田灣核電廠3、4號(hào)機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)指引型防水淹設(shè)計(jì)改進(jìn)措施研究

楊英豪，肖軍，朱桂學(xué)，顧曉慧，張佳佳,*

(1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233；2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心 北京 100082;3.江蘇核電有限公司 連云港 222042)

田灣核電廠3、4號(hào)機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)指引型防水淹設(shè)計(jì)改進(jìn)措施研究

楊英豪1，肖軍2，朱桂學(xué)1，顧曉慧3，張佳佳2,*

(1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233；2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心 北京 100082;3.江蘇核電有限公司 連云港 222042)

針對(duì)內(nèi)部水淹的防護(hù)，傳統(tǒng)的確定論安全評(píng)價(jià)是從維持安全功能的角度定性分析內(nèi)部水淹對(duì)機(jī)組核安全的影響，無(wú)法給出定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。而核電廠風(fēng)險(xiǎn)指引型管理是以確定論分析為基礎(chǔ)，利用概率安全評(píng)價(jià)的分析結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)影響評(píng)價(jià)，以此來(lái)論證決策的合理性和必要性。本文基于田灣核電廠3、4號(hào)機(jī)組內(nèi)部水淹概率安全評(píng)價(jià)分析結(jié)果，針對(duì)內(nèi)部水淹風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)最大的汽輪機(jī)廠房循環(huán)水母管破裂的水淹情景，提出了3種設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，然后通過(guò)對(duì)各種改進(jìn)方案進(jìn)行了對(duì)比研究和評(píng)估，給出3種改進(jìn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)及實(shí)施后對(duì)內(nèi)部水淹堆芯損壞頻率的影響，并給出了推薦的設(shè)計(jì)改進(jìn)建議。

內(nèi)部水淹；風(fēng)險(xiǎn)指引型；設(shè)計(jì)改進(jìn)

內(nèi)部水淹是核電廠的主要風(fēng)險(xiǎn)源之一，在核電歷史上，內(nèi)部水淹事件時(shí)有發(fā)生，雖未導(dǎo)致嚴(yán)重后果，但多起水淹事件給核電廠帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)內(nèi)部水淹的防護(hù)，傳統(tǒng)的確定論安全評(píng)價(jià)是從安全功能的角度定性分析設(shè)備因水淹失效后對(duì)安全功能的影響[1]，無(wú)法給出定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。內(nèi)部水淹概率安全評(píng)價(jià)，不僅可以定量評(píng)估內(nèi)部水淹風(fēng)險(xiǎn)，還可以發(fā)現(xiàn)核電廠在應(yīng)對(duì)內(nèi)部水淹方面存在的薄弱環(huán)節(jié)，從而提出針對(duì)性的改進(jìn)措施，指導(dǎo)平衡設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)改進(jìn)，降低由于水淹事件導(dǎo)致核電廠發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)[2,3]。福島事故后，我國(guó)核安全監(jiān)管部門(mén)就明確要求開(kāi)展包括內(nèi)部水淹概率安全評(píng)價(jià)在內(nèi)的外部事件概率安全評(píng)價(jià)工作[4]。

隨著概率安全評(píng)價(jià)技術(shù)日益成熟，以美國(guó)為代表的核電發(fā)達(dá)國(guó)家正逐漸向采用確定論與概率論方法相結(jié)合的風(fēng)險(xiǎn)指引型管理模式過(guò)渡，在進(jìn)行綜合決策時(shí)，不僅要基于傳統(tǒng)的確定論，還要利用概率安全評(píng)價(jià)的分析結(jié)果以及見(jiàn)解來(lái)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)影響評(píng)價(jià)[5,6]。我國(guó)國(guó)家核安全局也發(fā)布了《技術(shù)政策：概率安全分析技術(shù)在核安全領(lǐng)域中的應(yīng)用》，鼓勵(lì)概率安全評(píng)價(jià)在我國(guó)核安全領(lǐng)域中的應(yīng)用，提高核動(dòng)力廠安全水平和核安全監(jiān)管效率[7]。

目前，國(guó)內(nèi)新建核電廠均根據(jù)國(guó)家核安全局的要求正在開(kāi)展或已經(jīng)完成了內(nèi)部水淹概率安全評(píng)價(jià)工作，對(duì)核電廠的防水淹設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)估[8]。田灣核電廠3、4號(hào)機(jī)組也在上海核工程研究設(shè)計(jì)院的幫助下開(kāi)發(fā)完成了內(nèi)部水淹概率安全評(píng)價(jià)模型，對(duì)這兩臺(tái)機(jī)組防水淹設(shè)計(jì)情況進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)估[9]。通過(guò)評(píng)估，田灣核電廠3、4號(hào)機(jī)組核島廠房?jī)?nèi)各安全列之間均做了良好的實(shí)體分割，但常規(guī)島部分防水淹設(shè)計(jì)還存在優(yōu)化的空間[9,10]。在本研究中，就針對(duì)田灣核電廠3、4號(hào)機(jī)組內(nèi)部水淹風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)最大的水淹情景進(jìn)行分析，提出設(shè)計(jì)改進(jìn)建議，并針對(duì)各項(xiàng)改進(jìn)建議進(jìn)行評(píng)估論證，以期有效支持田灣核電廠3、4號(hào)機(jī)組設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高核電廠防水淹能力。

1 田灣核電廠3、4號(hào)機(jī)組內(nèi)部水淹概率安全評(píng)價(jià)分析情況介紹

1.1 田灣核電廠3、4號(hào)機(jī)組內(nèi)部水淹概率安全評(píng)價(jià)簡(jiǎn)介

田灣核電廠3、4號(hào)機(jī)組內(nèi)部水淹概率安全評(píng)價(jià)模型主要參考了美國(guó)電力研究院內(nèi)部水淹概率安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則[11]的分析方法，遵從了ASME/ANS RA-Sa-2009[12]、能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T20037.3-2012[13]和RG1.200[14]的技術(shù)要求，充分借鑒了國(guó)內(nèi)核電廠內(nèi)部水淹概率安全評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合了田灣核電廠3、4號(hào)機(jī)組的實(shí)際布置情況和參考電廠(田灣核電廠1、2號(hào)機(jī)組)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)開(kāi)發(fā)完成。

2015年年初，上海核工程研究設(shè)計(jì)院著手開(kāi)展田灣核電廠3、4號(hào)機(jī)組內(nèi)部水淹概率安全評(píng)價(jià)項(xiàng)目電廠資料收集相關(guān)工作。在資料收集、定性篩選、定量分析以及人因分析4個(gè)階段的工作中，針對(duì)項(xiàng)目不同階段的重點(diǎn)工作，對(duì)田灣核電廠1、2號(hào)機(jī)組(作為3、4號(hào)機(jī)組的參考電廠)和3、4號(hào)機(jī)組進(jìn)行了4次電廠巡訪和人員訪談的工作，并于2016年6月開(kāi)發(fā)完成了內(nèi)部水淹概率安全評(píng)價(jià)模型且編制了概率安全評(píng)價(jià)報(bào)告[9]。

1.2 田灣核電廠3、4號(hào)機(jī)組內(nèi)部水淹概率安全評(píng)價(jià)分析結(jié)果

田灣核電廠3、4號(hào)機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)較大的前三個(gè)內(nèi)部水淹情景見(jiàn)表1，其中對(duì)堆芯損壞頻率貢獻(xiàn)最大的為IF-UMA-LOOP(汽輪機(jī)廠房循環(huán)水系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重水淹引起喪失廠外電始發(fā)事件)，占內(nèi)部水淹堆芯損壞頻率的83.32%。其次為IF-UMA-LNHR(汽輪機(jī)廠房?jī)?nèi)除IF-UMA-LOOP情景外其他水淹情景引起喪失二次側(cè)熱量排出始發(fā)事件)和IF-UQA(冷卻水泵房?jī)?nèi)水淹引起喪失二次側(cè)熱量排出始發(fā)事件)，堆芯損壞頻率分別占內(nèi)部水淹總堆芯損壞頻率的12.64%和4.03%。其余水淹情景的堆芯損壞頻率貢獻(xiàn)均很小。

1.3 水淹情景IF-UMA-LOOP介紹

汽輪機(jī)廠房凝汽器地坑內(nèi)布置有循環(huán)水母管，如圖1[15]左側(cè)部分所示，該管道一旦發(fā)生破裂可能導(dǎo)致嚴(yán)重的水淹后果。從破口泄漏的海水將很快淹沒(méi)凝汽器地坑，并淹至電廠地坪標(biāo)高(圖1中的8m標(biāo)高)，進(jìn)而通過(guò)8m平臺(tái)的設(shè)備吊裝孔(尺寸為2.7m×3.6m)漫延到圖1右側(cè)的-0.1m層電氣配電間，導(dǎo)致配電間內(nèi)的四列6kV正常運(yùn)行電源BBA～BBD開(kāi)關(guān)柜等設(shè)備失效，引起喪失廠外電源始發(fā)事件。該情景的堆芯損壞頻率占功率工況內(nèi)部水淹總堆芯損壞頻率的83.32%。

表1 內(nèi)部水淹風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)占前3位的水淹情景Table 1 Top three flooding scenarios of internal flooding PSA

通過(guò)水淹漫延分析與水淹高度計(jì)算，汽輪機(jī)廠房?jī)?nèi)循環(huán)水母管破裂后約16分鐘淹沒(méi)BBA～BBD開(kāi)關(guān)柜，如圖2所示。而通過(guò)操縱員訪談：主控室在接到報(bào)警后，將派現(xiàn)場(chǎng)操縱員去現(xiàn)場(chǎng)查看，現(xiàn)場(chǎng)操縱員將現(xiàn)場(chǎng)情況通過(guò)電話反饋給主控室，主控室操縱員再結(jié)合其他信號(hào)和參數(shù)綜合診斷，手動(dòng)隔離循環(huán)水泵。從主控室報(bào)警信號(hào)到現(xiàn)場(chǎng)操縱員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)水淹事件大約需10分鐘，從主控制室診斷到隔離循環(huán)水泵大約需5-10分鐘，人員干預(yù)中止水淹的時(shí)間窗口不足以阻止水淹漫延至BBA～BBD開(kāi)關(guān)柜。所以該水淹情景中，暫不考慮人員操作隔離水源的作用。

圖1 汽輪機(jī)廠房循環(huán)水母管與中壓配電間布置圖Fig.1 Arrangement diagram of circulating waterpipe and 6 kV AC power in turbine building

圖2 汽輪機(jī)廠房/配電間水淹高度Fig.2 Flood height versus time in turbine building and distribution room

2 設(shè)計(jì)改進(jìn)方案及對(duì)比研究

2.1 設(shè)計(jì)改進(jìn)方案描述

從內(nèi)部水淹概率安全評(píng)價(jià)分析結(jié)果可以看出，汽輪機(jī)廠房循環(huán)水系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重水淹引起喪失廠外電始發(fā)事件的水淹情景對(duì)內(nèi)部水淹總堆芯損壞頻率貢獻(xiàn)最大。本研究主要針對(duì)該情景提出以下3種設(shè)計(jì)改進(jìn)方案：

(1)優(yōu)化循環(huán)水泵停泵信號(hào)，一旦發(fā)生泄漏量較大的管道破裂事故，即觸發(fā)停泵信號(hào)，以阻止水淹事故進(jìn)一步惡化。

(2)在凝汽器側(cè)和配電間側(cè)增設(shè)防水淹封堵，避免凝汽器側(cè)的管道破裂對(duì)中壓母線產(chǎn)生影響。

(3)汽輪機(jī)廠房，擺放凝汽器地坑里面增加大量程液位計(jì)，將液位信號(hào)反饋到主控室；并將該液位計(jì)的測(cè)量結(jié)果與汽輪機(jī)廠房卷簾門(mén)卷起信號(hào)相關(guān)聯(lián)，即如果出現(xiàn)高液位現(xiàn)象，卷簾門(mén)自動(dòng)卷起。

2.2 三種改進(jìn)方案分析

2.2.1 優(yōu)化循環(huán)水泵停泵信號(hào)

通過(guò)梳理現(xiàn)有循環(huán)水泵停泵信號(hào)，其中有一條停泵信號(hào)為：“循泵啟動(dòng)的1分鐘內(nèi)，運(yùn)行中循泵出口壓力PAB23CP001(002/003)三取二低于0.07MPa時(shí)報(bào)警，由DCS自動(dòng)停泵。” (經(jīng)過(guò)確認(rèn)，該停泵信號(hào)不僅針對(duì)“循泵啟動(dòng)的1分鐘內(nèi)”，正常運(yùn)行狀態(tài)下，該信號(hào)均可導(dǎo)致停泵)。

由圖3[16]可以看出，循環(huán)水泵出口壓力傳感器PAB23CP001(002/003)安裝在-10.54m高度，為正常情況下海平面以下10.54m。正常情況下的海水壓頭大于0.07MPa，即僅海水壓頭足以保證不會(huì)由于破口導(dǎo)致的壓頭損失，不會(huì)導(dǎo)致停泵，需要主控室操縱員根據(jù)報(bào)警及其他信號(hào)綜合判斷后，手動(dòng)停泵。而根據(jù)前面分析的水淹事件發(fā)生后的時(shí)間窗口，已來(lái)不及緩解事故。因此，可考慮增設(shè)或者調(diào)整該低壓停泵信號(hào)，在出現(xiàn)循環(huán)水管道較大破口時(shí)，可觸發(fā)該信號(hào)停泵，水淹事件可以及時(shí)得以緩解。但具體低壓停泵信號(hào)閾值有待進(jìn)一步研究。

圖3 循環(huán)水泵安裝圖Fig.3 Circulating water pump installation diagram

2.2.2 增設(shè)防水淹封堵

防水淹封堵是電廠常用的防水淹措施，主要措施包括實(shí)體墻、防水門(mén)、門(mén)檻等。通過(guò)對(duì)可能的漫延路徑的封堵，達(dá)到阻止電氣設(shè)備受水淹影響的目的。

在田灣3、4號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)廠房中，循環(huán)水母管管道破裂后泄漏的海水漫延至配電間主要有以下幾條漫延路徑：

(1)淹至電廠地坪標(biāo)高(8m標(biāo)高)，通過(guò)8m平臺(tái)的設(shè)備吊裝孔(2.7m×3.6m)漫延到-0.1m層電氣配電間，這條漫延路徑流通面積最大。

(2)在汽輪機(jī)廠房5m標(biāo)高處，有幾處開(kāi)孔較小的貫穿孔可漫延至配電間一側(cè)，流通面積較小。

(3)通過(guò)8m平臺(tái)的若干個(gè)門(mén)洞和電纜、管道井漫延到-0.1m層電氣配電間，該路徑流通面積總和較設(shè)備吊裝孔小。

通過(guò)對(duì)以上漫延路徑進(jìn)行防水淹封堵，可以基本達(dá)到防止配電間遭受水淹的目的，但凝汽器側(cè)的設(shè)備，包括主給水泵等仍可能由于水淹導(dǎo)致失效。

2.2.3 增設(shè)大量程液位計(jì)并聯(lián)動(dòng)汽輪機(jī)廠房卷簾門(mén)卷起

在田灣核電廠3、4號(hào)機(jī)組目前的設(shè)計(jì)中，集水坑液位傳感器探測(cè)到水位“高”信號(hào)，并觸發(fā)地坑泵啟動(dòng)。但由于地坑泵排水量相比循環(huán)水母管破裂的泄漏量過(guò)小，不足以排出如此大的泄漏量，而且沒(méi)有其他排水措施，因而在循環(huán)水母管破裂后不到20分鐘即淹沒(méi)電氣配電間。若能夠及時(shí)探測(cè)到水淹事件并采取措施排出循環(huán)水母管泄漏出的海水，則至少可以避免電氣配電間遭受水淹失效。因此，提出“增設(shè)大量程液位計(jì)并聯(lián)動(dòng)汽輪機(jī)廠房卷簾門(mén)卷起”的設(shè)計(jì)改進(jìn)建議，并進(jìn)行水淹高度計(jì)算驗(yàn)證分析結(jié)果。

通過(guò)水位高度計(jì)算，一旦水淹水位達(dá)到一定高度，液位計(jì)探測(cè)到水淹，觸發(fā)水位高信號(hào)并反饋到主控室，同時(shí)啟動(dòng)地坑泵和打開(kāi)汽輪機(jī)廠房卷簾門(mén)。由于卷簾門(mén)寬度達(dá)到6.15m，足以排出循環(huán)水母管泄漏的海水，電氣配電間不會(huì)由于水淹導(dǎo)致失效，但凝汽器地坑中的電氣設(shè)備如凝結(jié)水泵等仍將由水淹導(dǎo)致失效，如圖4所示。

圖4 打開(kāi)卷簾門(mén)后汽輪機(jī)廠房/配電間水淹高度Fig.4 Flood height versus time in turbine building and distribution room after opening the rolling shutter door of turbine building

2.3 各改進(jìn)方案堆芯損壞頻率結(jié)果對(duì)比

通過(guò)在內(nèi)部水淹概率安全評(píng)價(jià)模型中模擬以上3種設(shè)計(jì)改進(jìn)方案的影響，建立內(nèi)部水淹概率安全評(píng)價(jià)模型，計(jì)算3種方案改進(jìn)后的內(nèi)部水淹堆芯損壞頻率見(jiàn)表2。

表2 三種方案改進(jìn)后的內(nèi)部水淹堆芯損壞頻率Table 2 CDF induced by internal flooding after design improvements

從上表可以看出，三種改進(jìn)方案對(duì)內(nèi)部水淹總堆芯損壞頻率的貢獻(xiàn)基本相同，主要是因?yàn)槿N方案實(shí)施后，都可以有效避免4列6kV中壓母線因水淹而失效。而該事件是在內(nèi)部水淹堆芯損壞頻率貢獻(xiàn)中占支配性的事件，因此降低比例達(dá)到83%左右。同時(shí)，可以看出，方案一改進(jìn)后的堆芯損壞頻率與方案二、三略有不同，主要是因?yàn)椋悍桨敢恢?，循環(huán)水泵停泵信號(hào)導(dǎo)致循環(huán)水母管的泄漏流量及時(shí)終止，不會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)給水系統(tǒng)、輔助給水泵等系統(tǒng)和設(shè)備失效；而方案二、三只能在一定程度上避免6kV中壓母線失效，輔助給水泵等電氣設(shè)備仍可能因水淹失效。

2.4 各種改進(jìn)方案對(duì)比研究

通過(guò)對(duì)以上各種改進(jìn)方案的研究，整理出各改進(jìn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，見(jiàn)表3。

表3 各類(lèi)改進(jìn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)Table 3 Advantages and disadvantages of various improvement measures

3 總結(jié)建議

上述三種方案分別從源頭、漫延路徑和疏排水三個(gè)方面考慮制定改進(jìn)措施，各有優(yōu)缺點(diǎn)，也都能在一定程度上緩解事故。從效果來(lái)看，方案一能夠較好得緩解該事故，電氣配電間不會(huì)由水淹導(dǎo)致失效，同時(shí)也能夠避免凝汽器側(cè)電氣設(shè)備由水淹導(dǎo)致失效；而方案二、三僅能確保電氣配電間不會(huì)由水淹導(dǎo)致失效，不能有效防止凝汽器側(cè)電氣設(shè)備由水淹導(dǎo)致失效。從改進(jìn)方案的實(shí)施難度上來(lái)看，方案二僅需要做好防水淹封堵即可，而方案一、三涉及到電氣儀控信號(hào)的改造，可能施工難度較大，方案一還需要外部單位協(xié)助計(jì)算，以確定最佳停泵信號(hào)壓力閾值。

從縱深防御的角度考慮，建議能夠從多個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，從源頭上避免能夠淹到電氣配電間的水淹事件發(fā)生，從漫延路徑上阻止其漫延到配電間的可能性，從監(jiān)控和疏排水的角度來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和緩解水淹事件的后果。因此，在本研究中，建議結(jié)合三種改進(jìn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)施如下改進(jìn)方案：

(1)進(jìn)一步研究循環(huán)水泵停泵信號(hào)的壓力整定值，一旦發(fā)生泄漏量較大的管道破裂事故，即觸發(fā)停泵信號(hào)。

(2)考慮到a路徑(設(shè)備吊裝孔)無(wú)法實(shí)施封堵，建議加高設(shè)備吊裝孔的圍堰；對(duì)b、c路徑的開(kāi)口進(jìn)行防水淹封堵。

(3)在凝汽器地坑增設(shè)若干大量程液位傳感器，并優(yōu)化相關(guān)防護(hù)規(guī)程。

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[15]季梅. 田灣核電站3、4號(hào)機(jī)組工程項(xiàng)目3號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)廠房建筑總圖 1-1剖面圖，LYG-3-NGY1-31-1UMA 0011-DG-0001-H[Z].Rev.B，東北電力設(shè)計(jì)院，2014.

[16]劉亞鳳. 田灣核電站3、4號(hào)機(jī)組工程項(xiàng)目3號(hào)機(jī)組冷卻水泵房安裝工程冷卻水泵1-1斷面圖,LYG-3-NGY1-31 -1UQA9921-DG-0002-H[Z].Rev.B,東北電力設(shè)計(jì)院,2015.

StudyonImprovementMeasuresofRisk-informedFloodProtectionDesignofTianwanNPPUnits3&4

YANG Yinghao1, XIAO Jun2, ZHU Guixue1, GU Xiaohui3, ZHANG Jiajia2，*

(1.Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233,China;2.Nuclear and Radiation Safety Center, Beijing 100082, China; 3.Jiangsu Nuclear Power Corporation, Lianyungang 222042, China)

For the protection against internal flooding, the traditional deterministic safety assessment is a qualitative analysis of the influence of internal flooding on the safety of unit, from the point of maintaining safety features, and the quantitative risk assessment cannot be obtained. The risk-informed management of NPS, utilizes the result of probabilistic safety analysis (PSA) for risk assessment, on the basis of deterministic methodology, in order to demonstrate the rationality and necessity of decision-making. This paper gives an introduction of the results of internal flooding PSA of Tianwan NPP units 3 & 4. Three design improvement measures are proposed for the flooding scenario of the circulating water pipe rupture in the turbine building, which contributes the highest CDF of internal flooding PSA. Then through the comparative study of various improvement measures, advantages and disadvantages of them are given, and the optimized design suggestions for the Tianwan NPP units 3 & 4 are presented.

internal flooding, risk-informed, design improvement

2017- 04- 25

2017- 05- 28

環(huán)保公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)，項(xiàng)目編號(hào):201309054

楊英豪(1987—)，男，湖北鐘祥人，工程師，現(xiàn)主要從事核電廠概率安全評(píng)價(jià)工作

：TL364

：A

:1672- 5360(2017)02- 0029-06