田灣核電站反應堆廠房負壓波動原因分析及優化改進

馬程耀

（江蘇核電有限公司 儀控管理處，連云港222000）

田灣核電站一期工程安全殼壓力和安全殼環形空間壓力是監測和控制的工藝參數，分別通過反應堆廠房安全殼負壓系統（以下簡稱KLD10）和安全殼環形空間負壓系統來調節維持。其中KLD10 系統從控制區主送風系統取風經過過濾、加熱或冷卻的新風，通過兩道安全殼密閉隔離閥，經過送風調節閥根據安全殼負壓信號調節后送到反應堆廠房的樓梯間和主泵間。機組在正常運行狀態、預計運行事件及設計基準事故狀態下（DBA）均保證運行。當安全殼內壓力達到0.105 MPa 時，送排風管道上的4 個安全殼隔離閥關閉，系統停止運行。該系統主要功能：①建立和維持安全殼負壓在250 Pa 左右，同時建立一定的空氣交換；②建立安全殼內的空氣流向由低污染區到高污染區；③凈化空氣，控制污染向環境的釋放。而安全殼環形空間負壓系統在正常運行工況和預期運行事故下，通過控制區主送風系統和主排風系統來維持。環廊的排風量是一定的，環廊內送風管上的調節閥根據環廊的負壓值調節開度來維持環廊內的負壓在250 Pa 左右；在設計基準事故和超設計事故工況（若可用性保持）下，環廊的負壓由事故工況環廊和安全廠房專設應急負壓通風系統維持[1]。

田灣核電站一期工程最終安全分析報告（FSAR）中要求，在機組正常運行和發生預期運行事件時，安全殼負壓必須維持在-150 Pa～-275 Pa，安全殼環行空間負壓必須維持在-100 Pa～-400 Pa，以避免發生設計基準事故時放射性物質向環境釋放。如果超出范圍（-150 Pa～-275 Pa）需在1 h 內將參數恢復至允許值，否則機組應后撤至冷停堆。

反應堆廠房負壓儀表用于監測反應堆廠房安全殼壓力以及安全殼環行空間壓力，主要采用西門子7433 型儀表，部分儀表則采用E+H 和羅斯蒙特儀表。負壓儀表均采用差壓方式測量，正壓側通過儀表管引至廠房內監測點，負壓側接大氣壓力作為參考壓力[2]。在田灣核電站一期工程設計方俄羅斯圣彼得堡設計院的原設計方案中，負壓儀表參考壓力分別取自于反應堆廠房外其他4 個房間的壓力，因4 個房間壓力不同，導致負壓儀表參考基準壓力不一致，測量值存在較大偏差，同時房間內壓力不能真實反映戶外大氣壓力，無法保證反應堆廠房維持的壓力與戶外實際大氣壓值保持允許的負偏差?；谏鲜鲈?，在機組系統調試期間，俄方設計院作出變更，將4 個房間的參考端合并成2 個，1 個通過反應堆廠房引至戶外，1 個通過安全廠房引至戶外，這樣就確保了反應堆廠房所有的負壓儀表具有同一參考基準壓力，原則上保證了負壓測量值能反映安全殼內外的真實壓差。

1 存在問題及原因分析

在機組商運以后，負壓系統投運以來，主要存在負壓儀表示值波動、KLD10 系統風機切換時負壓儀表示值超限及風機無法投自動等問題。

1.1 負壓儀表示值波動

在極端天氣條件下負壓儀表示值經常出現非預期波動，經常出現超過FSAR 規定限值要求現象，在極端情況下，波動甚至超過-600 Pa，導致KLD10系統設備動作。

1.1.1 原因分析

差壓變送器測量差壓的工作原理主要通過來自正、負壓側儀表管線的壓差作用于變送器雙側的隔離膜片上，通過隔離片和元件內的填充液傳送到測量膜片的兩側，經過變送器內部處理后變成標準電信號輸出，最終在畫面上顯示[2]。田灣核電站一期工程反應堆廠房的負壓儀表正壓側儀表管線取壓口位于安全殼反應堆廠房內，負壓側儀表管線取壓口位于外界大氣，取壓示意圖如圖1 所示。

圖1 反應堆廠房負壓測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of negative pressure measurement in reactor building

在負壓系統運行期間，反應堆廠房內的壓力一般處于穩定狀態，而外界空氣流動方向多變，流動速度也不一樣，引起局部區域的瞬間正壓或者負壓因受氣流因素影響，如果取壓參考點正好在上述區域，會造成大氣壓力波動或者微壓波動。尤其在強對流天氣情況下，經常存在壓力大幅度波動。

1.2 KLD10 系統風機切換時負壓儀表示值超限及風機無法投自動

KLD10 系統由2 臺均為100%的通風機組組成，根據田灣核電站一期工程定期試驗大綱要求，KLD10 系統風機每月進行1 次切換，在切換試驗過程中，反應堆廠房負壓經常出現超過FSAR 規定限值以及風機無法實現自動投切的問題。

1.2.1 原因分析

田灣核電站一期工程主儀控系統平臺采用德國西門子技術[3]，在KLD10 系統風機的控制邏輯中，通過使用調節器分別控制風機的負荷和反應堆廠房進風閥的開度，同時在風機切換時，調節器中設計有壓力修正，具體如下：

當任一風機的負荷低于95%時，調節器將反應堆廠房內的壓力定值提高+5 Pa，以達到提前開啟進風閥的目的；調節器將反應堆廠房內的壓力定值提高+3 Pa，以實現風機及時加載的目的。

在實際工作過程中，當工作風機停運、備用風機啟動時，負荷在30 s 內就達到95%以上，此時反應堆廠房的壓力加上修正值仍未達到開閥的條件，而負荷超過95%時，修正信號自動切除，過2 min后，才能達到開閥需要的限值，發出調節指令。所以，由于壓力調節器中設計的風機切換壓力修正值與變頻器負荷變化不匹配，修正信號未起到作用，導致風機切換過程中，負壓儀表示值出現超過FSAR 限值及無法自動投切的現象。

2 優化改進

2.1 儀表負壓側參考端技術改造

2.1.1 同行調研

田灣核電站一期工程采用俄羅斯VVER 堆型，調研國內同行核電廠，反應堆廠房負壓系統設計原理及測量方式都不同，對于田灣核電站解決反應堆廠房負壓波動問題無可借鑒的參考運行經驗。

2.1.2 儀表負壓側取壓裝置設計

1）概念設計

為了保證儀表負壓側參考端壓力的穩定，使得后端變送器的信號能夠穩定輸出，需要設計出一套取壓裝置，能夠有效削減外界空氣流動方向多變，實現大氣壓力的穩定。根據上述要求，并結合動力學原理，繪制出取壓裝置概念設計圖，如圖2、圖3所示。

圖2 取壓裝置概念設計圖（一）Fig.2 Conceptual design of pressure taking device（1）

圖3 取壓裝置概念設計圖（二）Fig.3 Conceptual design of pressure taking device（2）

2）詳細設計

在取壓裝置周圍空氣存在方向和速度均不斷變化的氣流的情況下，如果采用箱體內部設置多層隔艙條的結構，可以有效地分離出空氣的動壓和靜壓，詳細設計方案如圖4、圖5 所示，說明如下：

（1）取壓裝置包括外層箱體、中間層和內層箱體，三層箱體開“V”形凹槽后，焊成四面實體的箱體，再與后端面板滿焊連接，三層箱體各有1 個Φ2～4 mm的開孔（定位見圖4），使每層箱體連通在一起[4]；

（2）箱體之間安置有若干個隔艙條，隔艙條下端面和倒邊抹玻璃膠后插入V 型槽。必須保證隔艙條入位后前端面板與箱體平齊，相鄰兩塊隔艙條的開孔前后（上下）交錯，可以限制空氣轉移的流量[4]；

圖4 取壓裝置正面圖Fig.4 Front view of pressure taking device

圖5 取壓裝置剖面圖Fig.5 Profile of pressure tapping device

（3）外層箱體開孔處接一個外螺紋管嘴，一根儀表管線從箱體下端面穿入內層箱體，空氣由外螺紋管嘴進入外層箱體，通過外層箱體內的隔艙條可以分離出空氣的動壓和靜壓，能夠將空氣大部分動壓隔離掉，剩余的動壓和靜壓（大氣壓力）傳遞到中間層箱體，經過中間層箱體內隔艙條再次將空氣的動壓和靜壓分離，空氣經過內層箱體傳遞到儀表管，經過儀表管最終傳遞到測量壓力表（變送器）[4]。

2.1.3 取壓裝置加工制作

根據設計要求，箱體選用品質優良的碳鋼板焊接而成（見圖6），外層箱體下方左右兩側焊等邊角鋼各1 條，用于固定在取壓箱支架上防止傾倒。此角鋼下端面應略高于前后面板底部，確保箱體重量完全落在支架上而不是此角鋼上，儀表管穿入后背板的四周應密封環焊，需進行100%PT 滲透試驗，成品如圖7 所示。

2.1.4 技術改造后效果驗證

在機組大修期間將反應堆廠房負壓儀表管線接入負壓取壓裝置后，負壓儀表示值穩定，改造效果良好。

圖6 取壓裝置內部實物圖Fig.6 Internal physical diagram of pressure taking device

圖7 取壓裝置外觀實物圖Fig.7 Physical appearance of pressure taking device

2.2 負壓系統控制邏輯優化

針對KLD10 系統風機定期切換試驗過程中出現的問題，通過上文的原因分析，結合西門子控制系統的技術特點，開展以下優化措施：

2.2.1 優化措施

（1）將KLD10 控制系統調節器中的MAX 取大邏輯塊改為MIN 取小邏輯塊[3]；

（2）增大KLD10 控制系統順控邏輯中操作時間；

（3）增大KLD10 控制系統調節器中控制偏差[3]；

（4）在KLD10 控制系統調節器控制偏差選擇觸發條件時，增加脈沖信號[3]；

2.2.2 優化后效果驗證

圖8 改造前風機投切試驗Fig.8 Draught fan switching test before technical transformation

圖9 技術改造后風機投切試驗Fig.9 Draught fan switching test after technical transformation

在機組大修期間對KLD 系統2 個風機進行自動投切試驗，技術改造前、后風機投切試驗情況如圖8、圖9 所示，在圖8 中：①兩個風機在投切時存在時間延遲；②負壓儀表示值超過FSAR 限值；在圖9 中：①兩個風機投切未存在延遲；②負壓儀表示值為滿足FSAR 限值要求?？梢姡脑煨Ч己?。

3 結語

長期以來，反應堆廠房負壓儀表示值波動、在風機切換過程中負壓超限及無法實現自動投切的問題，是機組安全穩定運行的一個隱患，類似問題在核工業其它領域也不同程度的存在。針對負壓示值波動等問題，通過對負壓儀表參考端優化、負壓控制系統邏輯優化等措施，負壓示值波動等問題得到有效解決，保證了機組的安全穩定運行。同時，解決措施亦可為同行核電站處理類似問題提供參考。