AP1000消防水冷卻作用的設(shè)計(jì)功能改進(jìn)

張保國(guó)

（山東核電有限公司，山東 海陽(yáng) 265116）

AP1000消防水冷卻作用的設(shè)計(jì)功能改進(jìn)

張保國(guó)

（山東核電有限公司，山東 海陽(yáng) 265116）

福島核事故處理過(guò)程中大范圍使用消防水手段作為最終冷源的經(jīng)驗(yàn)反饋表明，核電廠的后備熱阱有必要進(jìn)一步在及時(shí)性與充足性方面加強(qiáng)。對(duì)于AP1000核電廠，F(xiàn)PS系統(tǒng)設(shè)計(jì)也為核島廠房及設(shè)備提供消防水源和備用冷卻水源，YFS僅為廠前區(qū)的辦公環(huán)境和控制區(qū)外的部分生產(chǎn)廠房提供消防手段，兩個(gè)系統(tǒng)互相獨(dú)立。文章在實(shí)施倒送電臨時(shí)消防措施的基礎(chǔ)上，提出了用物理連接加行政控制措施使得YFS成為FPS正式備用水源的設(shè)計(jì)思想，對(duì)YFS成為FPS的正式備用，并使YFS系統(tǒng)進(jìn)一步通過(guò)FPS成為主廠房后備熱阱的可行性進(jìn)行了初步討論。

福島核事故；消防系統(tǒng)；AP1000備用冷卻水源；后備熱阱

福島核電站在事故處理階段因喪失了電源和水源，而大量使用了消防水手段對(duì)廠址和設(shè)備進(jìn)行冷卻，為場(chǎng)外電源恢復(fù)爭(zhēng)取了時(shí)間，但福島核事故處理后期發(fā)現(xiàn)，因?yàn)殚_(kāi)式冷卻導(dǎo)致大量廢水無(wú)法回收儲(chǔ)存。

YFS（廠前區(qū)和BOP的消防系統(tǒng)）在標(biāo)準(zhǔn)的AP1000核電廠并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，需要具體到廠址條件。但FPS（廠區(qū)消防水系統(tǒng)）就是作用于1臺(tái)機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。FPS（原設(shè)計(jì)為核安全相關(guān)的系統(tǒng)，相關(guān)設(shè)計(jì)在福島核災(zāi)發(fā)生之前就已經(jīng)基本固化，隨著設(shè)計(jì)的不斷深入，技術(shù)設(shè)計(jì)單位目前將其定性為非核安全相關(guān)系統(tǒng)，僅僅將核島安全殼內(nèi)部的FPS管線定性為核安全相關(guān)抗震級(jí)別管線。

為了降低管理上的不到位而引起技術(shù)上的不充分，而降低核電廠的固有安全系數(shù)，有必要在結(jié)合AP1000非能動(dòng)的基礎(chǔ)上，引入YFS的長(zhǎng)效持久能動(dòng)，進(jìn)一步提升FPS的縱深防御。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能

對(duì)于AP1000核電廠，廠用水系統(tǒng)（SWS）是非安全相關(guān)系統(tǒng)，但喪失該系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（CCS）失效。對(duì)于功率運(yùn)行工況，CCS喪失將導(dǎo)致主泵因喪失冷卻而停運(yùn)，進(jìn)而觸發(fā)核電廠停堆。對(duì)于停堆運(yùn)行工況，CCS喪失將導(dǎo)致正常余熱排出系統(tǒng)（RNS）喪失熱阱，進(jìn)而導(dǎo)致堆芯衰變熱移出功能喪失。因此，從提高核電廠安全性和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，保障相應(yīng)工況下SWS的可靠運(yùn)行就顯得非常重要。而FPS在物理上作為CCS的一路備用。

AP1000安全性提高的一個(gè)重要原因，是由于起到最終熱阱作用的PCS的創(chuàng)新，PCS由1臺(tái)與安全殼屏蔽構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)合為一體的儲(chǔ)水箱，以及從水箱經(jīng)由水量分配裝置將水輸送至安全殼殼體的管道共同組成。

目前，F(xiàn)PS設(shè)計(jì)本身除了滅火功能外，還具有給極端情況下的余熱排出提供冷源和工質(zhì)功能。在發(fā)生地震加全堆失去交流電源情況下，從乏燃料水池自身熱容量、補(bǔ)水手段及補(bǔ)水水源方面分析，在抗震廠房及相關(guān)管道仍然完好的情況下，從設(shè)計(jì)上可以實(shí)現(xiàn)乏燃料水池的補(bǔ)水打開(kāi)閥門或閘門，進(jìn)行補(bǔ)水管線連接等操作，但由于事故時(shí)要考慮PCCWST（非能動(dòng)安全水箱）內(nèi)所儲(chǔ)存的水并不是專門為乏燃料水池設(shè)計(jì)使用，因此，需要盡快采用外部的非安全相關(guān)水源為乏燃料水池進(jìn)行補(bǔ)水，一是通過(guò)PCS系統(tǒng)的抗震管線的臨時(shí)接口，從外部注水；二是通過(guò)FPS系統(tǒng)設(shè)置在乏燃料廠房進(jìn)行噴淋補(bǔ)水；對(duì)于乏燃料水池的補(bǔ)水操作，在規(guī)程中有支持文件指導(dǎo)進(jìn)行操作，對(duì)其可達(dá)性也作了簡(jiǎn)要說(shuō)明。

1.1 FPS設(shè)計(jì)特性[2]

1）系統(tǒng)為汽輪機(jī)房?jī)?nèi)的MCCs-ECSEC-122和ECS-EC-222保安設(shè)備提供滅火手段，以維護(hù)火災(zāi)發(fā)生后冷態(tài)停堆的能力。

2）通過(guò)水噴霧系統(tǒng)保護(hù)汽輪機(jī)房?jī)?nèi)的主給水泵，實(shí)現(xiàn)AP1000機(jī)組的冷停堆，實(shí)現(xiàn)非安全相關(guān)的縱深防御。

3）在安全停堆地震后，向含有安全停堆設(shè)備的區(qū)域的消火栓提供消防水，用以人工消防。

4）在失水事故后，如果消防系統(tǒng)還可以用，消防系統(tǒng)可以作為另一水源濕潤(rùn)安全殼穹頂或重新灌滿非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)水箱，滿足非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)的要求。

5）在失去正常設(shè)備冷卻水系統(tǒng)功能時(shí)，如果消防系統(tǒng)還可以用，為正常余熱排出系統(tǒng)的熱交換器提供另一冷卻水源。

6）在嚴(yán)重事故時(shí)，提供非安全相關(guān)的安全殼噴霧功能。

7）在消防系統(tǒng)可用的情況下，消防系統(tǒng)可以為乏燃料水池補(bǔ)水和乏燃料水池噴霧系統(tǒng)的備用水源。

1.2 YFS設(shè)計(jì)特性

1）YFS泵房與FPS泵房和機(jī)組相比更遠(yuǎn)離海岸線，被水淹的概率較低。

2）泵房和機(jī)柜遠(yuǎn)離控制區(qū)，更容易匹配和實(shí)施備用電源。

3）管網(wǎng)面積大，運(yùn)行靈活；任何一支遠(yuǎn)端消防栓可接駁消防車，向場(chǎng)內(nèi)消防水注入場(chǎng)外水源。

4）具有2臺(tái)機(jī)組的可自動(dòng)切換供電電源支持，具有比較可靠的后備電源。

5）供2組不同類別的5臺(tái)主泵（消火栓3臺(tái)和噴淋2臺(tái)系統(tǒng)；出口壓力相同），并可以用過(guò)聯(lián)絡(luò)管并列。

6）與FPS水質(zhì)一致的水源；從水源的容量來(lái)說(shuō)YFS消防水箱具有2×1 500 m3的水池，具有更多的水裝量。

YFS和FPS作用于覆蓋不同的區(qū)域，設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 YFS和FPS的覆蓋區(qū)域Fig.1 Different coverage areas between YFS and FPS

2 系統(tǒng)改進(jìn)

事故后，PCS根據(jù)專設(shè)的安全信號(hào)投入運(yùn)行，事故72 h不需要人員干預(yù)。事故72 h后，位于廠區(qū)的非能動(dòng)安全殼冷卻輔助水箱可通過(guò)PCS再循環(huán)泵同時(shí)為乏燃料水池和安全殼提供4～7 d的冷卻。FPS為一回路應(yīng)急補(bǔ)水和正常余熱排出系統(tǒng)的熱交換器冷卻水源的恢復(fù)爭(zhēng)取時(shí)間窗口，直接通過(guò)正式連接的管線為FPS提供壓頭和蓄水量。

為了防止FPS向YFS倒流，可在控制區(qū)之外布置一道行政隔離的手動(dòng)閥，設(shè)置止回閥，并設(shè)置反沖洗手段保持水質(zhì)的清潔備用。防止一旦發(fā)生管道破裂事件，泵將被隔離或不可用。

系統(tǒng)改進(jìn)后，如圖2所示。

圖2 YFS和FPS并聯(lián)Fig.2 Parallel connection between YFS and FPS

3 系統(tǒng)改進(jìn)后的初步試驗(yàn)

海陽(yáng)核電1號(hào)機(jī)組輔助變噴淋的正式消防水原設(shè)計(jì)為FPS提供，F(xiàn)PS現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)展遠(yuǎn)不能滿足倒送電的需要，但YFS預(yù)期可投，調(diào)試隊(duì)規(guī)劃了將YFS與FPS用臨時(shí)管線并列的倒送電臨時(shí)消防水方案，并跟蹤直至實(shí)施。實(shí)踐證明，該消防臨時(shí)措施充分可靠、施工方便，滿足了消防驗(yàn)收要求，提高了輔助變壓器區(qū)域臨時(shí)消防系統(tǒng)的可靠性，提升了主廠區(qū)本身的固有安全系數(shù)。FPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)為PCCWST提供水源，該方案也對(duì)YFS通過(guò)FPS進(jìn)一步成為主廠房后備熱阱的可行性進(jìn)行初探。

3.1 路徑示意

在YFS下游靠近FPS的管線開(kāi)三通，用一只DN300的臨時(shí)管道經(jīng)過(guò)一只臨時(shí)閥門直接接在常規(guī)島FPS入口管上，在靠近變壓器區(qū)域時(shí)，在臨時(shí)管線上接三通接一支臨時(shí)消火栓，管道走向盡量減少流動(dòng)阻力。管道深埋0.5 m，確保可靠防凍。

變壓器消防水流程如下:

YFS消防系統(tǒng)→臨時(shí)管線→FPS汽輪機(jī)廠房?jī)?nèi)消防環(huán)管→輔助變壓器雨淋閥組→輔助變壓器水噴霧噴頭。

3.2 輸水管線的水力計(jì)算

水力計(jì)算公式如下：

式中:i——每米管道的水頭損失，MPa/m；

v ——管道內(nèi)水的平均流速，m/s；

dj——管道的計(jì)算內(nèi)徑，m，取值應(yīng)按管道的內(nèi)徑減1 mm確定。

長(zhǎng)距離輸水管線的局部損失按沿程損失的5%計(jì)算，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?、表2所示。

主要投入情況如表3所示，所增加的設(shè)備投資主要是屬于固定投資增加，后續(xù)運(yùn)行維護(hù)量也不大。

根據(jù)消火栓泵的特性曲線，在特性曲線下限工作點(diǎn)0.7 MPa時(shí)，除去各管段總水頭損失共計(jì)0.075 818 1 MPa，到達(dá)雨淋閥入口時(shí)仍有0.624 182 MPa的壓頭，滿足輔助變雨淋閥入口0.59 MPa的設(shè)計(jì)要求，并且還具有第三臺(tái)消火栓泵或者噴淋泵（通過(guò)再循環(huán)）的后備裕量。

調(diào)試在YFS具備使用條件前，連續(xù)向除鹽水原水池（消防水源）注水沖洗，保證在移交后及時(shí)進(jìn)行YFS系統(tǒng)調(diào)試，保證了在倒送電操作前的YFS系統(tǒng)投運(yùn)。YFS調(diào)試過(guò)程中創(chuàng)造條件進(jìn)行了輔助變噴淋試驗(yàn)，兩次試驗(yàn)效果展現(xiàn)了良好的包覆性，初步證明YFS在FPS不可用的情況下給予了充分的支持（見(jiàn)圖3、圖4）。

表1 輸水管線水力計(jì)算表Table1 Hydraulic calculation of feedwater pipeline

表2 輸水管線水力計(jì)算表（續(xù)）Table2 Hydraulic calculation of feedwater pipeline（continue）

表3 增加設(shè)備表Table3 List of additional equipments

圖3 輔助變噴淋試驗(yàn)Fig.3 Spray test for auxiliary transformer

圖4 輔助變噴淋試驗(yàn)（續(xù)）Fig.4 Spray test for auxiliary transformer（continue）

4 改進(jìn)方案的概率風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)說(shuō)明，AP1000的堆芯損傷頻率和安全殼放射性廢物釋放概率分別達(dá)到了堆芯損壞頻率小于5.1E-7和放射性物質(zhì)早期釋放頻率小于5.9E-8。極端工況下，如發(fā)生FPS消防泵組也不可用，如果大量人員進(jìn)入安全殼附近進(jìn)行操作，如切換電源、切換水源，安裝應(yīng)急電源等，必將增加應(yīng)急人員的輻射量。

在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的實(shí)際工程，不需要假定單一失效還是一個(gè)爭(zhēng)議議題。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界大約有442座核電機(jī)組，其中福島和切爾諾貝利發(fā)生了消防水不可用的情況，所以假設(shè)FPS消防泵組不可用而YFS消防泵組可用的概率在0.45%（排除各種權(quán)重因子），則降低堆芯損壞頻率和放射性物質(zhì)早期釋放頻率的程度在99.55%。

事故發(fā)生后，2號(hào)機(jī)組可以給消防控制柜供電，并在控制區(qū)外打開(kāi)YFS至FPS手動(dòng)閥使FPS重新充水，給余熱排出系統(tǒng)提供開(kāi)式冷卻和乏燃料水池提供噴淋。

CDF通過(guò)以下公式計(jì)算得到：

其中，PIEi指的是某一個(gè)初因事件的頻率；Psysj指的是某一系統(tǒng)的失效頻率。

假設(shè)FPS需要時(shí)涵蓋了所有的初因高概率，F(xiàn)PS不可用YFS可用的概率在0.45%。

得到CDF=5.1E-7×99.55%=5.077E-7，同理放射性物質(zhì)早期釋放頻率小于5.9E-8也會(huì)進(jìn)一步下降至5.873 45E-8。

5 總結(jié)

為實(shí)現(xiàn)倒送電須將消防水投入備用，已將YFS通過(guò)臨時(shí)管道引入常規(guī)島FPS到達(dá)輔助變噴淋，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)YFS和FPS的并聯(lián)（對(duì)于用戶而言）做了一定的基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

從計(jì)算的結(jié)果上得到的數(shù)據(jù)并不明顯，目前我國(guó)正在研發(fā)CAP1000機(jī)組，該方案若能夠進(jìn)一步成為CAP1000的固有設(shè)計(jì)，將產(chǎn)生以下效果：

增加了設(shè)備檢修的靈活性、增加了設(shè)備縱深防御的多樣性，對(duì)CDF增量的貢獻(xiàn)可以延長(zhǎng)到大修周期，進(jìn)一步完善事故管理導(dǎo)則。

降低控制區(qū)內(nèi)柴油消防泵的柴油儲(chǔ)備量，降低了可燃油的防火間距，降低控制區(qū)內(nèi)火災(zāi)后果。

最終進(jìn)一步降低堆芯損傷頻率以及安全殼放射性廢物釋放概率的數(shù)量級(jí)，進(jìn)而提升核電廠的固有安全系數(shù)，增強(qiáng)社會(huì)大眾的信心，促進(jìn)核電事業(yè)發(fā)展。

總之，該方案結(jié)合核電廠的實(shí)際情況并利用現(xiàn)有設(shè)備，在不違反設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上加強(qiáng)縱深防御功能，從而達(dá)到提升AP1000核電站固有安全系數(shù)的目的。

[1] 羽佳. 調(diào)查稱福島核事故是人為原因所致[N]. 新浪財(cái)經(jīng)訊，2012-07-05.（YU Jia. Investigation says Fukushima nuclear accident is due to human error[N], Sina Financial News，2012-07-05.）

[2] 西屋電氣公司. 西屋公司的AP1000先進(jìn)非能動(dòng)型核電廠[J]，現(xiàn)代電力，2006，5（23）.（Westinghouse designed AP1000 advanced passive nuclear power plant[J], Modern Electric Power, Westinghouse, 2006, 5(23).）

Improvement of Design Function of AP1000 Fire Water Cooling Effect

ZHANG Bao-guo
(Shandong Nuclear Power Co.，Ltd.，Haiyang of Shandong Prov. 265116，China)

Experience feedback of wide use of fire fighting water means as the ultimate cooling source in the process of Fukushima accident treatment proved that the backup heat sink needs to be further strengthened in terms of timeliness and adequacy. The design of FPS system (NI and CI fire protection system) also provides fire fighting water and backup cooling water for nuclear island building and equipment. YFS (yard fire water system) only provides fire protection measures for the office buildings in the front zone of the plant and part of the production buildings outside the control zone. The two systems are independent from each other. Based on temporary fire protection measures for reverse power transmission, the design concept of physical connection plus administrative control measures to make YFS become the formal backup water source of FPS was put forward. The feasibility of making YFS become the formal backup water source of FPS and making YFS further become the backup heat sink of the main building was preliminarily discussed.

Fukushima nuclear accident；FPS；AP1000 spare cooling water；backup heat sink

TL37 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)03-0212-06

TL37

A

1674-1617(2014)03-0212-06

2014-05-17

張保國(guó)（1979—），男，山東萊蕪人，工程師，本科，從事核電廠調(diào)試工作。