核電廠冷源異常控制研究

童奇俠，曾軍初

(國核示范電站有限責任公司，榮成 264312)

0 引 言

根據多基地冷源風險調查專項報告及冷源風險日歷，近些年隨著氣候、海洋生態的變化，海生物入侵引起核電廠冷源喪失風險不斷增加，國內核電廠已發生多次取水口堵塞事件，見表1。海生物(毛蝦、水母、魚群、棕囊藻、海地瓜)隨著電廠取水水流大量涌入電廠取水口以及進水明渠，引起旋轉濾網堵塞，壓差上漲，可能導致循環水泵和廠用水泵跳閘，影響機組取水，進而導致核電廠冷源的部分喪失或全部喪失，直接影響核電機組的安全穩定運行。

1 冷源組成和冷源異常的影響

核電廠冷源主要包括循環冷卻水系統、開式冷卻水系統和廠用水系統。機組正常運行時，循環水系統和開式冷卻水系統為凝汽器、閉式冷卻水系統以及真空泵密封水熱交換器提供冷卻水，廠用水系統為設備冷卻水系統熱交換器提供冷卻，帶走凝汽器和熱交換器產生的熱量，并將熱量帶至循環水系統排水渠，最終排入大海。

表1 因海生物入侵導致機組停機停堆的事件

圖1 國內核電廠冷源示意圖

目前國內各核電廠冷源系統配置設計稍有不同，但系統功能和運行方式基本相同，見表2。

表2 國內核電廠冷源系統配置

核電廠冷源出現異常，如海生物入侵，將嚴重影響鼓網、循環水泵和廠用水泵的運行，嚴重威脅核電機組的安全運行。如果導致循環水泵跳閘，機組將無法維持滿功率運行，需降功率至機組設計的功率平臺，廠用水系統的可用對保證核電廠安全具有重要意義，在循環水系統出現異常時，機組需要優先保證廠用水系統的正常運行，如無法保證，則機組控制將進入異常或事故規程，以保證核安全。

2 冷源防御和監測設施

針對核電廠取水口冷源威脅情況，國內各核電廠主要通過以下防御和監測措施應對冷源風險：

(1)多道正式攔污網和臨時攔污網：采用合金網和不同尺寸的細網對海生物進行攔截，需要定期維護。臨時攔污網，可根據機組狀態和需求臨時增加，降低相鄰機組件的冷源干擾風險；

(2)氣幕裝置：用于水母攔截，同時氣幕對魚群、蝦群有驅離作用；

(3)水下機器人：利用水下高清攝像頭和多波束成像聲納，定期對進水渠海生物或攔污網進行巡檢，應急情況下可在取水口區域執行定向監測任務；

(4)大型捕撈平臺和捕撈船只：通過捕撈、抽吸、驅離海生物，大幅度增加了應對各項冷源風險的能力；

(5)高壓反沖洗裝置：改造增加鼓網高壓沖洗水泵，增強鼓網的清理能力；

(6)海水水質自動監測浮標系統：利用水質監測儀和氣象傳感器，運用信息傳感先進技術及GPS衛星定位，探測海水PH值、溫度、濁度、葉綠素、藍綠藻、溶解氧、鹽度等參數，對赤潮的爆發進行預測；

(7)海生物實時檢測系統：水上/水下高清攝像頭和多波束聲納系統，全方位監控觀測進水渠主流道海生物情況(包括魚群、蝦群、水母和藻類等)和海面漂浮物(水草、泡沫、溢油)等，在海生物涌入前進行預警，以提前啟動冷源應急預案，防止海生物涌入，保障機組冷源安全；

(8)赤潮遙感監測及預報預警：通過衛星遙感監測等技術手段，預測、預報核電廠周邊海域赤潮/溢油等海洋災害情況，并對懸浮泥沙分布、黃色溶解有機物分布進行常規遙感監測，以保證核電廠取水口冷源用水安全。

3 冷源異常核電機組控制策略

在海生物入侵可能導致取水口堵塞的情況下，核電廠按照海域突發事件采取處理行動，運行人員按照核電廠冷源突發事件執行機組控制行動并通知冷源小組和相關專業采取行動。冷源預案的啟動，當班值需通知相鄰機組做好觀察和響應。

3.1 循環水泵跳閘機組控制

(1)一列循環水泵跳閘

當機組發現大量海生物入侵滿足冷源預案啟動條件或接到冷源小組建議，鼓網壓差上漲，運行值通過調整鼓網轉速，以提前控制鼓網壓差，避免堵塞惡化，現場操縱員就地待命，必要時手動啟動鼓網高速運行，通知機械、電氣專業檢查廠用水泵、循環水泵和鼓網等相關設備運行情況，后續根據鼓網壓差狀態、鼓網前后水位差及廠用水泵、循環水泵運行情況進行機組控制。當壓差達到循環水泵跳閘定值，運行人員可啟動消防水泵，以便使用消防水沖洗堵塞鼓網。

機組正常運行時，一列循環水泵跳閘，操縱員應集中精力去維持機組的穩定，防止汽機效率下降引起反應堆超功率，防止跳機、跳堆，確保運行中的循環水泵正常運行，根據異常規程、控制導則和凝汽器真空，快速降低汽機負荷至目標平臺(功率水平取決于海水溫度)，以維持凝汽器真空在限值內，期間持續監視廠用水泵運行參數、鼓網壓差、蒸汽發生器水位、冷凝器真空及控制棒動作情況，根據真空變化情況啟動真空泵以降低凝汽器背壓，機組穩定后，檢查循環水泵跳閘的原因。如果真空無法維持，則對汽機降負荷至停機狀態。如果冷源情況好轉，具備重新啟動循環水泵的條件，則啟動失去的循環水泵。

一列循環水泵跳閘致使冷凝器失去一列冷卻，真空度惡化，失去海水列鈦管溫度升高，內外壓差增加，增加破損幾率，低壓缸排汽溫度升高，引起低壓缸末級葉片溫度升高，根據國內核電機組實際運行數據和模擬機數據，一列循環水泵跳閘配合降功率操作，冷凝器真空僅升高4.5 kPa，對冷凝器影響較小且遠低于汽機跳閘定值，并且可及時啟動備用真空泵來維持冷凝器真空。

(2)失去全部循環水泵

海生物入侵時，受取水口管道布置、海生物數量等多種因素的影響，兩列鼓網壓差升高存在一定時間間隔，主控操縱員在第一臺循環水泵跳閘后開始根據規程要求進行降負荷操作。

若全部循環水泵失去，開式冷卻水系統失去，閉式冷卻水系統失去冷卻，通常情況下閉式冷卻水系統不能運行，常規島熱交換器由于失去冷卻無法運行，導致主發電機系統和汽輪發電機輔助系統(發電機定子冷卻水系統、發電機密封油系統、主機潤滑油系統、汽輪機液壓油系統、凝汽器除氣系統等)無法運行。由于常規島泵失去冷卻，最終將導致凝結水系統、主給水系統及疏水系統必須停運。此時機組控制策略為操縱員執行應急規程，進行機組控制，盡快停運二回路水系統和汽輪發電機相關系統并根據停堆規程控制在熱停堆工況。其主要風險是二回路系統設備停運不及時，影響設備性能甚至導致設備損壞。

在特定情況下，若限制時間和熱負荷，閉式冷卻水系統可以暫時無循環水運行。通過采取非常規手段減緩或降低閉式冷卻水系統水溫保證不超過極限運行溫度，避免主給水系統、凝結水系統、發電機等二回路重要設備損壞，維持凝結水系統和主給水系統運行，便于后續機組啟動，縮短機組啟動時間。采取非常規手段，其主要方法和注意事項如下：

①減少二回路熱負荷：停運不必要的主給水泵和凝結水泵，通過大氣釋放閥控制溫度；若機組維持熱停堆，盡早轉至啟動給水供水，停運所有主給水泵。

②減少閉式冷卻水系統用戶并反冷：盡快使用除鹽水系統對閉式冷卻水冷卻器進行反冷，結合閉式冷卻水換水能有效控制閉式冷卻水系統水溫。

③對閉式冷卻水系統進行換水操作：需提前開啟頭箱補水閥保證閉式冷卻水頭箱液位不低，補水和排水操作保持一致，防止閉式冷卻水補水不及時閉式冷卻水泵跳閘。

④開啟汽機廠房的大門、必要時手動啟動汽機廠房全部風機或臨時風扇進行對閉式冷卻水管道進行吹掃降溫散熱。

⑤根據核電歷史數據，凝結水水溫在未采取相應控制措施后最高溫度可達到98℃，影響凝汽器本體、凝結水泵運行。為控制凝結水水溫，需通過除鹽水補水并開啟疏水閥進行大量換水。大量換水操作，對于多機組基地影響較大，需提前通知化學部門保證除鹽水的制水能力。主控操縱員需持續關注凝結水水溫趨勢及凝汽器水位變化并予以控制，從而保證設備安全和避免凝結水泵跳閘。

二回路初期熱負荷過剩，需限制熱負荷。根據經驗，后期因余熱減少，停機大約16-18小時后，常規島熱負荷大幅減少，輔助蒸汽供應不足，為保證除氧器除氧需求，必要時可以重新啟動一臺主給水泵。

為便于機組控制，在條件允許的情況下，可考慮重新啟動循環水泵，但冷源事故下重新啟動循環水泵需要嚴格評估，召集相關專業部門，評估冷源狀況后方能執行，同時在啟動過程中需要嚴密監視廠用水系統運行情況，制定緊急停泵預案。重新啟動循環水泵后，主控操縱員需持續監視循環水泵和廠用水泵參數，監視鼓網壓差和水位差，機械/電氣專業現場檢查循環水泵和廠用水泵的運行情況。

3.2 廠用水泵喪失機組控制

取水口海生物入侵或其他異物聚集可能造成鼓網壓差高導致循環水泵停運，一般不會威脅到廠用水系統，但極端情況下鼓網破裂、廠用水系統熱交換器或過濾器堵塞而存在喪失廠用水系統的可能性，從而引起核電廠冷源部分或全部喪失。正在運行的一列廠用水泵失去，可通過進行廠用水系統的切列并對相應符合進行切列以達到機組的控制，此時應持續跟蹤鼓網壓差變化和廠用水泵電流、壓力、流量等運行情況。

設備冷卻水系統的熱慣性使得設備冷卻水用戶及其功能不會立即喪失，但是在廠用水不能恢復的情況下，設備冷卻水終將失去。二代核電機組，由于設備冷卻水系統和廠用水系統為核安全相關系統，考慮使用換料水箱的熱慣性達到退防模式，三代核電機組則考慮非能動方式保證機組安全。失去全部廠用水系統引起設備冷卻水水溫升高的主要風險：

①主泵無法正常運行，需執行停堆事故規程；

②化容系統下泄熱交換器冷卻無法保證，可能導致下泄溫度高而隔離；

③電氣廠房和核島通風通風無法得到冷卻，程序要求投運風冷冷凍機組，如果預計設備冷卻水失去，可以考慮提前啟動風冷冷凍機組；

④乏燃料水池冷卻受到威脅，得不到有效冷卻，需關注乏池水溫和液位；

⑤余熱排出泵和冷卻器無法保證冷卻，一回路余熱導出受到威脅。

在全部失去廠用水的情況下，總的原則是減少設備冷卻水的熱負荷以保持設備冷卻水系統的運行：

①及時停運不必要的負荷，例如主泵、乏池冷卻泵、水冷冷凍機組等；

②及時啟動風冷冷凍機組保證DCS可用；

③下泄隔離后需要關注PZR的水位，通過調節上充流量維持PZR液位在要求范圍內；

④一回路余熱需要通過SG或者余熱排出系統帶出，通過必要手段保證冷卻能力：如AP1000機組通過消防水替代保證余熱排出系統的冷卻功能；CPR1000機組設備冷卻水系統冷卻功能通過換料水箱和安全殼噴淋熱交換器的反向冷卻來實現。

在執行異常或事故程序，需要控制節奏，明確程序干預要點和關鍵步驟，保守決策，保護核安全和重要設備安全，避免機組狀態進一步惡化。對于多機組核電基地，機組控制需統籌規劃，建立完成管理機制和管理程序，明確機組控制要求。

4 不足之處及改進建議

根據近期核電廠由于冷源異常導致機組跳堆事件，反映目前國內核電廠在冷源和機組控制方面主要存在以下不足之處：

(1)多機組聯動響應機制不完善，海生物入侵對多機組安全運行的影響具有共同性，實際響應過程中，沒有明確統一的各機組控制要求。

(2)面對突發的重要冷源異常，機組控制過程中不能嚴格遵守程序的要求，機組控制策略的選擇判斷不當，決策不保守，電站冷源狀況未充分評估，根本原因分析不夠全面和深入。

(3)冷源應急響應與協調機制不完善。國內核電廠當前的海域突發事件未建立完善的政府溝通協調機制。冷源應急捕撈作業調度無法滿足緊急突發狀況。

(4)冷源相關設施設備運維管理存在不足，冷源攔截、捕撈設備的管理重視程度不高，設施設備沒有完善的維護策略和程序，設備狀態的巡視缺乏明確的標準。

(5)電廠冷源對行業良好實踐反饋落實的時效性不足。海生物監測未形成有效縱深，現有監測系統探測能力有限，事件發生時電廠的海生物監測、攔截系統仍然無法有效預警和防御大規模海生物入侵。

為降低取水口堵塞概率和保證冷源正常運行，結合當前各核電廠采取的冷源預防措施，明確核電廠冷源取水口防堵塞及機組控制優化建議如下：

(1)增加最終冷源的保障措施：主控和現場連續監視廠用水泵運行情況；增加手動沖洗廠用水貝類捕集器的頻度；維修部門加強廠用水泵的監視、廠用水熱交換器效率評估、貝類捕集器的清理準備；遵守主動停運循環水泵保護廠用水取水準則。

(2)增加冷源異常工況模擬機培訓頻率，確保運行人員熟悉各運行工況機組冷源喪失下的主要風險及事故規程中機組控制關鍵步驟，組織運行人員學習并熟悉相關機組控制導則和管理程序。

(3)核電廠應重視輔助蒸汽產生系統(電鍋爐)的可用性和冗余性。海生物入侵可能導致同一廠址多臺機組同時跳堆，輔助蒸汽產生系統可用為優化多臺機組安全穩定后撤提供有效保證。

(4)采用高強度攔污網并加固，優化取水口圍油欄的管理方法，完善臨時攔污網監測體系，加強預警并定期清理和更換；針對細小海生物(如毛蝦)入侵，增設攔污網前后水位監測和報警，在攔污網之間增加全斷面細目網和全斷面攔截兜網，并在電廠內部留有備件，在出現異常情況能及時更換。

(5)制定完善的環境監測大綱，全面評估更新核電廠環境條件變化信息，定期在周邊海域進行監測性捕撈，提前預知海生物的涌入，建立并完善與外單位合作機制，包括與政府相關主管部門建立信息互通機制，簽署合作協議，在發生海生物入侵的第一時間從外部合作單位調用專業捕撈船進行清理捕撈。

(6)營運單位應制定并優化相關程序，綜合考慮核電廠各機組面對相同海生物入侵時的聯動應急響應和控制策略，降低發生共模故障的風險，保守決策，嚴格按預案要求控制機組，保障機組安全穩定運行及冷源安全。

(7)設立冷源小組領導層和執行層，冷源小組以月會、專題會的方式運作；并設立冷源小組執行層以周會的方式運作，每周匯總冷源信息，預測下周的冷源風險并制定針對性的預防措施。定期(每季度)組織冷源保障專項行動演習，全面檢驗核電廠冷源保障專項行動相應流程的合理性、預案的可執行性及冷源應急設備的可靠性，提高冷源小組及電廠各專業人員應對毛蝦、棕囊藻、球型側腕水母等海生物入侵時應急響應的速度及處置能力，驗證冷源相關系統、設施的可用性。

5 結束語

盡管核電廠針對海生物入侵采取了多項措施和制定了相應預案，但是海生物入侵對核電廠運行依舊構成嚴重的威脅，仍有諸多改進之處。冷源預防設施的優化改進以及運行人員的培訓是核電廠應對冷源異常的主要手段，運行人員應嚴格執行機組控制策略，保證機組安全、穩定運行。