田灣核電站全廠斷電工況下應(yīng)急補水系統(tǒng)設(shè)計

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)急冷卻的補水流程，即采用在田灣核電站現(xiàn)有應(yīng)急補水系統(tǒng)管路新增設(shè)置額外補水及取水接口，通過軟管引至廠房外，利用移動式補水泵（或消防車）連接軟管建立應(yīng)急補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。針對一、二回路及乏燃料水池應(yīng)急補水系統(tǒng)的補水參數(shù)進行了分析，詳細設(shè)計了應(yīng)急補水系統(tǒng)管路及補水泵的設(shè)計參數(shù)。應(yīng)急補水系統(tǒng)考慮安全冗余，設(shè)置為2×100%安全系列，以保證其可用性；并對應(yīng)急補水系統(tǒng)的補水實施措施及水源進行了分析，保證了水源的可用性。

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

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號機組發(fā)生全廠斷電事故，正常電源及應(yīng)急柴油機電源均無法工作，堆芯冷卻水源喪失，導致堆芯部分裸露，出現(xiàn)不同程度的堆芯熔化。

依據(jù)國家核安全局編制的《福島核事故后核電廠改進行動通用技術(shù)要求（試行）》（以下簡稱《通用技術(shù)要求》），對應(yīng)急補水及相關(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)急補水、乏燃料水池應(yīng)急補水等措施帶出余熱的技術(shù)要求。

針對這一情況，需結(jié)合田灣核電站現(xiàn)場實際情況，對田灣核電站應(yīng)急補水系統(tǒng)開展詳細設(shè)計，確定補水流程、系統(tǒng)參數(shù)，補水措施及水源分析。

2 應(yīng)急補水工況分析

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，首先通過移動式補水泵實現(xiàn)向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)進行應(yīng)急補水，利用一回路自然循環(huán)持續(xù)通過蒸汽發(fā)生器導出堆芯余熱。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)急補水進行“充-排”操作，保證堆芯余熱導出。

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

2.1.1 一回路完整性未破壞

當一回路完整性未被破壞時，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)，因此可采用通過蒸汽發(fā)生器排出堆芯余熱。此時發(fā)生全廠斷電情況，用于蒸汽發(fā)生器正常補水系統(tǒng)及基于設(shè)計基準事故的應(yīng)急補水系統(tǒng)（LAR）均不可用，將不能通過這些正常的注水途徑進行二回路補水，需要采用額外應(yīng)急補水措施。

2.1.2 一回路完整性破壞

當一回路完整性被破壞時，采用蒸汽發(fā)生器排出堆芯余熱的冷卻措施不可用，此時利用一次側(cè)應(yīng)急補水進行“充-排”操作，導出堆芯余熱以防止堆芯燒毀。此時發(fā)生全廠斷電情況，導致用于一回路正常補水系統(tǒng)及基于設(shè)計基準事故的堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)均不可用，將不能通過這些正常的注水途徑進行一回路補水，需要采用額外應(yīng)急補水冷卻措施。

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水、冷卻系統(tǒng)不可用，在需要向乏燃料水池補水來滿足乏池冷卻時，將不能通過這些正常的注水途徑進行補水，需要采用額外應(yīng)急補水措施。

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)急補水措施以滿足堆芯及乏燃料水池的冷卻需要。

3 應(yīng)急補水系統(tǒng)設(shè)計

3.1 應(yīng)急補水流程分析

全廠斷電情況下應(yīng)急補水措施采用在田灣核電站現(xiàn)有應(yīng)急補水系統(tǒng)管路新增設(shè)置額外補水及取水接口，通過軟管引至廠房外，利用移動式補水泵（或消防車）連接軟管建立應(yīng)急補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)急補水回路的補水及取水接口上各設(shè)置兩臺手動截止閥，正常工況時，手動截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)，不影響機組的正常運行；在發(fā)生全廠斷電情況時，依據(jù)補水工況開啟相應(yīng)補水回路上的手動截止閥，通過軟管連接移動式補水泵（或消防車）進行補水。

在新增補水接口上同時設(shè)置有止回閥，其目的為當未啟動補水泵（或消防車）前防止打開手動截止閥后由于用戶壓力導致倒灌。

應(yīng)急補水系統(tǒng)流程如圖1所示。

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

3.1.1 二回路應(yīng)急補水流程

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

在進行二回路應(yīng)急補水實現(xiàn)對堆芯冷卻時，由于采用移動式補水泵對蒸汽發(fā)生器應(yīng)急補水，首先需要對二回路進行泄壓操作，采用手動打開大氣釋放閥的措施進行二回路泄壓，泄壓流程如下所示：（1）首先關(guān)閉大氣釋放閥；（2）打開大氣釋放閥前截止閥；（3）緩慢打開大氣釋放閥，調(diào)節(jié)開度，以保證泄壓速率在允許范圍內(nèi)（事故工況時管線冷卻速率不超過60℃/h）。

3.1.2 一回路應(yīng)急補水流程

依據(jù)現(xiàn)場勘查，結(jié)合田灣現(xiàn)有一回路補水途徑，在高壓安注系統(tǒng)（JND）補水管線上設(shè)置補水接口，采用軟管引至廠房外；同時由JNK水箱出口設(shè)置取水接口，采用軟管引至廠房外；由移動式補水泵連接補水路徑及取水路徑，從而建立由JNK水箱至一回路的補水回路，實現(xiàn)對一回路進行補水。

3.1.3 乏燃料水池應(yīng)急補水流程

依據(jù)現(xiàn)場勘查，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)置補水接口，采用軟管引至廠房外；同時由LCU水箱出口設(shè)置取水接口，采用軟管引至廠房外；由消防車連接補水路徑及取水路徑，從而建立由LCU水箱至乏燃料水池的補水回路，實現(xiàn)對乏燃料水池進行補水。

3.2 補水系統(tǒng)流量

根據(jù)《田灣核電站1、2號機組嚴重事故管理導則》[2]中排出長期衰變熱所需的注水流量估算，一回路應(yīng)急補水所需流量選取為125m3/h，二回路應(yīng)急補水所需流量選取為105m3/h。

參考《T105～T110期間乏燃料水池降低水位熱工安全分析》[3]，通過水池熱平衡換熱計算，補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)急補水管道設(shè)計

管道內(nèi)徑通過下式計算：

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

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

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

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

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

新增應(yīng)急補水管道的安全等級、抗震等級及質(zhì)保等級與對應(yīng)系統(tǒng)的等級一致。

3.4 系統(tǒng)揚程分析

依據(jù)揚程計算公式

其中 h：揚程；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。

針對不同的補水工況計算所需揚程如下：

（1）二回路應(yīng)急補水

采用二回路應(yīng)急補水措施對堆芯進行冷卻時，為保證移動式補水泵有足夠的揚程， 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)水箱標高約12.20m，補水泵標高8m，即S=4.2m。

LCU系統(tǒng)水箱內(nèi)為常壓，即Ps=10m H2O；

蒸汽發(fā)生器標高約25m，正常液位2.4m，補水泵標高8m，即D=19.4m；

補水管路沿程阻力358kPa，即hf=35.8m H2O；

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

（2）乏燃料水池應(yīng)急補水

乏燃料水池頂部標高約34.10m，補水泵（或消防車）標高8m，即D=26.10m；

LCU水箱標高約12.20m，消防車標高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極限工況下安全殼壓力約0.79MPa，即Pd=79m H2O；

補水管路沿程阻力236kPa，即hf=23.6m H2O；

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

（3）一回路應(yīng)急補水

排出端壓力選取為中壓安注箱用完后，應(yīng)投入低壓安注時一回路壓力，Pd=2.5MPa（250m H2O）；

補水管路沿程阻力約317kPa，即hf=31.7m H2O；

JNK水箱內(nèi)壓力為常壓，即Ps=10m H2O；

JNK水箱標高約為14.0m。補水泵標高8m，即S=6m；

壓力容器頂部標高約34m，補水泵標高8m，即D=26m；

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

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

3.5 補水泵

應(yīng)急補水系統(tǒng)所用補水泵采用移動式柴油機水泵，柴油機水泵是一個帶有柴油機驅(qū)動的泵組，驅(qū)動設(shè)置在同一個軸上。為保證機動性，柴油機水泵安裝在掛車或半掛車上。移動式補水泵借助牽引車移動。移動式補水泵掛載燃料儲箱作為油料儲備，可保證移動式補水泵自持一定時間，超過自持時間需對燃料儲箱補充油料以滿足堆芯72小時冷卻需要。

3.5.1 配置數(shù)量

田灣核電站已采購的消防車，其車載消防泵的性能（171t/h，2.0MPa）滿足乏燃料水池冷卻流量和揚程的要求，可采用此車載消防泵對乏燃料水池進行應(yīng)急補水。

因此考慮田灣核電站兩臺機組同時發(fā)生全廠斷電工況，則1、2號機組分別只需要配置一臺移動式補水泵以滿足堆芯冷卻需要，根據(jù)一回路的完整性選擇進行二回路或一回路應(yīng)急補水。

3.5.2 規(guī)格

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

經(jīng)調(diào)研，移動式補水泵選型如表3。

3.5.3 控制與監(jiān)測

用于二回路應(yīng)急補水的移動式補水泵的供水流量應(yīng)根據(jù)實際的蒸發(fā)器液位進行控制，當蒸發(fā)器液位低于正常液位時開啟移動式補水泵進行蒸發(fā)器的補水操作，當蒸發(fā)器液位達到正常液位時可停止補水操作。

移動式補水泵的控制和監(jiān)測從布置在移動式補水泵上的就地控制盤直接來實現(xiàn)。

3.6 新增接口設(shè)計

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

根據(jù)田灣核電站現(xiàn)場管道布置，新增補水接口位置設(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 水箱補水措施

當一回路發(fā)生泄漏時，首先利用JNK10/40BB001水箱作為水源進行應(yīng)急補水；當JNK10/40BB001水箱用完后可轉(zhuǎn)為從LCU水箱取水。

當一回路完整性未被破壞時，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水源；首先利用LCU01/02BB001水箱作為水源進行應(yīng)急補水；當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打開LCU01/02BB001水箱頂蓋采用消防車對其進行補水；當LCU03/04BB001水箱用完后再轉(zhuǎn)為從LCU01/02BB001水箱取水，此時通過LCU03/04BB001水箱頂蓋采用消防車對其進行補水；以此循環(huán)保證滿足至少72小時堆芯及乏燃料水池冷卻的水源。

為水箱補水時，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。消防水箱配套有標準的消防車取水接口，可以通過消防車從消防水箱取水，然后輸送到LCU水箱，以保證LCU水箱水裝量。

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

4 結(jié)束語

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)急補水系統(tǒng)設(shè)計：

（1）確定了堆芯及乏燃料水池應(yīng)急冷卻的補水流程，即采用在田灣核電站現(xiàn)有應(yīng)急補水系統(tǒng)管路新增設(shè)置額外補水及取水接口，通過軟管引至廠房外，利用移動式補水泵（或消防車）連接軟管建立應(yīng)急補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）針對一、二回路及乏燃料水池應(yīng)急補水系統(tǒng)的補水參數(shù)進行了分析，確定了應(yīng)急補水管路及補水泵的設(shè)計參數(shù)要求。

（3）應(yīng)急補水系統(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）對應(yīng)急補水系統(tǒng)的補水實施措施及水源進行了分析，保證了水源的可用性。

參考文獻

[1]國家核安全局.福島核事故后核電廠改進行動通用技術(shù)要求（試行）[S].2012.

[2]中國核動力研究設(shè)計院.田灣核電站1、2號機組嚴重事故管理導則-排出長期衰變熱所需的注水流量估算，A版[S].2012.

[3]田灣核電站1、2號機組最終安全分析報告，B版[P].

[4]中國核動力研究設(shè)計院.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)計管理工作。