AP1000 循環水系統邏輯優化分析

許 強，宋慧斌，田立國

（三門核電有限公司運行處，浙江 臺州 318000）

AP1000 循環水系統是構成核電站汽水循環的重要系統，通過冷卻在凝汽器中建立真空，以支持汽輪機和旁路排放系統的運行。一旦其發生故障甚至全部喪失，將對整個核電站產生重要影響。三門核電循環水系統的相關邏輯配置與國內其他電站有所不同，一旦發生喪失循環水事件，電站的響應也與其他電站不同。本文從這些差異入手，結合機組實踐經驗，通過模擬驗證，分析我廠在喪失所有循環水泵時的響應，以期在電站發生故障時為機組提供最佳應對策略和建議。

三門核電在設計建造時接口較多，核島由西屋設計，常規島由三菱設計，設計院也參與設計，接口多導致未完全統籌考慮。

1 循環水系統配置

AP1000 循環水系統采用單元制直流供水系統，循環水取自三門灣海水，經過凝汽器后排入三門灣。每臺機組設有2 臺50%容量的循環水泵，沒有設置備用水泵。

為了保護循環水泵和電機，系統設置了如下自動停泵保護：循環水泵出口電動隔離閥非預期關閉，循環水泵密封水流量低，電氣故障。

2 主要系統聯鎖

循環水系統作為眾多系統的支持系統，一旦發生故障將影響其他系統的運行，為了提供相應保護，設置如下主要邏輯聯鎖：

（1）汽輪機停機：在發電機并網狀態下，2 臺循環水泵停運，自動聯鎖跳汽輪機。

（2）閉鎖蒸汽旁路排放系統：當2 臺循環水泵停運時，凝汽器可用信號（C9）消失，在PLS 側產生旁排閉鎖信號，閉鎖旁排閥開啟。

這2 個保護沒有設置延遲環節，在失去全部循環水泵后立刻聯鎖停機和閉鎖蒸汽旁路排放系統，第一時間切斷排往凝汽器的蒸汽，有利于汽輪機末級葉片和凝汽器傳熱管的保護。但由于AP1000 停機不停堆的設計，在喪失凝汽器熱阱后反應堆依然保持運行，對機組形成挑戰。

3 喪失循環水響應分析

功率運行時，若2 臺循環水泵因故障同時跳閘，將觸發汽輪機停機，同時閉鎖蒸汽旁路排放系統向凝汽器的排放。本文以模擬機驗證結果分析不同功率下同時喪失全部循環水時的電站響應，反應堆的功率水平決定了故障發生后堆芯熱量積聚的速度，功率水平越高，熱量積累越快。功率水平的高低，也決定了故障發生后快速降功率系統是否動作。

為了驗證不同功率水平下發生故障時電站的響應，在模擬機上對各個功率平臺進行了故障模擬。各功率平臺時2 臺循環水泵跳閘的數據（硼濃度778 ppm）見表1。

表1 不同功率水平驗證數據

通過對驗證數據分析可以發現：

（1）當核功率大于70%平臺時，由于快速降功率系統動作，汽輪機停機時反應堆功率瞬時下降，故障不會引起反應堆自動停堆，但主蒸汽安全閥將打開。

（2）當核功率在50%～70%平臺時，由于快速降功率系統不動作，此時反應堆功率足夠高，瞬態后RCS 系統壓力迅速上升，在主蒸汽壓力達到安全閥打開定值前觸發反應堆自動停堆（穩壓器壓力高3）。停堆后核功率迅速下降，主蒸汽安全閥不動作。

（3）當核功率在40%及以下平臺時，由于功率水平較低，故障不會引起反應堆自動停堆，但主蒸汽安全閥將打開。

4 其他類型機組邏輯配置

4.1 美國標準AP1000 和三菱邏輯配置

4.1.1 美國標準AP1000（vogtle 電廠）配置

美國標準AP1000 在常規島的配置與三門項目有很大差別。在喪失全部循環水泵后，沒有設置直接跳汽輪機和閉鎖旁路排放系統的邏輯，而是隨著凝汽器真空的下降，依據凝汽器低真空聯鎖跳汽輪機和閉鎖旁路排放系統。根據2017 年某電廠在滿功率時2 臺循環水泵同時跳閘的數據，喪失全部循環水泵39 s 后凝汽器真空降至跳機定值，觸發汽輪機保護系統動作自動停機；88 s 后真空降低導致凝汽器故障，旁排閥閉鎖。不同機組在具體動作時間上可能存在差別，但相差不大。

標準AP1000 沒有直接聯鎖停機和閉鎖旁排的邏輯，這就導致在真空低汽輪機停機后，旁排系統仍可以繼續帶出一回路熱量，此時一回路快速降功率系統動作，控制棒由于一回路溫差繼續下插進一步降低一回路功率。功率的降低也將延后主蒸汽安全閥的開啟，運行人員有較充裕的時間分析瞬態和采取行動，根據規程手動停堆，避免主蒸汽安全閥開啟。

此外，vogle 電廠4 臺循環水泵三用一備的設置也減少了喪失全部循環水泵的風險。

4.1.2 三菱設計邏輯配置

三菱設計的邏輯認為，喪失2 臺循環水泵作為汽輪機跳機和閉鎖旁排的邏輯輸入能夠為汽輪機和凝汽器提供更佳的保護。但根據三菱為其國內電站的設計，喪失全部循環水停機后邏輯自動停堆，不存在一、二回路功率偏差導致主蒸汽安全閥頂開的情況。

4.2 國內其他類型機組邏輯配置

對于喪失循環水引起的瞬態，國內其他類型機組通常有停機停堆邏輯的自動動作對系統設備實施保護。在停機邏輯上國內典型機組，如M310、華龍等，與美國標準AP1000 一樣，都是根據凝汽器的真空聯鎖停機和閉鎖旁排，與循環水泵的運行狀態無關；在停堆邏輯上，國內其他類型機組與我廠的設計有所不同，存在喪失循環水瞬態相關的停堆邏輯，國內典型機組的配置見表2。

表2 國內典型機組的停堆邏輯配置

由表2 可見，國內其他類型機組針對喪失循環水故障都有相應的保護聯鎖停堆，從而避免主蒸汽管線壓力上升導致主蒸汽安全閥打開。其中：

秦山一期的邏輯設置最為保守，當P7（核功率大于10%或汽輪機功率大于10%）存在時，汽輪機緊急停機將直接導致反應堆停堆。

M310 機組和華龍一號機組的保護設計比較類似，邏輯上更為復雜，充分考慮了電站的可用性和瞬態后恢復。但復雜的設計也增大了誤動的風險。

田灣VVER 的設計另辟蹊徑，由主蒸汽管線的壓力觸發停堆，有效地避免了安全閥打開。由于我廠大氣釋放閥與安全閥設定值之間的差值（0.32 MPa）較VVER（1.278 MPa）小，這種保護無法在我廠實施。

雖然各廠的具體設計有所不同，但都有保護避免壓力上升挑戰主蒸汽安全閥，在應對瞬態時我們可以進行參考和借鑒。

5 循環水系統邏輯優化

根據前文分析，當前邏輯下發生喪失循環水的瞬態后，盡快停堆是緩解瞬態的核心。停堆后，反應堆功率快速降低，能夠有效避免主蒸汽安全閥打開，優化瞬態處理進程，同時也能有效降低主控室因大氣釋放閥排汽導致的噪音，有利于瞬態期間主控室人員的溝通和交流。對此，可從邏輯變更方面進行優化。

通過保護邏輯實現自動停，是實現反應堆快速停堆最為有效的手段，一方面能夠實現反應堆快速停堆，消除瞬態時人員執行手動停堆時的各種不確定性，有效防止主蒸汽安全閥開啟；另一方面也能減輕運行人員的壓力和負擔，以及誤操作的風險。此外，在喪失全部循環水泵后，增加自動停堆邏輯也符合電站設計和事故緩解策略：首先，根據西屋公司的設計，停機不停堆功能的目的是在瞬態發生后，減少電站的不可用時間，提高電站的經濟性；同時減少反應堆冷卻劑系統的設計瞬態以及電站恢復時運行人員的負擔。但停機不停堆的功能僅限于不影響二回路汽水循環的汽輪發電機故障或系統誤動，在喪失全部循環水泵后，反應堆無法承受汽輪機停機同時喪失凝汽器排放能力，需要第一時間停堆，然后停機。

參考其他電站的保護邏輯設置，并考慮我廠的設計特點、規程要求及模擬機的數據，建議我廠的停堆邏輯可設置如圖1 所示。

圖1 自動停堆邏輯

根據邏輯設想，當反應堆功率大于10%時，無論汽輪機是否并網運行，一旦無法向凝汽器排放蒸汽，直接聯鎖停堆。

發電機并網時，發電機出口斷路器合閘，一旦同時喪失2 臺循環水泵，汽輪機緊急停機信號、C9 非與上核功率大于10%，反應堆自動停堆。

在發電機出口斷路器斷開時，同時喪失2 臺循環水泵不會產生汽輪機緊急停機信號，此時發電機出口斷路器斷開信號存在，與上C9 非和核功率大于10%，反應堆自動停堆。

6 結束語

喪失循環水將導致電站產生大的瞬態，若無有效干預，將導致主蒸汽安全閥打開。盡早停堆是緩解機組瞬態、避免主蒸汽安全閥打開的關鍵。增加停堆保護，通過邏輯實現自動停堆是緩解此類瞬態最有效的手段，同時也可以降低運行人員的壓力和負擔，消除人員手動干預的不確定性。此外，在變更實施前，作為補償策略，可以通過規程及其執行規則的優化、加強培訓等手段縮短瞬態后停堆時間，避免對主蒸汽安全閥和電站形成挑戰。