“華龍一號”機組二次側非能動余熱排出系統運行分析

吳李興

(福清核電有限公司，福建 福清 350318)

“華龍一號”是自主化先進三代核技術的代表，“華龍一號”機組采用了先進的非能動安全技術，在事故工況下，能夠實現應急堆芯冷卻，以導出堆芯的衰變余熱，保證反應堆的安全。非能動安全系統的優點是簡化專設安全措施，減少人員干預而可能產生的誤操作，提高核電廠的固有安全性[1]。

1 系統概述

蒸汽發生器二次側非能動余熱排出系統(PRS)是華龍一號機組最主要創新設計之一。在發生全廠斷電事故工況下，或在喪失全部給水事故工況下，PRS系統投入運行，通過蒸汽發生器(SG)以非能動的方式導出堆芯余熱及反應堆冷卻劑系統各設備儲熱，在72 h內將反應堆維持在安全狀態[2]。PRS非能動安全技術的應用，提高了系統安全性。

PRS系統設置三個系列，每個環路的蒸汽發生器二次側都設置一個非能動余熱排出系列，每個系列按照反應堆額定功率的0.5%設計(0.5%FP)，即15.3 MW。每個系列包括一臺應急余熱排出冷卻器、兩臺應急補水箱和一個換熱水箱以及必要的閥門、管道和儀表。

以1號蒸汽發生器系列為例，從蒸汽發生器出口的蒸汽管線上引出的PRS系統蒸汽管線貫穿安全殼后通過一臺常開的電動隔離閥PRS101 VV，閥后分成兩個支路，一個支路連接應急余熱排出冷卻器PRS101RF，另一個支路與兩臺應急補水箱(PRS101BA和PRS102BA)連接，兩臺應急補水箱上游共用一臺電動隔離閥PRS108 VV，平時處于開啟狀態。PRS101RF和應急補水箱下游各設置兩臺并聯的電動隔離閥(PRS102/103 VL，PRS106/107 VD)，平時關閉狀態，PRS投入時開啟，冷凝水管線與蒸汽發生器給水管道相連，如圖1所示。

圖1 PRS系統示意圖(1號蒸汽發生器)Fig.1 PRS system diagram(NO.1 steam generator)

PRS系統投入時，打開應急余熱排出冷卻器下游隔離閥PRS102 VL/103 VL，使SG1出口蒸汽經PRS系統蒸汽管線進入應急余熱排出冷卻器PRS101RF的管側，蒸汽將熱量傳遞給換熱水箱后冷凝為水，返回蒸汽發生器二次側。應急補水箱下游隔離閥PRS106 VD/107 VD在PRS啟動信號延時60 s后自動開啟，將應急補水箱中的水注入蒸汽發生器二次側，補償PRS運行期間蒸汽發生器二次側水位的降低。應急補水箱水位低(定值2%)信號發出后，應急補水管線的隔離閥PRS106 VD和107 VD以及應急補水箱上游管線隔離閥PRS108 VD自動關閉，以避免蒸汽旁通進入補水箱[3]。

PRS的上述電動隔離閥均為直流電動閥，由72 h直流電源系統(ETE、ETF)供電，確保這些閥門在全廠失電事故后72 h內能可靠動作，確保PRS系統可靠運行。

2 正常運行分析

2.1 系統狀態

在機組正常運行和設計基準事故下，PRS系統隔離不運行，系統處于備用狀態。以1號蒸汽發生器對應的系列為例，各設備狀態如下所示。

(1)蒸汽管線上隔離閥PRS101 VV和應急補水箱上游隔離閥PRS108 VV處于開啟狀態；

(2)冷凝水管線的隔離閥PRS102、103 VL處于關閉狀態；

(3)應急補水箱出口隔離閥PRS106/107 VD處于關閉狀態；

(4)換熱水箱的水位處于高水位到高高水位之間；

(5)換熱水箱內的水溫不高于50 ℃；

(6)應急余熱排出冷卻器必須處于可用狀態；

(7)應急補水箱的水位處于高水位到高高水位之間。

對于應急補水箱，最初的設計是：在反應堆初始啟動前，需要為應急補水箱充水，水源為核島除鹽水系統(WND)，充水完成后，關閉補水管線隔離閥PRS151/152 VD，將應急補水箱的補水接口用盲法蘭連接，如圖2所示。

圖2 應急補水箱充水管線示意圖Fig.2 Schematic diagram of water supply pipeline of emergency make-up water tanks

正常運行期間，應急補水箱PRS101/102BA處于高水位到高高水位之間，保證足夠的水裝量，確保PRS投運時，將足夠的水注入蒸汽發生器二次側，補償PRS運行期間蒸汽發生器二次側水位的降低。

2.2 存在的問題

2.2.1 水位監視

每個應急補水箱上設置了一塊液位計，并且僅設置低水位報警，無高水位報警，無高高水位報警。

鑒于PRS應急補水功能的重要性，而設計上不考慮在正常運行期間對應急補水箱補水，若系統存在泄漏或系統誤動，可能導致應急補水箱水裝量不足，而此時無法觸發水位非高的報警，不能及時提示運行人員。

一旦應急補水箱液位降低至液位低定值(2%)以下，將觸發應急補水箱進出口閥門隔離，PRS系統的正常功能將無法保證。

改進建議：設置非高水位報警，一旦應急補水箱液位低于正常值，觸發報警，能夠提醒操縱員液位異常。

2.2.2 水位計配置

以1號蒸汽發生器對應的系列為例，按照設計邏輯，當應急補水箱PRS101BA或PRS102BA任一水箱水位低(定值2%)，將觸發PRS106 VD/107 VD/108 VV關閉，如圖3所示。

圖3 PRS106 VD/107 VD/108 VV邏輯示意圖Fig.3 Logic of PRS106 VD/107 VD/108 VV

由于PRS101BA、PRS102BA各設置了一塊液位計，當PRS104 MN與PRS105 MN任一液位計發生故障如儀表低漂，觸發PRS106 VD/107 VD/108 VV保護關閉，主控無法遠程開啟，導致本環路的PRS應急補水箱無法在PRS啟動時向SG注水。

圖4 PRS106 VD/107 VD/108 VV修改后邏輯圖Fig.4 Suggested schematic diagram after logic modification of PRS106 VD/107 VD/108 VV

改進建議：

方案1：對應急補水箱增設液位計，每個應急補水箱設置三塊液位計，改進低液位觸發邏輯，由當前的1/2運算邏輯，調整為每個應急補水箱2/3運算后,再兩個水箱間1/2運算。

方案2：保持原有設計的情況下，對每個應急補水箱增設一臺就地液位計，當遠程液位計故障時，通過就地液位計核實應急補水箱真實液位，給操縱員提供參考。當PRS104 MN與PRS105 MN任一液位計發生故障，操縱員核實就地液位正常后，必要時可以手動操作PRS106 VD/107 VD/108 VV，以確保PRS系統功能得到保障。

方案3：同時實施方案1和方案2，既改進液位計邏輯(增加遠程液位計)，也增加就地液位計。實現邏輯變更，同時保證就地可監測。

2.2.3 充水水源

(1)初始設計的問題

PRS系統應急補水箱充水水源為核島除鹽水系統(WND)，與二回路水質如pH存在較大的差別，一旦應急補水箱投入向蒸汽發生器注水，將導致二回路水質受影響。

改進建議：更換充水水源，采用與二回路水質一致的水源對應急補水箱供水，如常規島除鹽水分配系統(WCD)、啟動給水系統(TFS)、凝結水抽取系統(TFE)或輔助給水系統(TFA)等。

在該問題提出后，設計院認識到原充水水源設計存在問題。在最新的圖紙中，應急補水箱水源已經改變，現在為TFA系統。

圖5 應急補水箱充水管線示意圖(改進后)Fig.5 Schematic diagram of water supply pipeline of emergency make-up water tanks (after improvement)

(2)水源改TFA后的風險

改TFA系統向PRS充水仍然存在如下問題。

1)TFA泵壓頭較高(一般情況下均大于10 MPa)，高于PRS系統設計壓力8.5 MPa，故PRS系統存在超壓的風險。所以，使用TFA系統對PRS系統充水時，應節流控制，充水流量盡量小。

2)TFA系統作為專設安全設施系統，額外承擔對PRS系統應急補水箱充水功能，其專設安全設施的功能受到影響，如導致TFA系統水池水裝量下降，使其安全功能受影響。

3)TFA泵壓頭較高，在某些情況下TFA泵啟動，若PRS應急補水管線閥門被誤開啟，很容易造成PRS系統超壓。

4)PRS應急補水箱充水管線閥門為常關閥門，啟動TFA泵后，閥門前后壓差大的情況下可能無法開啟；而一旦先將充水管線的常關閥門開啟再啟動TFA泵，有可能造成PRS系統超壓。

改進建議：將PRS系統應急補水箱充水水源單路TFA改為兩路供水——輔助給水系統(TFA)和常規島除鹽水分配系統(WCD)。在機組停運階段的低狀態，使用常規島除鹽水分配系統(WCD)向PRS應急補水箱充水；保留TFA向PRS補水手段，在高狀態下利用TFA壓頭能實現向PRS補水。此外，需要對PRS應急補水箱充水管線的閥門實施行政隔離，防止人為誤操作，避免PRS系統超壓。

2.2.4 水位異常降低后的補水

應急補水箱主要功能是用于PRS系統運行期間向蒸汽發生器注水，其容積設計的基準為：能夠補充主蒸汽隔離閥關閉前損失的蒸汽量、事故初期由大氣旁路釋放閥釋放的蒸汽量以及PRS系統運行期間由于蒸汽發生器二次側水密度變化引起的水體積減小。

在反應堆初始啟動前，需要為應急補水箱充水，充水完成后，關閉補水管線隔離閥，原有設計上并未考慮正常運行期間對應急補水箱進行補水。

但是，在某些情況下，會出現應急補水箱液位低于要求值，如：PRS系統意外動作、應急補水管線泄漏、蒸汽管線泄漏等。

若在正常運行期間，需要對應急補水箱補水。可能的方案如下所示。

方案1：將PRS系統與蒸汽發生器隔離，啟動輔助給水泵，對應急補水箱補水。

方案2：將機組后撤至不需要PRS系統的狀態，即蒸汽發生器退出的狀態(模式4及更低的狀態)，消除故障，再對應急補水箱進行充水。

3 系統誤動作分析

PRS系統誤投入事故可能由操縱員誤動作、誤信號或隔離閥誤開啟引起。PRS系統誤投入將導致建立通過蒸汽發生器、蒸汽管道、二次側余熱排出熱交換器和冷凝水管道的自然循環流道。

該事故引起的反應堆冷卻劑系統升溫后果可以被汽輪機事故停機所包絡。該事故引起的反應堆冷卻劑系統降溫速率和幅度遠低于蒸汽系統管道破裂事故，因此該事故所引起的反應堆冷卻劑系統降溫過程中的堆芯最小DNBR可以被蒸汽系統管道破裂事故的值所包絡。

從事故分析的角度，PRS系統誤動作能夠被其他事故所包絡，本章將著重分析正常功率運行期間PRS誤動作后對機組運行的影響，以及運行人員響應時的關注內容。

3.1 邏輯動作

3.1.1 啟動邏輯

PRS系統可在下述兩種事故工況下由自動信號觸發啟動。

(1)全廠斷電事故且輔助給水系統(TFA)汽動泵系列失效。在這種假想事故發生后，反應堆冷卻劑泵停運，反應堆自動停堆，同時蒸汽發生器給水全部喪失。

(2)正常給水(TFM)或啟動給水系統(TFS)喪失，隨后輔助給水系統(TFA)未能啟動；或者正常給水系統不可用情況下，輔助給水系統在運行過程中喪失。

針對上述兩種事故，PRS系統在以下信號全部出現后自動投入運行：(1)一臺SG水位低低出現8 min并延遲45 s，或一臺SG水位低低且同一臺SG給水流量低，并延遲45 s；(2)三臺SG輔助給水總流量低；(3)三臺SG水位低三。邏輯簡圖如圖6所示。

圖6 PRS啟動邏輯示意圖Fig.6 PRS startup logic

3.1.2 動作邏輯

根據目前的邏輯設計，PRS啟動信號，分別送往TSM/TFA/PRS。

根據邏輯，PRS啟動信號觸發以下動作。

(1)對TSM系統，隔離主蒸汽管線：關閉主蒸汽隔離閥TSM001/002/003 VP、關閉主蒸汽隔離閥旁路閥TSM140/141/142 VV、關閉蒸汽管線疏水閥TSM130/230/330 VL。

(2)對TFA系統，將主蒸汽向TFA汽動泵供汽管線隔離：保護關閉TFA081 VV。

(3)對PRS系統，投入PRS應急補水箱和冷凝水管線：A列動作保護開啟PRS102 VL/202 VL/302 VL，延時60 s保護開啟PRS106 VD/206 VD/306 VD；B列動作保護開啟PRS103 VL/203 VL/303 VL，延時60 s保護開啟PRS107 VD/208 VD/308 VD。

3.2 影響分析

3.2.1 主蒸汽隔離閥關閉

在正常功率運行期間，主蒸汽隔離閥保持開啟狀態，以保證蒸汽發生器產生的蒸汽送往包括汽輪機在內的各個下游用戶。

若在功率運行時，三個主蒸汽隔離閥均突然關閉，主要事件序列如下所示。

(1)主蒸汽隔離閥關閉，主蒸汽流量驟降，主蒸汽壓力上升；

(2)對一回路排熱能力不足，穩壓器壓力升高，穩壓器壓力高或超功率ΔT觸發反應堆停堆、汽機停機；

(3)蒸汽發生器因水位壓縮而降低，SG水位降低至-1.26 m，觸發反應堆停堆、汽機停機；

(4)主蒸汽壓力升高，蒸汽排大氣系統(TSA)大氣釋放閥開啟；

(5)輔助給水泵啟動，向蒸汽發生器供水；

(6)狀態趨于穩定后，通過調節TSA導出一回路熱量，可將機組維持熱停堆或冷卻后撤。

3.2.2 TFA汽動泵供汽管線隔離

正常功率運行情況下，PRS系統啟動信號導致TFA081 VV保護關閉，TFA系統汽動泵自TSM進汽被隔離，TFA系統兩臺汽動泵不可用。因TFA系統電動泵仍然可用，故PRS系統誤啟動對TFA系統的影響是導致機組安全裕度降低，對于機組狀態無直接影響。

3.2.3 PRS系統投入

正常功率運行情況下，PRS系統啟動信號觸發PRS系統應急補水箱出水閥開啟，以及熱交換器冷凝水閥門開啟，PRS管線與主給水管線連通。而此時主給水泵在運行，主給水泵出口壓頭(近似，可能有一些管線壓降損失)若高于PRS系統向蒸汽發生器注水壓頭，則PRS系統并未向蒸汽發生器注水成功。針對主給水泵出口壓頭是否會高于PRS注水壓頭，分析如下所示。

正常運行期間，主給水泵轉速調節系統保證水汽壓差(主給水母管與主蒸汽母管之間的壓差)實測值與整定值一致，那么在穩態時，主給水母管壓力必然高于主蒸汽壓力，而PRS系統與蒸汽發生器蒸汽側相通，即PRS系統壓力低于主給水母管壓力，那么在這種情況下，開啟PRS系統向蒸汽發生器注水閥后，并無水實際向蒸汽發生器注入。

PRS啟動信號觸發主蒸汽隔離后，水汽母管壓差實測值不能代表主給水母管壓力與蒸汽發生器出口蒸汽壓力值，并且該水汽壓差實測值會是一個較大的值，并遠大于整定值，于是主給水泵轉速會不斷降低，直至最低轉速。主給水泵轉速控制原理如圖7所示。

圖7 主給水泵轉速控制原理圖Fig.7 Speed control schematic diagram of main feed water pump

由于主給水泵轉速降低，于是主給水泵出口壓頭下降，當壓力降到PRS系統壓力時，PRS系統開始向蒸汽發生器注水。注水對反應堆的影響類似于輔助給水進入蒸汽發生器，造成對一回路的冷卻。

由于主給水泵轉速降低，而導致蒸汽發生器供水不足，造成蒸汽發生器水位低，進而引起TFA泵啟動，當TFA泵啟動后，主給水母管壓力升高，又會導致PRS應急補水箱及冷凝水無法注入蒸汽發生器，此時實際上PRS系統機組運行不造成實質影響。在這種情況下，操縱員應及時將PRS系統隔離，使用TFA/TSA系統導出堆芯余熱。

3.3 誤啟動后的恢復

雖然PRS誤啟動可以被其他事故所包絡，但目前無專門針對PRS誤啟動的規程，在事故中若無明確的規程指導如何隔離PRS系統。

按照前文的分析，功率運行時，PRS系統誤啟動將觸發反應堆停堆。停堆后，運行人員將進入SEOP規程——E0(停堆或安注)，以確認電廠的自動保護系統動作正確，并評價電廠狀況并確定合適的最佳恢復規程。然而，當前的E0規程中并未考慮由于PRS誤啟動而引起反應堆停堆，缺少對PRS系統狀態確認和隔離的內容，規程無法準確應對由于PRS誤啟動而造成的停堆。

改進建議：一方面，應修改E0規程，加入PRS系統是否啟動的判斷，以便有效識別停堆原因，并引導下一步工作；另一方面，應該編寫PRS系統隔離的規程，以指導操縱員及時、正確隔離PRS系統。

隔離PRS系統的操作規程至少應包括以下三點。(1)復位PRS啟動信號；(2)關閉PRS系統閥門；(3)根據需要恢復PRS啟動信號動作的TSM/TFA系統設備。需關閉的PRS系統閥門如表1所示。

表1 隔離PRS系統閥門列表Table 1 List of the valves for PRS isolation

隔離PRS系統后，需進一步考慮的問題——機組狀態穩定后如何對PRS系統補水，這一點在前文2.2.4節中已做過分析。在目前的規程文件中無相關內容，需要明確。

3.4 避免PRS誤啟動

正常運行期間，除了PRS信號觸發導致系統啟動，也有可能由于機組狀態的變化引起了觸發PRS動作信號條件滿足而導致PRS啟動。特別要注意的是，機組下行期間，對蒸汽發生器排空過程中，將會出現SG水位低且無給水流量的情況，這將觸發PRS啟動信號。此時PRS啟動雖不會引起機組大的瞬態，但導致排空蒸汽發生器工作被影響。

建議：在機組下行期間，對蒸汽發生器排水前，需要實施臨時控制變更，閉鎖PRS系統啟動信號，以避免PRS啟動帶來不必要的干擾；或者對PRS自動啟動信號增設手動閉鎖的手段，如圖8所示。目前的規程中無相關內容。

圖8 增加手動閉鎖邏輯示意圖Fig.8 After added manual locking logic diagram

4 事故運行分析

4.1 蒸汽發生器的隔離

由于PRS系統的存在，相對于M310機組，“華龍一號”機組事故中的控制相應發生了一些變化。最明顯的如發生蒸發器傳熱管損壞(SGTR)事故、主蒸汽管線破裂事故時，需要隔離故障蒸汽發生器。在原有的設計中，對蒸汽發生器隔離操作未考慮隔離PRS系統，這將導致故障蒸汽發生器隔離不完整。

對此，我們分析到隔離故障蒸汽發生器不完整的問題，并提出了建議：加入隔離PRS系統的操作。該建議得到設計院采納。

目前，“華龍一號”機組SEOP規程中涉及需隔離PRS系統的規程如表2所示。

表2 涉及需隔離PRS系統的SEOP規程列表Table 2 List of SEOP procedures involving PRS system to be isolated

事故中若要完整隔離故障蒸汽發生器，主要涉及的動作如下：主蒸汽隔離閥、主蒸汽旁路隔離閥、主蒸汽疏水閥、汽動輔助給水泵供汽閥、大氣排放隔離閥、輔助給水調節閥、輔助給水電動隔離閥、排污隔離閥、PRS系統閥門、主給水隔離閥、主給水旁路隔離閥。

存在的問題：隔離故障蒸汽發生器相關PRS系統閥門后，若觸發PRS啟動信號，將導致故障蒸汽發生器隔離被破壞。

改進建議：對PRS自動啟動信號增設手動閉鎖的手段，在需要隔離蒸汽發生器時，將PRS自動啟動信號閉鎖，在需要啟動PRS系統時，通過手動信號啟動。此外，實施PRS自動啟動信號增設手動閉鎖的手段，也可作為3.4節機組下行時防止PRS誤啟動的防范措施。

4.2 SEOP規程分析

除了4.1節中提出的蒸汽發生器隔離的問題外，在SEOP規程中還存在其他一些問題。

某些情況不希望RPS啟動，但由于PRS自動信號可能導致其啟動。因而應考慮對PRS自動啟動信號增設手動閉鎖的手段。如所有蒸汽發生器不可控泄壓(E51)規程，若規程入口為E05(再診斷)，三臺蒸汽發生器液位均低于-1.44 m，根據規程要求，操縱員將三臺蒸汽發生器輔助給水流量減小至要求6 m3/h，隨后蒸汽發生器水位繼續降低，直到三臺蒸汽發生器水位均小于-1.62 m，將觸發PRS啟動信號。類似的問題在其他規程如堆芯冷卻惡化響應(F21)、堆芯冷卻不足響應(F22)規程中也存在。

另外，某些規程中PRS動作后的狀態恢復不完整。例如在失去二次側熱阱(F31)規程中，恢復TFA汽動泵前僅開啟了主蒸汽供汽閥門TSM127/128/129 VV，但未要求開啟PRS信號關閉的TFA081 VV(進汽總管上的閥門)。故當PRS啟動信號已復位或閉鎖的情況下，在恢復TFA汽動泵前，增加操作步驟——開啟TFA081 VV。

5 結論

華龍一號機組增加的PRS系統，雖然能夠有效緩解全廠失電及喪失全部給水事故，但PRS系統在正常運行配置及邏輯設計存在不足，以及電廠事故運行時由于新增該系統而引入了其他控制影響。通過論證分析發現，PRS系統應急補水箱的補水水源設計不足，應急補水箱水位監視和動作邏輯的不足；事故情況下，存在一些問題：蒸汽發生器隔離缺少隔離PRS系統而不完整，缺少復位PRS啟動信號操作使后續恢復TFA/TSC等受影響，PRS啟動信號可能無法復位而導致控制困難，事故控制中可能觸發不必要的PRS啟動。

論文主要的建議包括三方面：一是改進系統設計，建議增設應急補水箱水源、增加應急補水箱水位監測手段和改進水位動作邏輯等；二是建議完善程序主要是SEOP規程，增加復位PRS信號的操作；三是建議邏輯改造，增加PRS閉鎖信號，避免不必要的PRS啟動。從而達到降低PRS誤啟動概率和啟動后對機組影響，同時增加了可操作性的效果。