“華龍一號”應(yīng)急柴油發(fā)電機維修窗口研究

盧 放，陳 石，胡凌生，羊本林，趙鑫樾

“華龍一號”應(yīng)急柴油發(fā)電機維修窗口研究

盧 放，陳 石，胡凌生，羊本林，趙鑫樾

（華龍國際核電技術(shù)有限公司，北京 100084）

應(yīng)急柴油發(fā)電機（EDG）作為核電廠重要安全設(shè)備，主要用于應(yīng)對喪失廠外電事故。為確保EDG的可靠性，應(yīng)制定維修計劃并定期進行各種預(yù)防性維修。鑒于EDG維修時間較長，應(yīng)考慮由于維修造成的不可用給“華龍一號”核電廠帶來額外的安全風(fēng)險，這成為“華龍一號”核電廠EDG數(shù)量配置的重要考慮因素之一。根據(jù)最新的核安全要求，將導(dǎo)出乏燃料貯存設(shè)施所貯存燃料的熱量上升為基本安全功能，相比于國內(nèi)的二代堆型，“華龍一號”考慮了乏池冷卻相關(guān)設(shè)計基準(zhǔn)工況，這直接導(dǎo)致2×100%EDG配置方案難以找到合適的EDG維修窗口。本論文的主要目的就是利用確定論和概率論安全分析方法對EDG的維修窗口進行詳細(xì)分析，另辟蹊徑為EDG提供允許維修時間。分析結(jié)果表明，2×100%配置下EDG允許維修時間能夠滿足維修實際需要。因此，HPR1000采用2臺應(yīng)急柴油發(fā)電機的配置方案下能夠開展維修。

應(yīng)急柴油發(fā)電機；維修窗口；“華龍一號”；乏燃料水池

應(yīng)急柴油發(fā)電機主要用于在核電廠喪失廠外電源時為其提供必要的動力供應(yīng)。應(yīng)急柴油發(fā)電機應(yīng)具備與需要其提供動力支持的安全系統(tǒng)需求相匹配的可靠性。同時，為保證EDG的可靠性和可用性，需要對其開展定期維修。而在EDG維修期間，考慮到處于維修中的一臺EDG將處于不可用狀態(tài)，如果此時疊加發(fā)生了喪失廠外電事故，那么可供投入的EDG將減少一臺，這將造成安全系統(tǒng)可靠性降低。所以，為了保證EDG的可靠性，應(yīng)合理計劃EDG的維修時間窗口。

根據(jù)最新的核動力廠設(shè)計安全規(guī)定（HAF 102—2016）可知，將導(dǎo)出乏燃料貯存設(shè)施所貯存燃料的熱量上升為基本安全功能。根據(jù)國內(nèi)二代堆型設(shè)計可知，“華龍一號”增加考慮了乏池冷卻相關(guān)設(shè)計基準(zhǔn)工況，這是對EDG的功能設(shè)計提出了進一步的要求，這直接導(dǎo)致目前的2×100%EDG配置方案難以找到合適的EDG維修窗口。

基于此，本文將結(jié)合“華龍一號”的設(shè)計，通過利用確定論和概率論的安全分析手段，找到“華龍一號”EDG適當(dāng)?shù)木S修窗口。如果不能找到EDG合適的時間窗口，將嘗試給出“華龍一號”較為合理和經(jīng)濟的、并能夠開展應(yīng)急柴油機維修的配置方案。

1　設(shè)想方案

“華龍一號”為三環(huán)路壓水堆核電廠，其設(shè)計為每臺機組設(shè)兩臺高壓廠用變壓器，從主變壓器低壓側(cè)和發(fā)電機出口斷路器之間引接。每臺機組設(shè)一臺帶有有載調(diào)壓開關(guān)的輔助電源變壓器，其高壓側(cè)接至輔助電源變電站的220 kV母線上。

根據(jù)核電廠的運行要求，及電源故障情況下須采取的安全措施，廠用電系統(tǒng)設(shè)置實體上獨立的連接高壓輸電網(wǎng)的廠外電源。其中，500 kV電網(wǎng)電源作為核電廠的主電源，220 kV電網(wǎng)電源作為核電廠的輔助電源。每臺機組設(shè)置兩臺獨立的10 kV應(yīng)急柴油發(fā)電機組作為廠內(nèi)應(yīng)急電源，其能動部件和電氣的冗余度均為2×100%。每個柴油發(fā)電機組安裝在獨立的廠房內(nèi)，在實體上是隔離的。它們分別給對應(yīng)的A列和B列10 kV應(yīng)急母線供電，在電氣設(shè)計上同樣是獨立的。

出于經(jīng)濟性的考慮，國內(nèi)部分三代核電廠采用不配置廠址附加應(yīng)急柴油發(fā)電機的設(shè)計，“華龍一號”融合方案也擬采用該種設(shè)計。本文將以不配置廠址附加應(yīng)急柴油發(fā)電機的設(shè)計作為“華龍一號”設(shè)想方案展開論述。

2　安全要求

2.1　EDG設(shè)計安全要求

目前，國內(nèi)二代加核電廠的設(shè)計為，設(shè)置兩組應(yīng)急安全母線，并各自配置一臺100%容量應(yīng)急柴油發(fā)電機。應(yīng)急柴油發(fā)電機考慮的設(shè)計基準(zhǔn)工況為喪失廠外電源（LOOP）[1]。在事故分析中考慮LOOP發(fā)生后導(dǎo)致包括反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主泵、凝結(jié)水泵和給水泵等輔助設(shè)備失去電源，引起一、二次側(cè)過熱，進而對堆芯的影響。由此可見，當(dāng)核電廠制定應(yīng)急柴油發(fā)電機的試驗維修計劃時，應(yīng)考慮核電廠安全運行對應(yīng)急柴油發(fā)電機的需求影響。

對于國內(nèi)二代加核電廠，在各個正常運行模式下，即反應(yīng)堆功率運行模式（RP）、蒸汽發(fā)生器冷卻正常停堆模式（NS/SG）、余熱排出系統(tǒng)冷卻正常停堆模式（NS/RHR）、維修停堆模式（MCS）、換料停堆模式（RCS）和反應(yīng)堆完全卸料模式（RCD），EDG開展維修的情況分析見表1所示。

表1　二代加核電廠EDG在不同運行模型下可開展維修情況的分析表

對于二代加核電廠，當(dāng)發(fā)生喪失廠外電源事故后，通過緩解手段的投入，可以避免事故進一步惡化，維持堆芯穩(wěn)定狀態(tài)，達到事故緩解的目的。對于堆芯完全卸料狀態(tài)（RCD），喪失廠外電對反應(yīng)堆堆芯安全運行的風(fēng)險影響已因卸料而排除，所以可將應(yīng)急柴油發(fā)電機的維修計劃安排在RCD模式下開展。

由于日本福島核事故的發(fā)生，暴露了乏燃料水池安全的重要性，事故后各國加強了對乏燃料水池的安全監(jiān)管。我國也迅速做出了響應(yīng)，并明確規(guī)定將導(dǎo)出乏燃料貯存設(shè)施所貯存燃料的熱量上升為基本安全功能[2]。特別是對于新堆型的設(shè)計，考慮乏燃料水池相關(guān)的設(shè)計基準(zhǔn)工況成為安全需要。“華龍一號”作為三代先進型反應(yīng)堆，其設(shè)計基準(zhǔn)工況中增加了LOOP對乏燃料水池安全運行的影響，事故分析中考慮了因LOOP而導(dǎo)致的乏池冷卻系統(tǒng)的泵和支持系統(tǒng)的停運，引起乏池冷卻喪失。由此，“華龍一號”EDG在各窗口下可開展維修的情況分析如表2所示。

表2 “華龍一號”EDG在不同運行模型下可開展維修情況的分析表

核電廠在RCD模式下，堆芯燃料已從反應(yīng)堆轉(zhuǎn)移到乏燃料水池，乏燃料此時仍有衰變余熱，需要進行持續(xù)冷卻。為避免乏燃料水池因LOOP而無法導(dǎo)出乏燃料衰變熱，應(yīng)急柴油發(fā)電機在此模式下仍需維持備用狀態(tài)。參考二代加核電廠的分析方法，RCD模式不能作為“華龍一號”EDG的維修窗口。

2.2　EDG維修安全要求

核電廠設(shè)備的定期維修雖然是保證核電廠安全運行和維持系統(tǒng)可靠性的必要手段，但因維修帶來的短期安全風(fēng)險也是不可忽略的，應(yīng)對其進行充分的評估。對于核電廠的重要安全物項，維修導(dǎo)致安全列的不可用所帶來影響不應(yīng)使安全系統(tǒng)執(zhí)行安全功能的可靠性顯著降低[2]。對應(yīng)急柴油發(fā)電機而言，不應(yīng)因維修而導(dǎo)致其在事故工況下供電功能的可靠性顯著降低。

3　確定論準(zhǔn)則

確定論安全分析要求應(yīng)滿足核電廠設(shè)計的單一故障準(zhǔn)則。核電廠在發(fā)生某一設(shè)計基準(zhǔn)事故后，需根據(jù)核電廠事故響應(yīng)進行事故緩解，這主要是通過投入安全系統(tǒng)來實現(xiàn)。對于這些安全系統(tǒng)，在分析中，除需考慮其隨機故障失效外，還應(yīng)考慮因設(shè)備維修而導(dǎo)致的維修列停運而帶來的其可靠性降低的風(fēng)險影響。

對于“華龍一號”核電廠設(shè)計，根據(jù)單一故障準(zhǔn)則，配置兩臺100%容量EDG。假設(shè)發(fā)生喪失廠外電事故時，一臺柴油發(fā)電機因維修而不可用。對于堆芯而言，在RP、NS/SG、NS/RHR、MCS和RCS模式下不能滿足單一故障要求，故在這些模式下不能進行維修，僅能在RCD下開展維修。對乏燃料水池而言，所有電廠狀態(tài)下均需維持冷卻，尤其在RCS和RCD模式下（熱負(fù)荷更高），所以在所有電廠狀態(tài)下均不能進行維修。

根據(jù)確定論分析，“華龍一號”EDG的2×100%配置無法找出應(yīng)急柴油發(fā)電機的維修窗口。如果增設(shè)1臺EDG，達到3×100%的EDG配置時，則可滿足在電廠的所有運行模式下均滿足單一故障準(zhǔn)則，即在所有電廠狀態(tài)下均可以開展維修。

但是，對于應(yīng)急柴油發(fā)電機，其運行可靠性要求較高，運行工作環(huán)境條件惡劣等現(xiàn)實情況，導(dǎo)致一臺EDG的造價達到億元量級。如果為“華龍一號”每臺機組增設(shè)一臺EDG，將對“華龍一號”的經(jīng)濟性帶來直接影響。

4　概率論可靠性分析

4.1　分析方法

通過概率論分析方法，可量化因維修活動帶來的EDG可靠性降低的影響。對于設(shè)備而言，可維修的前提是，維修期間系統(tǒng)的可靠性應(yīng)不低于不維修時系統(tǒng)可靠性的一定比例，不會對核電廠的安全運行帶來明細(xì)的影響。即，在維修期間系統(tǒng)不可用率的最大值Rmax不得大于在規(guī)定時間內(nèi)該系統(tǒng)不進行維修的最大不可用率max的倍[3]，

由此可以得到最大允許維修時間Rmax。只要維修時間不超過Rmax，因開展維修造成的可靠性降低將是可接受的。

4.2　系統(tǒng)可靠性

安全系統(tǒng)通常由冗余的若干列構(gòu)成，事故工況下，根據(jù)事故緩解的需求，投入其中的一列或幾列便可將電廠帶入安全狀態(tài)。對于應(yīng)急柴油發(fā)電機系統(tǒng)而言，喪失廠外電后，一臺100%容量的EDG成功啟動便可執(zhí)行向安全系統(tǒng)供電的安全功能。對于不同配置的EDG系統(tǒng)，其成功準(zhǔn)則和失敗準(zhǔn)則如表3所示。

表3　不同配置下EDG系統(tǒng)成功和失敗準(zhǔn)則

考慮單臺EDG啟動失效概率為(t)時，不同配置下不開展維修的系統(tǒng)不可用率F和開展維修時系統(tǒng)不可用率R如表4所示。

表4　不同配置下EDG系統(tǒng)不可用率F和FR

4.3　設(shè)備可靠性

設(shè)備可靠性的傳統(tǒng)定義是在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[4]。可靠性用可靠度衡量。

可靠度()的通用表達式為：

此時可靠度和失效概率隨時間的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1　設(shè)備失效概率和可靠度

對于定期維修的設(shè)備，可靠度和失效概率將以維修時間間隔I為周期進行變化。

在考慮維修周期的情況下，失效概率隨時間的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2　定期維修下設(shè)備失效概率分布

4.4　允許維修時間

根據(jù)核電廠的維修計劃安排可知，在根據(jù)維修計劃對某一安全系統(tǒng)的一列進行維修時，在該列維修前，通常會對其他列進行啟動試驗，只有在其他列能夠順利啟動（即，確認(rèn)完好）的情況下，該列才會進入維修狀態(tài)。基于此可知，對于某一安全系統(tǒng)一列進行維修時、其未維修列的失效概率()為：

式中：0——維修列進入維修狀態(tài)的時刻。

前文提到，應(yīng)急柴油發(fā)電機平均啟動失效概率為5.54×10-3，“華龍一號”設(shè)計的定期維修間隔為18個月。

由此，根據(jù)公式（1），可計算得到不同配置下應(yīng)急柴油發(fā)電機最大允許維修時間Rmax，如表5所示。

表5　不同配置下EDG TRmax

根據(jù)國內(nèi)二代加核電廠運行維修經(jīng)驗，應(yīng)急柴油發(fā)電機根據(jù)維修項目的不同分為4種耗時不同的維修活動。基于此，可給出“華龍一號”在EDG不同配置下，其可開展維修活動的情況，具體如表6所示。

表6　不同配置下EDG維修活動開展情況

注：C代表換料周期

綜上，根據(jù)上述基于概率論安全分析方法計算得到的結(jié)果可知，“華龍一號”采用2×100%EDG容量配置方案可滿足其所有項目的維修需求。對于不同維修活動對于維修時間的需求，在考慮一臺EDG維修活動對剩余EDG可用率影響的情況下，根據(jù)維修期間EDG不可用率允許最大值得到的最大允許維修時間均低于四類維修活動的維修時間需求。

對于“華龍一號”采用3×100%EDG容量配置方案，其可允許維修時間明顯高于需求維修時間，不利于“華龍一號”經(jīng)濟性的提升。

由此，建議“華龍一號”EDG采用2×100%容量配置方案，并可將試驗維修時間窗口仍安排在RCD工況，為避免影響乏燃料水池安全運行和滿足單一故障準(zhǔn)則的考慮，可通過增設(shè)一臺廠址附加應(yīng)急柴油發(fā)電機，以進一步確保在RCD工況進行維修時核電廠的安全性。

5　結(jié)論及建議

根據(jù)本論文中分別采用確定論和概率論安全分析方法得到的結(jié)果可知：

（1）對于“華龍一號”，采用2×100%EDG容量配置方案可滿足其所有項目的維修需求。

（2）通過EDG維修時間窗口的計算可知，EDG的4種維修活動的計劃時間均低于最大允許時間。

（3）均衡安全性和經(jīng)濟性的考慮，在開展維修時，建議將廠址附加應(yīng)急柴油發(fā)電機連接到將維修EDG對應(yīng)的應(yīng)急母線上，此時相應(yīng)機組除去維修的一臺EDG外，仍有2臺EDG可用。EDG仍可滿足單一故障準(zhǔn)則，且機組在功率運行和停堆情況下均可開展應(yīng)急柴油發(fā)電機的在運維修。由此，建議將EDG的維修窗口仍安排在RCD工作。此時需要注意的是，在廠址內(nèi)制定EDG維修計劃時，應(yīng)避免出現(xiàn)兩臺應(yīng)急柴油發(fā)電機同時維修的情況。

［1］ 王繼東，等. 壓水堆核電廠工況分類：NB/T 20035［S］．2011．

［2］ 核動力廠設(shè)計安全規(guī)定：HAF 102［Z］．北京：國家核安全局，2016．

［3］ 單一故障準(zhǔn)則的應(yīng)用手冊和為保證系統(tǒng)可靠性的有關(guān)考慮：HAFJ0006［Z］．北京：國家核安全局，1991．

［4］ 蔡自剛，等．設(shè)備可靠性可靠性評估方法：GB/T 37079［S］．2018．

［5］中國核電廠設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)報告［R］．北京：國家核安全局，2019．

Study on the Maintenance Window of the Emergency Diesel Generator of HPR1000

LU Fang，CHEN Shi，HU Lingsheng，YANG Benlin，ZHAO Xinyue

（Hualong Nuclear Power Technology Co.，Ltd，Beijing 100084，China）

As an important safety equipment in nuclear power plant，the emergency diesel generator（EDG）is mainly used to deal with the loss of offsite power accident. In order to ensure the reliability of EDG，the maintenance plan must be made，and the preventive maintenance must be carried out regularly. In view of the long maintenance time of the EDG，the unavailability caused by maintenance must be considered to bring additional safety risks，which becomes one of the important considerations for the quantity allocation of the EDG in HPR1000. According to the latest safety requirements，the function of removing heat of the fuel from the spent fuel storage facility is upgraded to the basic safety function. Compared with the domestic generation Ⅱ reactor，the HPR1000 takes into account the design basis conditions related to the spent fuel pool cooling，which made the 2×100% EDG configuration scheme difficult to find a proper EDG maintenance window. The main purpose of this paper is to analyze the maintenance window of the EDG in detail by using the deterministic and the probabilistic safety analysis methods，and find a new way to provide the allowable maintenance time for the EDG. The analysis results show that the allowable maintenance time of the EDG with 2×100% configuration can meet the actual needs of maintenance. Therefore，the HPR1000 can be maintained under the configuration scheme of two emergency diesel generators.

Emergency diesel generator；Maintenance window；HPR1000；Spent fuel pool

TL48

A

0258-0918（2022）01-0064-06

2020-08-17

盧放（1986—），女，遼寧大石橋人，高級工程師，碩士研究生，現(xiàn)主要從事核安全分析方面研究