田灣核電廠3、4號機組風險指引型防水淹設計改進措施研究

楊英豪，肖軍，朱桂學，顧曉慧，張佳佳,*

(1.上海核工程研究設計院 上海 200233；2.環境保護部核與輻射安全中心 北京 100082;3.江蘇核電有限公司 連云港 222042)

田灣核電廠3、4號機組風險指引型防水淹設計改進措施研究

楊英豪1，肖軍2，朱桂學1，顧曉慧3，張佳佳2,*

(1.上海核工程研究設計院 上海 200233；2.環境保護部核與輻射安全中心 北京 100082;3.江蘇核電有限公司 連云港 222042)

針對內部水淹的防護，傳統的確定論安全評價是從維持安全功能的角度定性分析內部水淹對機組核安全的影響，無法給出定量的風險評價。而核電廠風險指引型管理是以確定論分析為基礎，利用概率安全評價的分析結果進行風險影響評價，以此來論證決策的合理性和必要性。本文基于田灣核電廠3、4號機組內部水淹概率安全評價分析結果，針對內部水淹風險貢獻最大的汽輪機廠房循環水母管破裂的水淹情景，提出了3種設計改進方案，然后通過對各種改進方案進行了對比研究和評估，給出3種改進方案的優缺點及實施后對內部水淹堆芯損壞頻率的影響，并給出了推薦的設計改進建議。

內部水淹；風險指引型；設計改進

內部水淹是核電廠的主要風險源之一，在核電歷史上，內部水淹事件時有發生，雖未導致嚴重后果，但多起水淹事件給核電廠帶來了較大的經濟損失。針對內部水淹的防護，傳統的確定論安全評價是從安全功能的角度定性分析設備因水淹失效后對安全功能的影響[1]，無法給出定量的風險評價。內部水淹概率安全評價，不僅可以定量評估內部水淹風險，還可以發現核電廠在應對內部水淹方面存在的薄弱環節，從而提出針對性的改進措施，指導平衡設計與設計改進，降低由于水淹事件導致核電廠發生事故的風險[2,3]。福島事故后，我國核安全監管部門就明確要求開展包括內部水淹概率安全評價在內的外部事件概率安全評價工作[4]。

隨著概率安全評價技術日益成熟，以美國為代表的核電發達國家正逐漸向采用確定論與概率論方法相結合的風險指引型管理模式過渡，在進行綜合決策時，不僅要基于傳統的確定論，還要利用概率安全評價的分析結果以及見解來進行風險影響評價[5,6]。我國國家核安全局也發布了《技術政策：概率安全分析技術在核安全領域中的應用》，鼓勵概率安全評價在我國核安全領域中的應用，提高核動力廠安全水平和核安全監管效率[7]。

目前，國內新建核電廠均根據國家核安全局的要求正在開展或已經完成了內部水淹概率安全評價工作，對核電廠的防水淹設計進行了詳細評估[8]。田灣核電廠3、4號機組也在上海核工程研究設計院的幫助下開發完成了內部水淹概率安全評價模型，對這兩臺機組防水淹設計情況進行了詳細的評估[9]。通過評估，田灣核電廠3、4號機組核島廠房內各安全列之間均做了良好的實體分割，但常規島部分防水淹設計還存在優化的空間[9,10]。在本研究中，就針對田灣核電廠3、4號機組內部水淹風險貢獻最大的水淹情景進行分析，提出設計改進建議，并針對各項改進建議進行評估論證，以期有效支持田灣核電廠3、4號機組設計改進，提高核電廠防水淹能力。

1 田灣核電廠3、4號機組內部水淹概率安全評價分析情況介紹

1.1 田灣核電廠3、4號機組內部水淹概率安全評價簡介

田灣核電廠3、4號機組內部水淹概率安全評價模型主要參考了美國電力研究院內部水淹概率安全評價導則[11]的分析方法，遵從了ASME/ANS RA-Sa-2009[12]、能源行業標準NB/T20037.3-2012[13]和RG1.200[14]的技術要求，充分借鑒了國內核電廠內部水淹概率安全評價經驗，并結合了田灣核電廠3、4號機組的實際布置情況和參考電廠(田灣核電廠1、2號機組)的運行經驗開發完成。

2015年年初，上海核工程研究設計院著手開展田灣核電廠3、4號機組內部水淹概率安全評價項目電廠資料收集相關工作。在資料收集、定性篩選、定量分析以及人因分析4個階段的工作中，針對項目不同階段的重點工作，對田灣核電廠1、2號機組(作為3、4號機組的參考電廠)和3、4號機組進行了4次電廠巡訪和人員訪談的工作，并于2016年6月開發完成了內部水淹概率安全評價模型且編制了概率安全評價報告[9]。

1.2 田灣核電廠3、4號機組內部水淹概率安全評價分析結果

田灣核電廠3、4號機組風險貢獻較大的前三個內部水淹情景見表1，其中對堆芯損壞頻率貢獻最大的為IF-UMA-LOOP(汽輪機廠房循環水系統發生嚴重水淹引起喪失廠外電始發事件)，占內部水淹堆芯損壞頻率的83.32%。其次為IF-UMA-LNHR(汽輪機廠房內除IF-UMA-LOOP情景外其他水淹情景引起喪失二次側熱量排出始發事件)和IF-UQA(冷卻水泵房內水淹引起喪失二次側熱量排出始發事件)，堆芯損壞頻率分別占內部水淹總堆芯損壞頻率的12.64%和4.03%。其余水淹情景的堆芯損壞頻率貢獻均很小。

1.3 水淹情景IF-UMA-LOOP介紹

汽輪機廠房凝汽器地坑內布置有循環水母管，如圖1[15]左側部分所示，該管道一旦發生破裂可能導致嚴重的水淹后果。從破口泄漏的海水將很快淹沒凝汽器地坑，并淹至電廠地坪標高(圖1中的8m標高)，進而通過8m平臺的設備吊裝孔(尺寸為2.7m×3.6m)漫延到圖1右側的-0.1m層電氣配電間，導致配電間內的四列6kV正常運行電源BBA～BBD開關柜等設備失效，引起喪失廠外電源始發事件。該情景的堆芯損壞頻率占功率工況內部水淹總堆芯損壞頻率的83.32%。

表1 內部水淹風險貢獻占前3位的水淹情景Table 1 Top three flooding scenarios of internal flooding PSA

通過水淹漫延分析與水淹高度計算，汽輪機廠房內循環水母管破裂后約16分鐘淹沒BBA～BBD開關柜，如圖2所示。而通過操縱員訪談：主控室在接到報警后，將派現場操縱員去現場查看，現場操縱員將現場情況通過電話反饋給主控室，主控室操縱員再結合其他信號和參數綜合診斷，手動隔離循環水泵。從主控室報警信號到現場操縱員到達現場核實水淹事件大約需10分鐘，從主控制室診斷到隔離循環水泵大約需5-10分鐘，人員干預中止水淹的時間窗口不足以阻止水淹漫延至BBA～BBD開關柜。所以該水淹情景中，暫不考慮人員操作隔離水源的作用。

圖1 汽輪機廠房循環水母管與中壓配電間布置圖Fig.1 Arrangement diagram of circulating waterpipe and 6 kV AC power in turbine building

圖2 汽輪機廠房/配電間水淹高度Fig.2 Flood height versus time in turbine building and distribution room

2 設計改進方案及對比研究

2.1 設計改進方案描述

從內部水淹概率安全評價分析結果可以看出，汽輪機廠房循環水系統發生嚴重水淹引起喪失廠外電始發事件的水淹情景對內部水淹總堆芯損壞頻率貢獻最大。本研究主要針對該情景提出以下3種設計改進方案：

(1)優化循環水泵停泵信號，一旦發生泄漏量較大的管道破裂事故，即觸發停泵信號，以阻止水淹事故進一步惡化。

(2)在凝汽器側和配電間側增設防水淹封堵，避免凝汽器側的管道破裂對中壓母線產生影響。

(3)汽輪機廠房，擺放凝汽器地坑里面增加大量程液位計，將液位信號反饋到主控室；并將該液位計的測量結果與汽輪機廠房卷簾門卷起信號相關聯，即如果出現高液位現象，卷簾門自動卷起。

2.2 三種改進方案分析

2.2.1 優化循環水泵停泵信號

通過梳理現有循環水泵停泵信號，其中有一條停泵信號為：“循泵啟動的1分鐘內，運行中循泵出口壓力PAB23CP001(002/003)三取二低于0.07MPa時報警，由DCS自動停泵。” (經過確認，該停泵信號不僅針對“循泵啟動的1分鐘內”，正常運行狀態下，該信號均可導致停泵)。

由圖3[16]可以看出，循環水泵出口壓力傳感器PAB23CP001(002/003)安裝在-10.54m高度，為正常情況下海平面以下10.54m。正常情況下的海水壓頭大于0.07MPa，即僅海水壓頭足以保證不會由于破口導致的壓頭損失，不會導致停泵，需要主控室操縱員根據報警及其他信號綜合判斷后，手動停泵。而根據前面分析的水淹事件發生后的時間窗口，已來不及緩解事故。因此，可考慮增設或者調整該低壓停泵信號，在出現循環水管道較大破口時，可觸發該信號停泵，水淹事件可以及時得以緩解。但具體低壓停泵信號閾值有待進一步研究。

圖3 循環水泵安裝圖Fig.3 Circulating water pump installation diagram

2.2.2 增設防水淹封堵

防水淹封堵是電廠常用的防水淹措施，主要措施包括實體墻、防水門、門檻等。通過對可能的漫延路徑的封堵，達到阻止電氣設備受水淹影響的目的。

在田灣3、4號機組汽輪機廠房中，循環水母管管道破裂后泄漏的海水漫延至配電間主要有以下幾條漫延路徑：

(1)淹至電廠地坪標高(8m標高)，通過8m平臺的設備吊裝孔(2.7m×3.6m)漫延到-0.1m層電氣配電間，這條漫延路徑流通面積最大。

(2)在汽輪機廠房5m標高處，有幾處開孔較小的貫穿孔可漫延至配電間一側，流通面積較小。

(3)通過8m平臺的若干個門洞和電纜、管道井漫延到-0.1m層電氣配電間，該路徑流通面積總和較設備吊裝孔小。

通過對以上漫延路徑進行防水淹封堵，可以基本達到防止配電間遭受水淹的目的，但凝汽器側的設備，包括主給水泵等仍可能由于水淹導致失效。

2.2.3 增設大量程液位計并聯動汽輪機廠房卷簾門卷起

在田灣核電廠3、4號機組目前的設計中，集水坑液位傳感器探測到水位“高”信號，并觸發地坑泵啟動。但由于地坑泵排水量相比循環水母管破裂的泄漏量過小，不足以排出如此大的泄漏量，而且沒有其他排水措施，因而在循環水母管破裂后不到20分鐘即淹沒電氣配電間。若能夠及時探測到水淹事件并采取措施排出循環水母管泄漏出的海水，則至少可以避免電氣配電間遭受水淹失效。因此，提出“增設大量程液位計并聯動汽輪機廠房卷簾門卷起”的設計改進建議，并進行水淹高度計算驗證分析結果。

通過水位高度計算，一旦水淹水位達到一定高度，液位計探測到水淹，觸發水位高信號并反饋到主控室，同時啟動地坑泵和打開汽輪機廠房卷簾門。由于卷簾門寬度達到6.15m，足以排出循環水母管泄漏的海水，電氣配電間不會由于水淹導致失效，但凝汽器地坑中的電氣設備如凝結水泵等仍將由水淹導致失效，如圖4所示。

圖4 打開卷簾門后汽輪機廠房/配電間水淹高度Fig.4 Flood height versus time in turbine building and distribution room after opening the rolling shutter door of turbine building

2.3 各改進方案堆芯損壞頻率結果對比

通過在內部水淹概率安全評價模型中模擬以上3種設計改進方案的影響，建立內部水淹概率安全評價模型，計算3種方案改進后的內部水淹堆芯損壞頻率見表2。

表2 三種方案改進后的內部水淹堆芯損壞頻率Table 2 CDF induced by internal flooding after design improvements

從上表可以看出，三種改進方案對內部水淹總堆芯損壞頻率的貢獻基本相同，主要是因為三種方案實施后，都可以有效避免4列6kV中壓母線因水淹而失效。而該事件是在內部水淹堆芯損壞頻率貢獻中占支配性的事件，因此降低比例達到83%左右。同時，可以看出，方案一改進后的堆芯損壞頻率與方案二、三略有不同，主要是因為：方案一中，循環水泵停泵信號導致循環水母管的泄漏流量及時終止，不會導致補給水系統、輔助給水泵等系統和設備失效；而方案二、三只能在一定程度上避免6kV中壓母線失效，輔助給水泵等電氣設備仍可能因水淹失效。

2.4 各種改進方案對比研究

通過對以上各種改進方案的研究，整理出各改進方案的優缺點，見表3。

表3 各類改進方案的優缺點Table 3 Advantages and disadvantages of various improvement measures

3 總結建議

上述三種方案分別從源頭、漫延路徑和疏排水三個方面考慮制定改進措施，各有優缺點，也都能在一定程度上緩解事故。從效果來看，方案一能夠較好得緩解該事故，電氣配電間不會由水淹導致失效，同時也能夠避免凝汽器側電氣設備由水淹導致失效；而方案二、三僅能確保電氣配電間不會由水淹導致失效，不能有效防止凝汽器側電氣設備由水淹導致失效。從改進方案的實施難度上來看，方案二僅需要做好防水淹封堵即可，而方案一、三涉及到電氣儀控信號的改造，可能施工難度較大，方案一還需要外部單位協助計算，以確定最佳停泵信號壓力閾值。

從縱深防御的角度考慮，建議能夠從多個方面進行設計改進，從源頭上避免能夠淹到電氣配電間的水淹事件發生，從漫延路徑上阻止其漫延到配電間的可能性，從監控和疏排水的角度來及時發現和緩解水淹事件的后果。因此，在本研究中，建議結合三種改進方案的優缺點，實施如下改進方案：

(1)進一步研究循環水泵停泵信號的壓力整定值，一旦發生泄漏量較大的管道破裂事故，即觸發停泵信號。

(2)考慮到a路徑(設備吊裝孔)無法實施封堵，建議加高設備吊裝孔的圍堰；對b、c路徑的開口進行防水淹封堵。

(3)在凝汽器地坑增設若干大量程液位傳感器，并優化相關防護規程。

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StudyonImprovementMeasuresofRisk-informedFloodProtectionDesignofTianwanNPPUnits3&4

YANG Yinghao1, XIAO Jun2, ZHU Guixue1, GU Xiaohui3, ZHANG Jiajia2，*

(1.Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233,China;2.Nuclear and Radiation Safety Center, Beijing 100082, China; 3.Jiangsu Nuclear Power Corporation, Lianyungang 222042, China)

For the protection against internal flooding, the traditional deterministic safety assessment is a qualitative analysis of the influence of internal flooding on the safety of unit, from the point of maintaining safety features, and the quantitative risk assessment cannot be obtained. The risk-informed management of NPS, utilizes the result of probabilistic safety analysis (PSA) for risk assessment, on the basis of deterministic methodology, in order to demonstrate the rationality and necessity of decision-making. This paper gives an introduction of the results of internal flooding PSA of Tianwan NPP units 3 & 4. Three design improvement measures are proposed for the flooding scenario of the circulating water pipe rupture in the turbine building, which contributes the highest CDF of internal flooding PSA. Then through the comparative study of various improvement measures, advantages and disadvantages of them are given, and the optimized design suggestions for the Tianwan NPP units 3 & 4 are presented.

internal flooding, risk-informed, design improvement

2017- 04- 25

2017- 05- 28

環保公益性行業科研專項，項目編號:201309054

楊英豪(1987—)，男，湖北鐘祥人，工程師，現主要從事核電廠概率安全評價工作

：TL364

：A

:1672- 5360(2017)02- 0029-06