隔離閥油回路有故障，則油泵不能維持油壓，MSIV在油回路油壓降到一定值之后自動關閉，將導致機組停堆停機。

⑤設備冷卻水系統補水閥RRI105/106VN失氣開啟，導致波動箱滿水溢流；RRI035/036VN失氣開啟，運行列RRI泵可能超流量損壞，同時RRI用戶溫度升高，影響核島設備冷卻。

⑥主給水流量控制系統ARE給水調節閥失氣關閉，蒸汽發生器水位持續降低，最終觸發反應堆停堆。

3　福清核電機組壓縮空氣系統存在的問題及改進建議

（1）全廠主壓空機及附屬設備供電關系不合理。

ZC廠房0SAP主壓空機組共6臺，壓空機及附屬設備的供電電源分為兩個系列：

9LGIA為1/3/5#主空壓機供給6.6 kV動力電源，同時通過0LKO 6.6/0.4 kV干式變壓器為以下設備提供低壓電源：1/2/5#主空壓機（控制電）、1/2/5#冷卻水泵/干燥器/電動閥（動力電源）、1/3#冷卻塔風機。

9LGIB為2/4/6#主空壓機供給6.6 kV動力電源，同時通過0 LKW 6.6/0.4 kV干式變壓器為以下設備提供低壓電源：3/4/6#主空壓機 （控制電）、3/4/6#冷卻水泵/干燥器/電動閥 （動力電源）、2#冷卻塔風機；圖2為0SAP主壓空機機附屬設備供電關系圖。

顯然，在這樣的供電關系下，若9 LGIA或9 LGIB因某種原因失電，會造成0SAP 4臺空壓機不能運行，僅剩兩臺空壓機可用。考慮到空壓機設備可能開展維保工作，0SAP空壓機的可用數量僅為1臺，主壓空機組作為全廠的總氣源，供氣量不足會造成1#～4#機組SAP/SAT失氣，相應機組的應急空壓機啟動，導致壓空系統長時間偏離正常運行狀態。

針對上述問題，需要對0SAP 2#、3#壓空機及附屬設備電源進行改造。改進方案可選擇：

圖2　0SAP主壓空機機附屬設備供電關系

方案一：對0LKO002TB和0LKW002TB上380 V抽屜開關出線電纜重新鋪設，將0LKO所帶2#壓空機380 V電源以及附屬設備（干燥器、電動閥、冷卻水泵等）電源與0 LKW所帶3#壓空機380 V電源以及附屬設備對調。

方案二：直接將0SAP 2#、3#壓空機6.6 kV電源進行對調，即0SAP402CO改為由9 LGIA供電，而0SAP403CO改為由9 LGIB供電。

按照上述兩種方案技改都可以實現兩列壓空機設備所用的6.6 kV和380 V與壓空機的對應關系保持完全一致，可以保證單條6.6 kV母線停電只影響3臺主壓空機，較改造之前多一臺主壓空機可用。方案二更簡單易行，已通過公司內部審查。

但上述改進未能解決9 LGIA或9 LGIB母線清掃工作時壓空機重新供電問題，因而為保證0SAP主壓空機的可用性，需要對電源9 LGIA、9 LGIB、0LKO、0LKW給與特別關注。母線的停電清掃、消缺等工作需要在合適窗口完成。通過合理安排計劃和充分的工作準備，盡量縮短電源停役時間。

（2）應急壓空壓力表測點不合理。

應急壓空系統1SAP設置了一塊遠傳壓力表（001 MP），其壓力信號用于送到主控室顯示，并且當所測壓力值低于 0.58 MPa.g時，觸發報警1SAP007KA“002BA空氣壓力低低”。

該表測點位置如圖3所示。

圖3　1SAP001MP壓力表測點位置（初始設計）

顯然，該壓力表測點位置不合理，導致1SAP001MP不能真實反映1SAP002BA的壓力。由于系統設置的逆止閥211 VA，當001 MP壓力下降時，002 BA仍可以由全廠主壓空系統（0SAP）供氣并保持正常壓力。福清核電1#、2#機組調試期間都出現過因SAP應急壓空機本體漏氣而出現1SAP007KA“002BA空氣壓力低低”報警。

根據福清核電機組運行規程，當機組帶功率運行期間出現1SAP007KA報警時，運行人員需執行ISAR1事故處理程序 （安全殼外的壓縮空氣系統故障），將汽輪機手動打閘、反應堆停運到熱停堆狀態，此外核電廠還需進入應急待命狀態。SAP001MP測點錯誤，會導致在不必要的情況下進入事故處理程序，不但影響機組的穩定運行，還會對電廠造成經濟損失。針對該問題，參考同行電站，并且與設計院溝通，將采取如下技改方案來解決：

將1SAP001MP遠傳壓力表接點移至干燥器出口母管上，見圖4。

圖4　1SAP001MP壓力表測點位置（改造方案）

完成技改后，1SAP001MP可以反映1SAP002BA的壓力。若出現1SAP007KA“002BA空氣壓力低低”報警，則說明0SAP以及1SAP壓空機運行故障，或SAP002BA相關管線出現大量漏氣，無法繼續為下游核島SAR管網供氣，需按照相應事故程序進行相應。

福清核電2#～4#機組參照1#機組實施同樣的修改。

（3）常規島儀表用壓空系統無備用氣源。

如前所述，核電機組儀表用壓縮空氣供給核島、常規島、BOP區域。其中核島SAR系統設置了幾個獨立的壓空罐，可以持續向核島安全級氣動執行機構供氣，從而保證堆芯冷卻、反應堆安全停堆到冷停堆工況。常規島SAR管網由兩個壓空儲罐（1SAR101/ 102BA）供給，單個儲罐有效容積為25 m3，可以保證常規島10 min的正常運行用氣量 （最低壓力按照 0.4 MPa.a計）。常規島SAR系統不承擔核安全功能，但對于保障機組安全穩定運行有重要作用。常規島儀表用壓空系統儲氣容量較小，沒有備用氣源，一旦失壓將導致常規島系統不能正常工作。最直接后果是主給水流量調節閥關閉，蒸汽發生器正常給水喪失、水位持續降低，觸發保護系統動作，反應堆停堆，汽輪發電機組跳閘。

為避免因常規島SAR系統故障、失壓，導致核電機組被迫停堆、停機，對電廠經濟效益造成影響，建議對常規島SAR系統進行技改，方案如下：

在常規島到BOP的SAR管線上增加旁通管線，實現兩機組常規島SAR供氣可以相互支援。見圖5。

圖5　常規島SAR系統改造方案

目前1#、2#常規島SAR系統通過逆止閥SAR009VA為BOP區域SAR管網供氣，為SAR009VA增加旁路管線，當需要時打開，這樣就可以實現BOP區域SAR母管到常規島管線反向供氣。旁通管線上設置手動隔離閥（SAR909VA），平時保持關閉。一旦1#機組常規島壓空管網壓力不足，在20 min內開啟該閥門，由另1臺機組常規島SAR系統通過BOP區域壓空母管為本機組常規島提供壓縮空氣。同理，2#機組常規島壓空故障時，1#機組SAR也可以通過2SAR909VA為其提供壓縮空氣。

這樣改造后，2臺機組常規島SAR系統互為備用氣源，在需要時可以相互支援，避免了常規島SAR系統故障導致機組被迫停運的情況出現，提高了機組可用率。

4　機組壓縮空氣系統提高可靠性探討

福清核電1#、2#機組均已經投入商業運行。2臺機組在調試、運行過程中壓縮空氣系統出現了幾次0SAP主壓空全部停運、2SAP應急壓空機不可用的事件。下面從系統設備管理的角度進行討論，給出提高系統運行可靠性的建議。

0SAP壓空機組全部不可用導致0SAP壓空喪失的故障出現了3次。故障原因包括：聯控失效，電源喪失，冷卻水回路故障。由于壓空機和干燥器在聯控設定后，需要按照一一對應關系運行，0SAP系統缺陷較多，使得壓空機和干燥器的運行相互制約，降低了系統的可用率。缺陷的積累同時疊加上述共因故障，0SAP壓空機就可能會出現同時失效，造成0SAP壓空喪失事件。

為了減少0SAP壓空機及附屬設備大面積失效的情況，需在0SAP系統具體運行方式上進行優化。在落實0SAP壓空機供電方式不合理技改的同時，還可以通過以下一些措施來提高系統可用性：

提高對0SAP系統缺陷的重視，從及時提出工作申請、合理安排消缺計劃、加強備品備件管理等方面確保系統缺陷得到及時處理；

0SAP電源（9LGIA、9LGIB、0LKO、0LKW）的預防性維修工作，需要充分考慮對壓空機以及附屬設備可用數量的影響；只有滿足系統安全運行的需求，方可安排預防性維修，且要將設備不可用時間控制盡量短，以減少隨機缺陷造成的系統失效；

注意壓空機聯控順序設置的合理性，應考慮將兩列母線供電6臺壓空機按照交叉方式進行設置；另外，在因工作需要部分壓空機退出聯控狀態時，應避免剩余壓空機均由同一列母線供電；

0SAP冷卻塔運行情況需給與重點關注，特別是因為缺陷累積或當0LKO002TB母線停電造成只有1臺冷卻塔可用的情況。

2SAP應急壓空機曾多次出現不可用，主要原因有：應急壓空機組本體漏氣、壓空機在壓力降低自動啟動后無法加載、壓空機啟動后出現排水電磁閥故障保護跳機。為確保SAP應急壓空機處于良好、可用狀態，運行人員每周執行一次定期試驗來進行檢查和驗證，發現缺陷立即聯系專業人員處理。

5　結論

本文結合福清核電1#、2#機組實際運行情況，機組壓縮空氣系統設計上存在的問題進行了詳細的分析和討論，從系統設計改進和系統運行管理兩個方面提出了改進建議。這些建議使福清核電機組壓縮空氣系統設計得到優化，系統運行可靠性提高，將有助于提升福清核電機組運行業績，同時對于同類型的其他核電機組也有一定的借鑒意義。

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秦國強（1981-），男（滿族），河北承德人，大學本科，工程師，從事核電廠運行工作；龔正熙（1987-），男，湖南益陽人，大學本科，助理工程師，從事核電廠維修工作；鄭玉英（1981-），女，河北滄州人，大學本科，經濟師，從事核電廠管理工作。

（2016-02-04）