論增加APA核級(jí)開(kāi)關(guān)柜對(duì)核電廠安全運(yùn)行的意義

周茂江

前言

地震是一種破壞力巨大的自然災(zāi)害。文章通過(guò)對(duì)地震危害及核電廠主給水管線不能有效隔離所帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)的分析來(lái)說(shuō)明APA核級(jí)開(kāi)關(guān)柜技術(shù)改造的必要性。因主給水管線隔離閥不具備抗震功能，在核電站事故情況且發(fā)生地震時(shí)，主給水管線可能無(wú)法有效隔離，由此可能帶來(lái)一系列嚴(yán)重的后果。通過(guò)增加APA核級(jí)開(kāi)關(guān)柜可實(shí)現(xiàn)主給水的有效隔離，從而防止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

1、地震危害

地震是一種破壞力巨大的自然災(zāi)害，除了直接造成房倒屋塌和山崩、地裂、外，還會(huì)引起火災(zāi)、水災(zāi)、滑坡、泥石流等次生災(zāi)害。（1）直接危害。①建筑物與構(gòu)筑物的破壞。如房屋倒塌、橋梁斷落等等。②地面破壞。如地面裂縫、塌陷等。③海嘯、海底地震引起的巨大海浪沖上海岸，造成沿海地區(qū)的破壞。（2）次生危害。①火災(zāi)，由震后火源失控引起。②水災(zāi)，由水壩決口或山崩壅塞河道等引起。③核泄漏，如2012年日本福島地震引發(fā)大量核泄漏，由核事故引起。

2、主給水管線有效隔離問(wèn)題的提出

在核電站的多種設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故中都需要隔離主給水管線，以確保反應(yīng)堆的安全。這些設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故包括一回路小破口和中、大破口，安全殼外蒸汽管線破裂事故或者安全殼內(nèi)二回路管道破裂事故，蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故，失去主廠外電源或者失去所有廠外電源事故以及全廠失電事故等等。在前述設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故中，如果不能完全隔離主給水管線，則可能帶來(lái)一系列嚴(yán)重的后果。例如：在一回路小破口和中、大破口事故中，如果主給水管線不能順利隔離，則可能造成一回路過(guò)度冷卻，引入較大正反應(yīng)性，不利于反應(yīng)堆安全;在安全殼外蒸汽管線破裂事故中，需隔離故障蒸汽發(fā)生器，包括給水側(cè)和蒸汽側(cè)，如果主給水管線不能順利隔離，則會(huì)因?yàn)檎羝牟粩鄾_刷，使破口擴(kuò)大，影響廠房?jī)?nèi)設(shè)備安全和工作人員人身安全，同時(shí)，該事故也可能引起一回路過(guò)度冷卻;在安全殼內(nèi)二回路管道破裂事故中，如果主給水管線不能順利隔離，除了產(chǎn)生與安全殼外蒸汽管線破裂事故相類似的后果外，還會(huì)導(dǎo)致安全殼內(nèi)溫度壓力上升，引起安全殼噴淋系統(tǒng)手動(dòng)或自動(dòng)動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起安全殼超溫超壓損壞，導(dǎo)致放射性物質(zhì)的釋放;而在蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故中，主給水管線不能順利隔離會(huì)增加進(jìn)入故障蒸汽發(fā)生器的水量，由此產(chǎn)生大量廢水，增加向環(huán)境排放廢水的壓力，同時(shí)，在故障蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力高于一回路壓力時(shí)，會(huì)向一回路注入非含硼水，造成一回路誤稀釋，可能導(dǎo)致反應(yīng)堆重返臨界甚至超臨界，嚴(yán)重影響反應(yīng)堆安全。考慮到以上風(fēng)險(xiǎn)的存在，國(guó)家核安全局提出了在主蒸汽管線破裂疊加安全停堆且發(fā)生地震時(shí)主給水難以有效隔離的問(wèn)題。為了能夠?qū)崿F(xiàn)在主蒸汽管線破裂疊加安全停堆地震時(shí)主給水的有效隔離，以消除蒸汽使安全殼內(nèi)升壓后對(duì)安全殼的威脅以及對(duì)一回路的過(guò)度冷卻等嚴(yán)重后果，特提出對(duì)主給水系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

3、主給水有效隔離方案的選定

為實(shí)現(xiàn)主給水的有效隔離，我廠考慮了兩種方案，以便在主蒸汽管線破裂疊加安全停堆且發(fā)生地震時(shí)實(shí)現(xiàn)主給水的有效隔離。方案一為增加主給水管線上主給水隔離閥的抗震級(jí)別。因我廠在設(shè)計(jì)中只考慮了核島廠房和電氣廠房的抗震要求，而在常規(guī)島廠房設(shè)計(jì)中未考慮抗震方面的要求，如果一旦發(fā)生前述假想事故，主給水隔離閥可能拒動(dòng)造成主給水管線不能完全有效隔離。我廠主給水隔離閥位于常規(guī)島廠房0m層，底下懸空還包含了-7.2m層，因此采用增加主給水隔離閥抗震級(jí)別的方法將很難實(shí)現(xiàn)。一方面，工程量太大，另一方面，代價(jià)太高，而且現(xiàn)場(chǎng)不便于布局。方案二為在電氣廠房增加APA核級(jí)開(kāi)關(guān)柜。在主蒸汽管線破裂疊加安全停堆且發(fā)生地震時(shí)，通過(guò)核級(jí)開(kāi)關(guān)柜保證主給水泵停運(yùn)來(lái)實(shí)現(xiàn)主給水隔離。此方案需在電氣廠房負(fù)一層增加一個(gè)房間用于安置APA核級(jí)開(kāi)關(guān)柜，并將常規(guī)島廠房LGA/LGB母線下APA泵開(kāi)關(guān)柜的出線先經(jīng)GB溝引至電氣廠房，經(jīng)核級(jí)開(kāi)關(guān)柜后再回到APA泵電機(jī)處。此方案中需鋪設(shè)較長(zhǎng)的電纜線，需考慮電纜防潮和鼠害等方面的問(wèn)題。而根據(jù)目前經(jīng)驗(yàn)，GB溝內(nèi)電纜防潮不是問(wèn)題，鼠害可采用捕鼠夾方式來(lái)防止。綜合前面兩種方案，因方案二更具備可操作性，我廠最終選擇了第二種方案。

4、改造新增加設(shè)備

通過(guò)改造，在核島電氣廠房給電動(dòng)主給水泵增加了一套核級(jí)斷路器。1#、2#機(jī)組新增斷路器分別安裝在滿足一定抗震要求的電氣廠房。正常運(yùn)行時(shí)該斷路器處于合閘狀態(tài)，當(dāng)主給水管線破裂疊加安全停堆地震時(shí)，該斷路器接收來(lái)自反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)信號(hào)可靠跳閘，以實(shí)現(xiàn)主給水隔離的目的。改造后新增加三個(gè)核級(jí)開(kāi)關(guān)柜，每個(gè)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)線都設(shè)有電壓互感器，每個(gè)開(kāi)關(guān)柜出現(xiàn)都設(shè)有核級(jí)斷路器和地刀。

5、改造后保護(hù)方面變化

（1）改造后RPA/RPB來(lái)的停運(yùn)主給水泵信號(hào)先送至新增加的ARE機(jī)架，由ARE機(jī)架發(fā)出斷開(kāi)核級(jí)斷路器和非核級(jí)斷路器命令，同時(shí)該信號(hào)還送至DCS，由DCS再次發(fā)出跳非核級(jí)斷路器命令，核級(jí)斷路器已分閘信號(hào)也會(huì)送入DCS，經(jīng)DCS后再次發(fā)出斷開(kāi)非核級(jí)斷路器的命令。通過(guò)多重跳閘命令來(lái)保證主給水泵能正常停運(yùn)。（2）改造后主給水泵全停啟動(dòng)ASG電動(dòng)泵的邏輯中，主給水泵已停信號(hào)中并聯(lián)了該泵核級(jí)斷路器已跳閘的信號(hào)，即某臺(tái)泵非核級(jí)斷路器或核級(jí)斷路器已跳閘即發(fā)出該泵已跳閘信號(hào)。因非核級(jí)斷路器和核級(jí)斷路器任一開(kāi)關(guān)柜跳閘即可確保主給水泵停運(yùn)，需輔助給水泵投入運(yùn)行。（3）新增核級(jí)斷路器只配置泄壓門保護(hù)，其余其他保護(hù)功能由上游開(kāi)關(guān)的保護(hù)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)置泄壓門保護(hù)主要是考慮開(kāi)關(guān)柜在運(yùn)行過(guò)程中，因?yàn)榉N種原因（如短路、絕緣老化、人為操作失誤等）造成一次回路短路故障發(fā)生，在數(shù)萬(wàn)安培的短路電流下，瞬間產(chǎn)生高溫高壓氣體，若高溫高壓氣體在狹窄的柜體內(nèi)不能在極短時(shí)間內(nèi)有效釋放，會(huì)造成開(kāi)關(guān)柜炸裂，相鄰開(kāi)關(guān)柜損壞，同時(shí)可能傷及人身安全。因此，開(kāi)關(guān)柜在設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮有效泄壓措施。泄壓門保護(hù)動(dòng)作后跳開(kāi)本柜及上游開(kāi)關(guān)柜，以防故障進(jìn)一步擴(kuò)大。（4）新增核級(jí)斷路器的分閘信號(hào)只有三個(gè)，即核級(jí)分閘信號(hào)、泄壓門保護(hù)信號(hào)以及就地分閘信號(hào)。核級(jí)分閘信號(hào)來(lái)自于反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，包括安注信號(hào)、蒸汽發(fā)生器水位高高和主控手動(dòng)隔離主給水信號(hào)。合閘只能就地通過(guò)試驗(yàn)盒實(shí)現(xiàn)，這點(diǎn)很重要。主要是在出現(xiàn)核級(jí)斷路器保護(hù)跳閘時(shí)，保護(hù)信號(hào)消失后如果想盡快恢復(fù)該主給水泵運(yùn)行，必須就地先用試驗(yàn)盒合上對(duì)應(yīng)泵核級(jí)斷路器。否則，無(wú)法恢復(fù)主給水泵運(yùn)行。（5）改造后APA泵備用啟動(dòng)邏輯中，“給水泵#已合閘”信號(hào)將核級(jí)斷路器與非核級(jí)斷路器已合閘信號(hào)進(jìn)行了相 “與”，只有核級(jí)斷路器與非核級(jí)斷路器都合閘主給水泵才能正常運(yùn)行;“給水泵#已分閘”信號(hào)將核級(jí)斷路器與非核級(jí)斷路器已分閘信號(hào)取“或”門，即只要核級(jí)斷路器與非核級(jí)斷路器任一開(kāi)關(guān)柜分閘主給水泵即會(huì)停運(yùn)。

6、小結(jié)

由前文可知，通過(guò)此項(xiàng)重要技術(shù)改造，即使在地震等惡劣情況下，主給水管線閥門因拒動(dòng)無(wú)法關(guān)閉或者關(guān)閉不到位，無(wú)法實(shí)現(xiàn)主給水管線的有效隔離，我廠一樣可以通過(guò)設(shè)置電氣廠房具有一定抗震能力的APA核級(jí)開(kāi)關(guān)柜接受反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)（RPR）的跳泵信號(hào)來(lái)保證主給水泵的停運(yùn)，從而實(shí)現(xiàn)主給水的隔離。即使可能因?yàn)榈卣鹩绊懀眯盘?hào)不能正常送到APA核級(jí)開(kāi)關(guān)柜，運(yùn)行人員也可以通過(guò)就地開(kāi)關(guān)柜分閘來(lái)保證主給水泵的停運(yùn)，從而實(shí)現(xiàn)主給水的有效隔離，保障核電廠運(yùn)行安全。