“壓力阱”控制方案對(duì)安注系統(tǒng)影響的評(píng)估
——大亞灣核電站防一回路安注管線熱疲勞現(xiàn)象改進(jìn)

龐松濤,熊國(guó)華,周 舟

(中廣核研究院有限公司，廣東深圳518124)

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“壓力阱”控制方案對(duì)安注系統(tǒng)影響的評(píng)估
——大亞灣核電站防一回路安注管線熱疲勞現(xiàn)象改進(jìn)

龐松濤,熊國(guó)華,周 舟

(中廣核研究院有限公司，廣東深圳518124)

對(duì)防一回路安注管線熱疲勞現(xiàn)象的“壓力阱”功能及其對(duì)安注的影響進(jìn)行了全面分析，提出了3種不同的控制和布置方案。通過(guò)查閱大量的相關(guān)資料和文獻(xiàn)，在事故情況下，對(duì)比了3種不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。這種論證方法對(duì)于核電站專設(shè)安全設(shè)施的相關(guān)改進(jìn)具有借鑒意義。

FARLEY-TIHANGE現(xiàn)象;專設(shè)安全設(shè)施;“壓力阱”;控制系統(tǒng)

1 背景介紹

1.1 背景

1987年美國(guó)的FARLEY 2號(hào)機(jī)組以及1988年比利時(shí)的TIHANGE 1號(hào)機(jī)組分別發(fā)現(xiàn)泄漏流量約1 300 L/h和150 L/h的低溫水從冷/熱腿安注管線意外進(jìn)入一回路，導(dǎo)致一回路(RCP)主管道與一回路逆止閥之間的安注系統(tǒng)(RIS)管線出現(xiàn)熱疲勞裂紋，這種現(xiàn)象稱為FARLEY-TIHANGE現(xiàn)象。

1983年，在法國(guó)BUGEY 3號(hào)機(jī)組的一回路熱腿安注逆止閥(RCP120VP)下游發(fā)現(xiàn)熱疲勞裂紋，隨后1996年12月在法國(guó)的DAMPIERRE 1號(hào)機(jī)組發(fā)現(xiàn)了流量約160 L/h的低溫水從RCP120VP進(jìn)入一回路，導(dǎo)致在RCP120VP下游的直管段中部產(chǎn)生疲勞裂紋，次年10月對(duì)這些新更換的管線焊縫重新進(jìn)行RT檢查時(shí)又發(fā)現(xiàn)深度達(dá)5.7 mm的裂紋。

Farley-Tihange現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因是：化學(xué)容積控制系統(tǒng)(RCV)上充泵到高壓安注回路的安全殼外隔離閥出現(xiàn)泄漏，導(dǎo)致一回路容積控制箱(RCV002BA)低于50C的冷水進(jìn)入一回路，在冷腿和熱腿安注回路RCP主逆止閥下游的管線上產(chǎn)生冷熱水混合，導(dǎo)致熱疲勞裂紋的產(chǎn)生。對(duì)于大亞灣核電站，可能發(fā)生泄漏的RIS隔離閥包括RIS020VP、RIS021VP、RIS023VP和RIS029VP共四個(gè)閥門。

1.2 總體方案介紹

由于閥門泄漏是不可避免的，考慮從導(dǎo)出泄漏方面消除FARLEY-TIHANGE現(xiàn)象。綜合分析后，系統(tǒng)工藝部分決定采用“壓力阱”設(shè)計(jì)方案：即在高壓安注回路的安全殼外隔離閥RIS020VP、RIS021VP和RIS023VP的下游管線上安裝卸壓管線，并連接至下泄流熱交換器(RCV002RF)和下泄流控制閥(RCV013VP)之間的管線上，卸壓管線上裝有4個(gè)氣動(dòng)隔離閥RIS361VP、RIS362VP、RIS363VP和RIS364VP以及壓力變送器RIS035MP。研究表明當(dāng)RCP流向 RIS泄漏量大于10 L/h時(shí)，RCP泄漏引入的高溫流體會(huì)導(dǎo)致“壓力阱”和下泄管線上產(chǎn)生熱疲勞裂紋。所以需在上述“壓力阱”管線上加裝“小泄漏量測(cè)量裝置”,測(cè)量泄漏量。系統(tǒng)工藝部分設(shè)計(jì)方案示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工藝部分設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.1 Schematic of the system process design

“壓力阱”的運(yùn)行方式如下：RIS361VP、RIS362VP和RIS363VP在反應(yīng)堆功率運(yùn)行情況下保持開(kāi)啟；RIS364VP在反應(yīng)堆功率運(yùn)行情況下保持關(guān)閉；RIS035MP可觸發(fā)一個(gè)壓力高報(bào)警信號(hào)，該信號(hào)表明RIS隔離閥存在泄漏并要求運(yùn)行人員在主控室手動(dòng)開(kāi)啟RIS364VP，防止來(lái)自RCV上充泵的低溫泄漏水通過(guò)安注管線進(jìn)入一回路；當(dāng)“壓力阱”壓力降至一定限值后，重新關(guān)閉該閥。

1.3 “壓力阱”控制方案對(duì)安注系統(tǒng)影響評(píng)估的必要性

RIS系統(tǒng)屬于專設(shè)安全設(shè)施，在此系統(tǒng)上的重大改進(jìn)會(huì)對(duì)核電廠的核安全產(chǎn)生影響，需要對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行充分的評(píng)估和論證，分析改進(jìn)方案對(duì)RIS系統(tǒng)功能的影響，確保改進(jìn)方案不影響RIS系統(tǒng)在正常和事故工況下的功能。

本論文的前提是：系統(tǒng)工藝部分的改進(jìn)方案已經(jīng)確定，其分析和計(jì)算報(bào)告也得到批準(zhǔn)。

2 設(shè)計(jì)要求及控制方案

2.1 “壓力阱”閥門控制方案的設(shè)計(jì)要求

新增“壓力阱”在機(jī)組需要執(zhí)行安注功能的情況下退出運(yùn)行，其控制方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如下兩個(gè)問(wèn)題：

(1) 任意一列均能執(zhí)行“壓力阱”的隔離；

(2) 上游安注管線AB列之間的隔離。

以上兩個(gè)隔離應(yīng)滿足單一故障準(zhǔn)則的要求。設(shè)計(jì)方案應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單可靠，避免過(guò)多的聯(lián)鎖邏輯。

2.2 控制方案介紹

新增RIS361～363VP所在管線的上游電動(dòng)隔離閥分別為RIS020VP、RIS029VP、RIS021VP和RIS023VP，其中RIS020VP、RIS029VP和RIS023VP為B列，RIS021VP為A列。在充分考慮2.1節(jié)中的設(shè)計(jì)要求后，提出了以下控制方案：

方案1:將RIS361～363VP定為A列，這3個(gè)閥門是安全殼隔離閥，接收A列安全殼隔離A階段信號(hào)(CIA)而關(guān)閉。由于RCV管線上RCV002RF的設(shè)計(jì)壓力較小，為保護(hù)RCV002RF，故將RIS364VP參考RCV010VP定為B列，并接收B列安注信號(hào)(SI)或RCV010VP的“NOT CLOSE”信號(hào)而關(guān)閉。新增閥門均接受主控室TPL開(kāi)關(guān)的手動(dòng)控制信號(hào)。該方案中，A列和B列的信號(hào)均能對(duì) “壓力阱”起到隔離作用，滿足單一故障準(zhǔn)則的要求。

方案2:考慮到各種情況下A/B列管線間的隔離，避免A列管線中的水流到B列管線中的情況，將RIS361～363VP的所屬列按照上游閥門的所屬列確定，即RIS361VP和RIS363VP為B列，RIS362VP為A列，閥門分別接收A列或B列安全殼隔離A階段信號(hào)(CIA)而關(guān)閉。為使A列或B列均能隔離“壓力阱”，RIS364VP設(shè)計(jì)為A/B列同時(shí)驅(qū)動(dòng)，接收A列和B列安注信號(hào)，以及B列RCV010VP的“NOT CLOSE”信號(hào)而關(guān)閉。新增閥門均接受主控室TPL開(kāi)關(guān)的手動(dòng)控制信號(hào)。

方案3:考慮到各種情況下A/B列管線間的自動(dòng)隔離，以及任意一列均能執(zhí)行“壓力阱”的隔離。將RIS361～363VP定為A列，這3個(gè)閥門是安全殼隔離閥，接收A列安全殼隔離A階段信號(hào)而關(guān)閉。同時(shí)RIS361～363VP分別接收上游閥門RIS020VP、RIS021VP和RIS023VP的“NOT CLOSE”信號(hào)而關(guān)閉。RIS364VP定為B列，接收B列安注信號(hào)或RCV010VP的“NOT CLOSE”信號(hào)而關(guān)閉。新增閥門均接受主控室TPL開(kāi)關(guān)的手動(dòng)控制信號(hào)。

3 設(shè)計(jì)方案對(duì)RIS系統(tǒng)功能的影響分析

3.1 正常工況下的影響分析

正常運(yùn)行工況下，RIS020VP、RIS021VP、RIS023VP和RIS029VP均關(guān)閉，安注功能不啟動(dòng)，沒(méi)有影響。

3.2 事故工況下的影響分析

考慮一種影響“壓力阱”隔離的最極端的事故：在反應(yīng)堆發(fā)生事故情況后，需要啟動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施，此時(shí)A/B列均未失電，但A列專設(shè)安全設(shè)施啟動(dòng)信號(hào)未能發(fā)出，B列專設(shè)安全設(shè)施啟動(dòng)信號(hào)能發(fā)出。這種情況下，RIS361～363VP不能自動(dòng)關(guān)閉(可以手動(dòng))，RIS364VP自動(dòng)關(guān)閉。

如果此時(shí)“壓力阱”上游電動(dòng)隔離閥全部打開(kāi)：

? 對(duì)于方案1，如果RIS361～363VP沒(méi)有手動(dòng)關(guān)閉，將導(dǎo)致A列和B列的安注管線聯(lián)通(見(jiàn)圖1)；

? 對(duì)于方案2，由于RIS362VP為A列，如果RIS362VP沒(méi)有手動(dòng)關(guān)閉，同樣導(dǎo)致A列和B列的安注管線聯(lián)通(見(jiàn)圖1)；

? 對(duì)于方案3，由于RIS361～363VP分別與上游電動(dòng)隔離閥信號(hào)連鎖，不會(huì)出現(xiàn)A列和B列安注管線聯(lián)通的情況。

綜上，方案1和方案2均可能發(fā)生A列和B列的安注管線聯(lián)通的情況，方案3不會(huì)出現(xiàn)此情況。

3.3 設(shè)計(jì)方案的初步比較

通過(guò)初步分析，以上3種設(shè)計(jì)方案中，①最簡(jiǎn)單，但①中沒(méi)有考慮A/B列管線間的自動(dòng)隔離，而②和③均有考慮，3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)初步對(duì)比見(jiàn)表1所示。

優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)方案①?方案簡(jiǎn)單，成本最低。?“壓力阱”有RIS361～363VP和RIS364VP兩重隔離，滿足單一故障準(zhǔn)則的要求。?沒(méi)有考慮A/B列管線間的自動(dòng)隔離，但是可以手動(dòng)。方案②?RIS364VP為A/B列同時(shí)驅(qū)動(dòng)，“壓力阱”隔離滿足單一故障準(zhǔn)則的要求。?考慮了A/B列管線間的自動(dòng)隔離。?方案較復(fù)雜，A/B列之間的信號(hào)需要耦合。?考慮了A/B列管線間的自動(dòng)隔離，但不能完全避免這種情況。方案③?“壓力阱”有RIS361～363VP和RIS364VP兩重隔離，滿足單一故障準(zhǔn)則的要求。?考慮了A/B列管線間的自動(dòng)隔離。?方案最復(fù)雜，聯(lián)鎖邏輯多，A/B列之間的多個(gè)信號(hào)需要耦合。?由于RIS361～363VP的聯(lián)鎖邏輯多，可能會(huì)影響“壓力阱”的使用以及管線的充水和排氣。

4 新增“壓力阱”A/B列管線間自動(dòng)隔離的必要性分析

考慮大亞灣核電站事故情況下的整個(gè)安注流程。

在安注系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行高壓安注，操縱員需要對(duì)相關(guān)閥門的位置進(jìn)行核實(shí)，此時(shí)RIS020VP、RIS029VP、RIS021VP和RIS023VP均處于關(guān)閉狀態(tài)，這時(shí)的高壓安注有2條注入管線，一是通過(guò)濃硼酸注入箱RIS04BA的管線，二是在第一條管線故障后啟用的硼注入箱旁路管線，“壓力阱”對(duì)第一條安注管線沒(méi)有影響。僅分析“壓力阱”對(duì)第二條管線的影響。第一條管線有兩個(gè)并聯(lián)的隔離閥，其故障模式為兩個(gè)閥門均不能打開(kāi)。第二條管線需手動(dòng)打開(kāi)RIS020VP，如此時(shí)RIS361～363VP沒(méi)有關(guān)閉，將對(duì)安注功能產(chǎn)生影響。但在安注開(kāi)始時(shí)，按規(guī)程運(yùn)行人員應(yīng)核實(shí)相關(guān)閥門的位置是否正確；從第一條管線不可用至切換到第二條管線時(shí)，按相應(yīng)的運(yùn)行規(guī)程，在運(yùn)行人員打開(kāi)第二條管線前，須要核實(shí)相關(guān)閥門的位置是否正確。

在安注后期冷、熱段同時(shí)安注階段，需要打開(kāi)RIS020VP、RIS029VP、RIS021VP，但按照事故規(guī)程，冷、熱段同時(shí)安注階段是在安注啟動(dòng)至少7 h后，期間有充分的時(shí)間供運(yùn)行人員核實(shí)相關(guān)信息。

綜上，安注系統(tǒng)啟動(dòng)前期，啟動(dòng)第二條安注管線的概率不大，且在第二條安注管線啟動(dòng)前，已經(jīng)對(duì)相關(guān)閥門的位置是否正確檢查了兩次；在安注后期的冷、熱段同時(shí)安注階段，按規(guī)程運(yùn)行人員同樣須核實(shí)相關(guān)閥門的位置是否正確，同時(shí)有充分的時(shí)間供運(yùn)行人員找出位置不正確的閥門。

5 人因失效概率計(jì)算

方案一和方案二的人因失效模式有以下兩種：

1) 第一條管線不可用，且操縱員經(jīng)過(guò)兩次確認(rèn)后，均未發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)或多個(gè)閥門未關(guān)閉。

2) 第一條管線可用，安注后期操縱員經(jīng)過(guò)至少3次確認(rèn)后，均未發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)或多個(gè)閥門未關(guān)閉。

按相關(guān)運(yùn)行規(guī)程，主控室至少有兩人，一人負(fù)責(zé)操作，另一人負(fù)責(zé)監(jiān)護(hù)。為取保守值，計(jì)算不考慮報(bào)警系統(tǒng)對(duì)操縱員的影響，本次失效模式的計(jì)算公式如下：

p(f)=p(v)2·

[1-[p(h)·p(s)]3]i

其中：p(v)——閥門失效概率p(h)——操作人員失效概率p(s)——監(jiān)督人員失效概率

p(v)參考文獻(xiàn)[5]取0.005，p(h)參考文獻(xiàn)[6]取0.008，p(s) 參考文獻(xiàn)[6]取0.003。

經(jīng)計(jì)算p(f)<4.36×10-12，遠(yuǎn)小于堆熔概率，控制方案均無(wú)需考慮A/B列管線間的自動(dòng)隔離。

在其他條件均相同的情況下，最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)最可靠。方案1可以到達(dá)與方案2和方案3相同的功能要求，且方案1最簡(jiǎn)單。最終的控制方案選擇方案1。

6 總結(jié)

通過(guò)對(duì)FARLEY-TIHANGE現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因及“壓力阱”的功能進(jìn)行全面分析，對(duì)比了3個(gè)不同的設(shè)計(jì)方案，在事故工況下，對(duì)3個(gè)方案進(jìn)行了充分的論證和計(jì)算，得出了最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。法國(guó)的CPY機(jī)組已全部完成了此項(xiàng)改進(jìn)，后經(jīng)多次檢測(cè)，相關(guān)位置沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋。

[1] 國(guó)家核安全局. HAF003核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定.1991

[2] 國(guó)家核安全局.HAD003/06核電廠設(shè)計(jì)中的質(zhì)量保證.1986

[3] 趙志凡. 核電工程設(shè)計(jì)中的自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展和展望.核科學(xué)與工程，2010，S1：5-28

[4] 汪德偉. 大亞灣核電站執(zhí)照運(yùn)行事件原因趨勢(shì)分析. 核科學(xué)與工程，2005，03:265-270.

[5] 王宇翔，張冬林，李曉鐘. 核級(jí)安全閥可靠性參數(shù)指標(biāo)研究. 閥門，2012，01.

[6] 張力，黃曙東，王以群，高文宇，張錦. 反應(yīng)堆系統(tǒng)人因事件分析與預(yù)防方法及應(yīng)用. 中國(guó)核科技報(bào)告，2003，01.

Assessment for the Influence of the Pressure Well Control Strategy on the Safety Injection System——Modification for Anti-Thermal Fatigue Phenomenon in Safety Injection Pipes of the First Loop in Daya Bay NPP

PANG Song-tao, XIONG Guo-hua, ZHOU Zhou

(1. China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzheng, Guangdong Prov. 518124, China)

The “pressure well” function preventing the thermal fatigue phenomenon of the primary loop safety injection pipeline and its effect on the safety injection are analyzed comprehensively. Three modification schemes have been put forward. After referring to lots of data and literature, The advantages and disadvantages of three different schemes under accident condition are compared, and the optimal system design scheme is determined. This demonstration method could provide reference for relevant improvement of the engineered safety features of nuclear power plant.

FARLEY-TIHANGE phenomenon; Engineered safety features; “Pressure well”; Control system

2016-10-29

龐松濤(1971—)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，碩士，主要從事核電廠儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作

TL48

A

0258-0918(2017)02-0271-05