田灣核電站全廠斷電工況下應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王濤+唐明+羅峰++韓偉

摘 要：富島核事故后，依據(jù)《通用技術(shù)要求》，確定了田灣核電站在全廠斷電事故工況下堆芯及乏燃料水池應(yīng)急冷卻的補(bǔ)水流程，即采用在田灣核電站現(xiàn)有應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)管路新增設(shè)置額外補(bǔ)水及取水接口，通過(guò)軟管引至廠房外，利用移動(dòng)式補(bǔ)水泵（或消防車(chē)）連接軟管建立應(yīng)急補(bǔ)水回路以滿足在全廠斷電情況下堆芯冷卻、乏燃料水池冷卻。針對(duì)一、二回路及乏燃料水池應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)的補(bǔ)水參數(shù)進(jìn)行了分析，詳細(xì)設(shè)計(jì)了應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)管路及補(bǔ)水泵的設(shè)計(jì)參數(shù)。應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)考慮安全冗余，設(shè)置為2×100%安全系列，以保證其可用性；并對(duì)應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)的補(bǔ)水實(shí)施措施及水源進(jìn)行了分析，保證了水源的可用性。

關(guān)鍵詞：田灣核電站；全廠斷電；應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

1 概述

2011年3月11日，日本大地震使得福島第一核電廠1-4號(hào)機(jī)組發(fā)生全廠斷電事故，正常電源及應(yīng)急柴油機(jī)電源均無(wú)法工作，堆芯冷卻水源喪失，導(dǎo)致堆芯部分裸露，出現(xiàn)不同程度的堆芯熔化。

依據(jù)國(guó)家核安全局編制的《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求（試行）》（以下簡(jiǎn)稱《通用技術(shù)要求》），對(duì)應(yīng)急補(bǔ)水及相關(guān)設(shè)備設(shè)置提出了技術(shù)要求，主要包括采用一回路或二回路應(yīng)急補(bǔ)水、乏燃料水池應(yīng)急補(bǔ)水等措施帶出余熱的技術(shù)要求。

針對(duì)這一情況，需結(jié)合田灣核電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)田灣核電站應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)開(kāi)展詳細(xì)設(shè)計(jì)，確定補(bǔ)水流程、系統(tǒng)參數(shù)，補(bǔ)水措施及水源分析。

2 應(yīng)急補(bǔ)水工況分析

2.1 堆芯冷卻

在發(fā)生全廠斷電（此處特指失去所有交流電源，下同）情況時(shí)，首先通過(guò)移動(dòng)式補(bǔ)水泵實(shí)現(xiàn)向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)進(jìn)行應(yīng)急補(bǔ)水，利用一回路自然循環(huán)持續(xù)通過(guò)蒸汽發(fā)生器導(dǎo)出堆芯余熱。在喪失最終熱阱和二次側(cè)排熱不可用的工況下，利用一次側(cè)應(yīng)急補(bǔ)水進(jìn)行“充-排”操作，保證堆芯余熱導(dǎo)出。

因此依據(jù)一回路的完整性可采取二回路或一回路應(yīng)急補(bǔ)水措施。

2.1.1 一回路完整性未破壞

當(dāng)一回路完整性未被破壞時(shí)，堆芯應(yīng)急停堆處于次臨界狀態(tài)，一回路能夠建立自然循環(huán)，因此可采用通過(guò)蒸汽發(fā)生器排出堆芯余熱。此時(shí)發(fā)生全廠斷電情況，用于蒸汽發(fā)生器正常補(bǔ)水系統(tǒng)及基于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)（LAR）均不可用，將不能通過(guò)這些正常的注水途徑進(jìn)行二回路補(bǔ)水，需要采用額外應(yīng)急補(bǔ)水措施。

2.1.2 一回路完整性破壞

當(dāng)一回路完整性被破壞時(shí)，采用蒸汽發(fā)生器排出堆芯余熱的冷卻措施不可用，此時(shí)利用一次側(cè)應(yīng)急補(bǔ)水進(jìn)行“充-排”操作，導(dǎo)出堆芯余熱以防止堆芯燒毀。此時(shí)發(fā)生全廠斷電情況，導(dǎo)致用于一回路正常補(bǔ)水系統(tǒng)及基于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)均不可用，將不能通過(guò)這些正常的注水途徑進(jìn)行一回路補(bǔ)水，需要采用額外應(yīng)急補(bǔ)水冷卻措施。

2.2 乏燃料水池冷卻

在全廠斷電情況下，用于乏燃料水池正常補(bǔ)水、冷卻系統(tǒng)不可用，在需要向乏燃料水池補(bǔ)水來(lái)滿足乏池冷卻時(shí)，將不能通過(guò)這些正常的注水途徑進(jìn)行補(bǔ)水，需要采用額外應(yīng)急補(bǔ)水措施。

綜上，在發(fā)生全廠斷電情況下，應(yīng)設(shè)置二回路或一回路及乏燃料水池應(yīng)急補(bǔ)水措施以滿足堆芯及乏燃料水池的冷卻需要。

3 應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)急補(bǔ)水流程分析

全廠斷電情況下應(yīng)急補(bǔ)水措施采用在田灣核電站現(xiàn)有應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)管路新增設(shè)置額外補(bǔ)水及取水接口，通過(guò)軟管引至廠房外，利用移動(dòng)式補(bǔ)水泵（或消防車(chē)）連接軟管建立應(yīng)急補(bǔ)水回路以滿足在全廠斷電情況下堆芯冷卻、乏燃料水池冷卻。

新增應(yīng)急補(bǔ)水回路的補(bǔ)水及取水接口上各設(shè)置兩臺(tái)手動(dòng)截止閥，正常工況時(shí)，手動(dòng)截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)，不影響機(jī)組的正常運(yùn)行；在發(fā)生全廠斷電情況時(shí)，依據(jù)補(bǔ)水工況開(kāi)啟相應(yīng)補(bǔ)水回路上的手動(dòng)截止閥，通過(guò)軟管連接移動(dòng)式補(bǔ)水泵（或消防車(chē)）進(jìn)行補(bǔ)水。

在新增補(bǔ)水接口上同時(shí)設(shè)置有止回閥，其目的為當(dāng)未啟動(dòng)補(bǔ)水泵（或消防車(chē)）前防止打開(kāi)手動(dòng)截止閥后由于用戶壓力導(dǎo)致倒灌。

應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)流程如圖1所示。

（1）二回路應(yīng)急補(bǔ)水流程；（2） 一回路應(yīng)急補(bǔ)水流程；（3）乏燃料水池應(yīng)急補(bǔ)水流程。

3.1.1 二回路應(yīng)急補(bǔ)水流程

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，結(jié)合田灣現(xiàn)有二回路補(bǔ)水途徑，在應(yīng)急給水系統(tǒng)（LAR）補(bǔ)水管線上設(shè)置補(bǔ)水接口，采用軟管引至廠房外；同時(shí)由LCU水箱出口設(shè)置取水接口，采用軟管引至廠房外；由移動(dòng)式補(bǔ)水泵連接補(bǔ)水路徑及取水路徑，從而建立由LCU水箱至二回路的補(bǔ)水回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽發(fā)生器進(jìn)行補(bǔ)水。

在進(jìn)行二回路應(yīng)急補(bǔ)水實(shí)現(xiàn)對(duì)堆芯冷卻時(shí)，由于采用移動(dòng)式補(bǔ)水泵對(duì)蒸汽發(fā)生器應(yīng)急補(bǔ)水，首先需要對(duì)二回路進(jìn)行泄壓操作，采用手動(dòng)打開(kāi)大氣釋放閥的措施進(jìn)行二回路泄壓，泄壓流程如下所示：（1）首先關(guān)閉大氣釋放閥；（2）打開(kāi)大氣釋放閥前截止閥；（3）緩慢打開(kāi)大氣釋放閥，調(diào)節(jié)開(kāi)度，以保證泄壓速率在允許范圍內(nèi)（事故工況時(shí)管線冷卻速率不超過(guò)60℃/h）。

3.1.2 一回路應(yīng)急補(bǔ)水流程

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，結(jié)合田灣現(xiàn)有一回路補(bǔ)水途徑，在高壓安注系統(tǒng)（JND）補(bǔ)水管線上設(shè)置補(bǔ)水接口，采用軟管引至廠房外；同時(shí)由JNK水箱出口設(shè)置取水接口，采用軟管引至廠房外；由移動(dòng)式補(bǔ)水泵連接補(bǔ)水路徑及取水路徑，從而建立由JNK水箱至一回路的補(bǔ)水回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)一回路進(jìn)行補(bǔ)水。

3.1.3 乏燃料水池應(yīng)急補(bǔ)水流程

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，結(jié)合田灣現(xiàn)有乏燃料冷卻回路，在乏燃料水池冷卻系統(tǒng)（FAK）管線上設(shè)置補(bǔ)水接口，采用軟管引至廠房外；同時(shí)由LCU水箱出口設(shè)置取水接口，采用軟管引至廠房外；由消防車(chē)連接補(bǔ)水路徑及取水路徑，從而建立由LCU水箱至乏燃料水池的補(bǔ)水回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)乏燃料水池進(jìn)行補(bǔ)水。

3.2 補(bǔ)水系統(tǒng)流量

根據(jù)《田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則》[2]中排出長(zhǎng)期衰變熱所需的注水流量估算，一回路應(yīng)急補(bǔ)水所需流量選取為125m3/h，二回路應(yīng)急補(bǔ)水所需流量選取為105m3/h。

參考《T105～T110期間乏燃料水池降低水位熱工安全分析》[3]，通過(guò)水池?zé)崞胶鈸Q熱計(jì)算，補(bǔ)償乏燃料水池中水蒸發(fā)的最低流量為20t/h。

3.3 新增應(yīng)急補(bǔ)水管道設(shè)計(jì)

管道內(nèi)徑通過(guò)下式計(jì)算：

二回路補(bǔ)水設(shè)計(jì)流量105m3/h，選取管內(nèi)流速4m/s，根據(jù)式（1）二回路補(bǔ)水新增管道公稱通徑計(jì)算結(jié)果為96mm，選取為DN100。

一回路補(bǔ)水設(shè)計(jì)流量125m3/h，選取管內(nèi)流速3m/s，根據(jù)式（1）一回路補(bǔ)水新增管道公稱通徑計(jì)算結(jié)果為121mm，選取為DN150。

乏燃料水池新增應(yīng)急補(bǔ)水管道依據(jù)消防車(chē)車(chē)載消防泵額定流量171t/h進(jìn)行設(shè)計(jì)。選取管內(nèi)流速5m/s，根據(jù)式（1）乏燃料水池補(bǔ)水新增管道公稱通徑計(jì)算結(jié)果為110mm，選取為DN100。

新增管路壁厚設(shè)計(jì)依據(jù)其所連接原系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行選取，壁厚的計(jì)算公式：

將設(shè)計(jì)參數(shù)代入式（2）和（3），選取新增管道規(guī)格Ф108×5和Ф159×12。具體對(duì)應(yīng)補(bǔ)水回路及相應(yīng)流速如表1所示。

新增應(yīng)急補(bǔ)水管道的安全等級(jí)、抗震等級(jí)及質(zhì)保等級(jí)與對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的等級(jí)一致。

3.4 系統(tǒng)揚(yáng)程分析

依據(jù)揚(yáng)程計(jì)算公式

其中 h：揚(yáng)程；D：排出高度；S：吸入高度；hf：沿程阻力；Pd：排出端壓力；Ps：吸入端壓力。

針對(duì)不同的補(bǔ)水工況計(jì)算所需揚(yáng)程如下：

（1）二回路應(yīng)急補(bǔ)水

采用二回路應(yīng)急補(bǔ)水措施對(duì)堆芯進(jìn)行冷卻時(shí)，為保證移動(dòng)式補(bǔ)水泵有足夠的揚(yáng)程， Pd選取為蒸汽發(fā)生器新蒸汽壓力，即Pd=6.37MPa（637m H2O）。

LCU系統(tǒng)水箱標(biāo)高約12.20m，補(bǔ)水泵標(biāo)高8m，即S=4.2m。

LCU系統(tǒng)水箱內(nèi)為常壓，即Ps=10m H2O；

蒸汽發(fā)生器標(biāo)高約25m，正常液位2.4m，補(bǔ)水泵標(biāo)高8m，即D=19.4m；

補(bǔ)水管路沿程阻力358kPa，即hf=35.8m H2O；

將以上各參數(shù)帶入式（4）計(jì)算所得h=678.6m，因此二回路應(yīng)急補(bǔ)水揚(yáng)程選取700m。

（2）乏燃料水池應(yīng)急補(bǔ)水

乏燃料水池頂部標(biāo)高約34.10m，補(bǔ)水泵（或消防車(chē)）標(biāo)高8m，即D=26.10m；

LCU水箱標(biāo)高約12.20m，消防車(chē)標(biāo)高8m，即S=4.2m。

LCU水箱內(nèi)為常壓，即Ps=10m H2O；

乏燃料水池內(nèi)壓力即為安全殼內(nèi)環(huán)境壓力，考慮發(fā)生一回路或二回路大破口時(shí)極限工況下安全殼壓力約0.79MPa，即Pd=79m H2O；

補(bǔ)水管路沿程阻力236kPa，即hf=23.6m H2O；

將以上各參數(shù)帶入式（4）計(jì)算所得h=114.5m，因此乏燃料水池應(yīng)急補(bǔ)水所需揚(yáng)程選取120m。

（3）一回路應(yīng)急補(bǔ)水

排出端壓力選取為中壓安注箱用完后，應(yīng)投入低壓安注時(shí)一回路壓力，Pd=2.5MPa（250m H2O）；

補(bǔ)水管路沿程阻力約317kPa，即hf=31.7m H2O；

JNK水箱內(nèi)壓力為常壓，即Ps=10m H2O；

JNK水箱標(biāo)高約為14.0m。補(bǔ)水泵標(biāo)高8m，即S=6m；

壓力容器頂部標(biāo)高約34m，補(bǔ)水泵標(biāo)高8m，即D=26m；

將以上各參數(shù)帶入式（4）計(jì)算所得h=291.7m，因此一回路應(yīng)急補(bǔ)水所需揚(yáng)程選取300m。

綜上，二回路或一回路及乏燃料水池應(yīng)急補(bǔ)水所需流量及揚(yáng)程如表2所示。

3.5 補(bǔ)水泵

應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)所用補(bǔ)水泵采用移動(dòng)式柴油機(jī)水泵，柴油機(jī)水泵是一個(gè)帶有柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的泵組，驅(qū)動(dòng)設(shè)置在同一個(gè)軸上。為保證機(jī)動(dòng)性，柴油機(jī)水泵安裝在掛車(chē)或半掛車(chē)上。移動(dòng)式補(bǔ)水泵借助牽引車(chē)移動(dòng)。移動(dòng)式補(bǔ)水泵掛載燃料儲(chǔ)箱作為油料儲(chǔ)備，可保證移動(dòng)式補(bǔ)水泵自持一定時(shí)間，超過(guò)自持時(shí)間需對(duì)燃料儲(chǔ)箱補(bǔ)充油料以滿足堆芯72小時(shí)冷卻需要。

3.5.1 配置數(shù)量

田灣核電站已采購(gòu)的消防車(chē)，其車(chē)載消防泵的性能（171t/h，2.0MPa）滿足乏燃料水池冷卻流量和揚(yáng)程的要求，可采用此車(chē)載消防泵對(duì)乏燃料水池進(jìn)行應(yīng)急補(bǔ)水。

因此考慮田灣核電站兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)發(fā)生全廠斷電工況，則1、2號(hào)機(jī)組分別只需要配置一臺(tái)移動(dòng)式補(bǔ)水泵以滿足堆芯冷卻需要，根據(jù)一回路的完整性選擇進(jìn)行二回路或一回路應(yīng)急補(bǔ)水。

3.5.2 規(guī)格

移動(dòng)式補(bǔ)水泵規(guī)格應(yīng)同時(shí)滿足表2中二回路或一回路補(bǔ)水工況下的參數(shù)要求。

經(jīng)調(diào)研，移動(dòng)式補(bǔ)水泵選型如表3。

3.5.3 控制與監(jiān)測(cè)

用于二回路應(yīng)急補(bǔ)水的移動(dòng)式補(bǔ)水泵的供水流量應(yīng)根據(jù)實(shí)際的蒸發(fā)器液位進(jìn)行控制，當(dāng)蒸發(fā)器液位低于正常液位時(shí)開(kāi)啟移動(dòng)式補(bǔ)水泵進(jìn)行蒸發(fā)器的補(bǔ)水操作，當(dāng)蒸發(fā)器液位達(dá)到正常液位時(shí)可停止補(bǔ)水操作。

移動(dòng)式補(bǔ)水泵的控制和監(jiān)測(cè)從布置在移動(dòng)式補(bǔ)水泵上的就地控制盤(pán)直接來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.6 新增接口設(shè)計(jì)

應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)考慮安全冗余，設(shè)置為2×100%安全系列，即在一列補(bǔ)水管路應(yīng)故障不能補(bǔ)水時(shí)，仍有一列補(bǔ)水管路能夠?qū)嵤┭a(bǔ)水。

根據(jù)田灣核電站現(xiàn)場(chǎng)管道布置，新增補(bǔ)水接口位置設(shè)置如表3所示，新增取水接口位置設(shè)置如表4所示。

3.7 水箱補(bǔ)水措施

當(dāng)一回路發(fā)生泄漏時(shí)，首先利用JNK10/40BB001水箱作為水源進(jìn)行應(yīng)急補(bǔ)水；當(dāng)JNK10/40BB001水箱用完后可轉(zhuǎn)為從LCU水箱取水。

當(dāng)一回路完整性未被破壞時(shí)，堆芯及乏燃料水池冷卻利用LCU水箱作為水源。

LCU01/02/03/04BB001水箱采用兩用兩備的方式充當(dāng)水源；首先利用LCU01/02BB001水箱作為水源進(jìn)行應(yīng)急補(bǔ)水；當(dāng)LCU01/02BB001水箱用完后可轉(zhuǎn)為從LCU03/04BB001水箱取水，在從LCU03/04BB001水箱取水期間可通過(guò)打開(kāi)LCU01/02BB001水箱頂蓋采用消防車(chē)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)水；當(dāng)LCU03/04BB001水箱用完后再轉(zhuǎn)為從LCU01/02BB001水箱取水，此時(shí)通過(guò)LCU03/04BB001水箱頂蓋采用消防車(chē)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)水；以此循環(huán)保證滿足至少72小時(shí)堆芯及乏燃料水池冷卻的水源。

為水箱補(bǔ)水時(shí)，首先考慮廠區(qū)內(nèi)可用水源，廠區(qū)內(nèi)可用水源為SGC消防水箱，共2400m3。消防水箱配套有標(biāo)準(zhǔn)的消防車(chē)取水接口，可以通過(guò)消防車(chē)從消防水箱取水，然后輸送到LCU水箱，以保證LCU水箱水裝量。

當(dāng)SGC消防水箱用完后，考慮廠區(qū)外可用淡水水源，通過(guò)采用調(diào)集消防車(chē)向廠區(qū)附近水庫(kù)取水的方式向廠區(qū)運(yùn)水打入LCU水箱。

4 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)《通用技術(shù)要求》，分析并給出田灣核電站在全廠斷電事故工況下的應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

（1）確定了堆芯及乏燃料水池應(yīng)急冷卻的補(bǔ)水流程，即采用在田灣核電站現(xiàn)有應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)管路新增設(shè)置額外補(bǔ)水及取水接口，通過(guò)軟管引至廠房外，利用移動(dòng)式補(bǔ)水泵（或消防車(chē)）連接軟管建立應(yīng)急補(bǔ)水回路以滿足在全廠斷電情況下堆芯冷卻、乏燃料水池冷卻。

（2）針對(duì)一、二回路及乏燃料水池應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)的補(bǔ)水參數(shù)進(jìn)行了分析，確定了應(yīng)急補(bǔ)水管路及補(bǔ)水泵的設(shè)計(jì)參數(shù)要求。

（3）應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)考慮安全冗余，設(shè)置為2×100%安全系列，以保證其可用性。

（4）對(duì)應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)的補(bǔ)水實(shí)施措施及水源進(jìn)行了分析，保證了水源的可用性。

參考文獻(xiàn)

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[3]田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組最終安全分析報(bào)告，B版[P].

[4]中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院.T105～T110期間乏燃料水池降低水位熱

工安全分析，A版[S].2011.

作者簡(jiǎn)介：王濤，男，碩士，副研究員，主要從事反應(yīng)堆熱工水力與安全和先進(jìn)核能系統(tǒng)的研究。

唐明，男，江蘇核電有限公司，主要從事核電站技術(shù)改造設(shè)計(jì)管理工作。