核電廠穩(wěn)壓器安全閥再供電意義及問(wèn)題分析

高 偉

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

2011 年 3 月 11 日下午，日本東北部海域發(fā)生里氏 9 級(jí)強(qiáng)烈地震，地震發(fā)生時(shí)，福島第一核電站的1、2、3號(hào)機(jī)組正在運(yùn)行，4號(hào)機(jī)組正在換料大修，5、6號(hào)機(jī)組正處于定期停堆維修狀態(tài)。地震發(fā)生后機(jī)組實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停堆，但電站的外電網(wǎng)由于地震全部癱瘓，各機(jī)組自身的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)緊急啟動(dòng)，但遭遇隨之即到的巨大海嘯襲擊而失去所有電源供應(yīng)，反應(yīng)堆堆芯喪失強(qiáng)迫冷卻手段，堆芯核燃料衰變產(chǎn)生的余熱無(wú)法導(dǎo)出，導(dǎo)致部分堆芯熔化。隨后部分廠房氫氣聚集引發(fā)爆炸、起火，大量放射性物質(zhì)外泄，造成核電歷史上又一次重大的事故，也是人類的又一次災(zāi)難。

1 穩(wěn)壓器安全閥使用的意義

福島事故發(fā)生以后，中國(guó)在役及在建核電站針對(duì)福島事故進(jìn)行總結(jié)整改工作，其中福島事故后穩(wěn)壓器安全閥再供電工作作為堆芯余熱排出重要手段，也是當(dāng)中重要的整改工作之一。

根據(jù)福島當(dāng)時(shí)事故的背景，如果核電站發(fā)生全廠斷電事故工況（SBO），如何順利排出堆芯余熱將成為事故處理首要工作。為應(yīng)對(duì)極限事故工況堆芯冷卻，核電站在保留原有安全措施的基礎(chǔ)上增設(shè)了福島事故后一、二回路等應(yīng)急補(bǔ)水改造。當(dāng)一回路自然循環(huán)可以建立且二回路緊急排熱路徑暢通，則首先考慮利用二回路排出堆芯余熱，此時(shí)二回路應(yīng)急補(bǔ)水產(chǎn)生作用；當(dāng)二回路排熱手段不可用時(shí)，為防止高壓熔堆情況的發(fā)生，在嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則中要求在綜合評(píng)估泄壓的好處和潛在風(fēng)險(xiǎn)的前提下，對(duì)一回路進(jìn)行降壓操作。通過(guò)開(kāi)啟穩(wěn)壓器安全閥使一回路的壓力降低到一定水平。當(dāng)成功實(shí)施一回路泄壓后，則可根據(jù)相關(guān)規(guī)程和嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則的要求，通過(guò)實(shí)施一回路應(yīng)急補(bǔ)水，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)堆芯的冷卻。

當(dāng)二回路排熱手段不可用需要一回路補(bǔ)水操作時(shí)，如何確保穩(wěn)壓器安全閥的長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟成為一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，只有穩(wěn)壓器安全閥的可靠開(kāi)啟才能保證一回路的泄壓和應(yīng)急補(bǔ)水的注入，而同時(shí)保證穩(wěn)壓器安全閥的長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟才能確保應(yīng)急補(bǔ)水帶走熱量流出，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)堆芯的冷卻。

2 穩(wěn)壓器安全閥介紹

2.1 穩(wěn)壓器安全閥組成

由3個(gè)安全閥組提供穩(wěn)壓器的超壓保護(hù)。每一個(gè)閥組由串聯(lián)安裝的兩臺(tái)閥門組成：

1）一臺(tái)提供卸壓功能的上游閥門，稱為“保護(hù)閥”。

2）一臺(tái)提供隔離功能的下游閥門，稱為“隔離閥”。

“本廠穩(wěn)壓器隔離閥為RCP017、018、019VP，穩(wěn)壓器超壓保護(hù)閥為RCP020、021、022VP。在正常運(yùn)行期間，保護(hù)閥關(guān)閉，隔離閥開(kāi)啟。在超壓保護(hù)閥自動(dòng)起跳開(kāi)啟后，一旦不能自動(dòng)回座關(guān)閉時(shí)，則系統(tǒng)壓力繼續(xù)下降，下降到隔離閥關(guān)閉壓力時(shí)，隔離閥自動(dòng)關(guān)閉，隔離卸壓管路，防止蒸汽的過(guò)量排放。RCP 系統(tǒng)在正常運(yùn)行期間，所有超壓保護(hù)閥都是關(guān)閉的，當(dāng)它們達(dá)到各自的壓力設(shè)定值時(shí)才自動(dòng)起跳開(kāi)啟，排放卸壓”[1]。

本廠使用的穩(wěn)壓器安全閥為法國(guó)生產(chǎn)的SEBIM安全閥，SEBIM安全閥為世界上技術(shù)先進(jìn)的一類先導(dǎo)式安全閥，為壓水堆核電廠最重要和復(fù)雜的一類閥門，是核島一回路的最后一道壓力屏障。它的低壓保護(hù)功能使其在三哩島事故后得到全世界核電站廣泛的應(yīng)用，可以說(shuō)SEBIM安全閥是針對(duì)解決三哩島事故工況發(fā)展起來(lái)的。穩(wěn)壓器安全閥的作用為：確保在RCP系統(tǒng)超壓狀況下將穩(wěn)壓器內(nèi)壓力及時(shí)釋放，保證了系統(tǒng)及設(shè)備的安全；確保RCP系統(tǒng)在低壓狀態(tài)下及時(shí)關(guān)閉閥門，保護(hù)一回路壓力，避免壓力太低造成堆芯融化風(fēng)險(xiǎn)。福島事故后，穩(wěn)壓器安全閥開(kāi)發(fā)的新作用：極限事故工況下，穩(wěn)壓器安全閥恰當(dāng)?shù)亻_(kāi)啟，促使堆芯冷卻水的流出，從而帶走堆芯余熱。

2.2 穩(wěn)壓器安全閥運(yùn)行原理

當(dāng)穩(wěn)壓器壓力低于先導(dǎo)閥的整定壓力時(shí)，先導(dǎo)閥的傳動(dòng)桿在上面位置，先導(dǎo)盤R1開(kāi)啟，使主閥活塞上部與穩(wěn)壓器接通。由于主閥活塞的表面積比閥瓣的大，因而安全閥關(guān)閉。

當(dāng)穩(wěn)壓器壓力升高時(shí)，它作用在先導(dǎo)活塞上，并且使先導(dǎo)傳動(dòng)桿向下，先導(dǎo)盤R1使主閥活塞與穩(wěn)壓器隔離，此時(shí)安全閥仍保持關(guān)閉。

圖1 穩(wěn)壓器安全閥原理圖Fig.1 Voltage regulator safety valve schematic

當(dāng)穩(wěn)壓器壓力達(dá)到先導(dǎo)閥的整定壓力時(shí)，先導(dǎo)傳動(dòng)桿進(jìn)一步向下，先導(dǎo)盤R2開(kāi)啟，主閥活塞上部容納的流體排出，作用在主閥閥瓣上的穩(wěn)壓器壓力使安全閥開(kāi)啟。

當(dāng)穩(wěn)壓器壓力降低時(shí)，先導(dǎo)傳動(dòng)桿上升，首先關(guān)閉先導(dǎo)盤R2，開(kāi)啟先導(dǎo)盤R1，然后使主閥活塞上部與穩(wěn)壓器接通，于是安全閥關(guān)閉。安全閥在低于其整定壓力下，通過(guò)使電磁線圈通電，可以強(qiáng)迫“開(kāi)啟”。

如果先導(dǎo)盤R1處于開(kāi)啟位置（即壓力低于先導(dǎo)盤R1的整定壓力），通過(guò)使電磁線圈斷電，在主閥活塞上可以重新建立壓力并關(guān)閉安全閥。相反，如果先導(dǎo)盤R1維持關(guān)閉（壓力高于R1的整定壓力），則不能重新建立壓力，而且安全閥維持開(kāi)啟狀態(tài)。

3 穩(wěn)壓器安全閥現(xiàn)狀及再供電整改問(wèn)題

本廠1、2、3、4號(hào)機(jī)組的一回路安全閥手操電控電磁閥由繼電器機(jī)架上UP來(lái)供電，其中RCP017、018、020、021VP為A列48V直流電源LCA系統(tǒng)供電，RCP019、022VP為B列48V直流電源LCB系統(tǒng)供電。在嚴(yán)重事故發(fā)生時(shí)，全廠斷電UP電源喪失，如果考慮長(zhǎng)時(shí)間SBO工況下一回路的泄壓功能延伸，需要考慮安全閥較長(zhǎng)時(shí)間的供電要求。在全廠斷電時(shí)，LCA和LCB系統(tǒng)蓄電池組只能夠保證對(duì)全部負(fù)載進(jìn)行Id放電1h。目前本廠1、2、3、4號(hào)4臺(tái)機(jī)組的一回路安全閥手操電控電磁閥由繼電器機(jī)架上UP來(lái)供電。嚴(yán)重事故時(shí)，如果考慮一回路的泄壓延伸功能，則需要考慮安全閥較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的供電問(wèn)題。因此，需要對(duì)本廠安全閥電磁閥進(jìn)行再供電設(shè)計(jì)，確保其SBO工況下的可用性。

圖2 LNE360CR一次接線圖Fig.2 LNE360CR one wiring diagram

以下內(nèi)容以本廠1/2號(hào)機(jī)組為例，針對(duì)穩(wěn)壓器安全閥再供電問(wèn)題進(jìn)行論述。如果核電站發(fā)生全廠斷電事故工況，只能考慮使用水壓試驗(yàn)泵汽輪發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)，對(duì)重要設(shè)備進(jìn)行可靠供電。1/2號(hào)小汽輪發(fā)電機(jī)組均為共用設(shè)備9LLS001AR供電，而9LLS001AR給9LLS母線上提供380V的交流電，9LLS母線上帶有負(fù)載LNE360CR，LNE360CR是通過(guò)母線下380V/220V變壓器提供220V電源，剛好可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定可靠供電。

基于這種情況，所以考慮從LNE360CR箱內(nèi)的備用開(kāi)關(guān)供電至RCP系統(tǒng)機(jī)架。并在機(jī)架附近墻上對(duì)A/B列各設(shè)置一個(gè)整流器箱，其中A列機(jī)架有兩組閥門（4個(gè)閥RCP017、018、020、021VP），B列一組閥門（2個(gè)閥RCP019、022VP），整流器箱內(nèi)的整流器將LNE360CR內(nèi)輸出的220V交流電整流成48V直流電后，在應(yīng)急需要的工況下由人手動(dòng)將新增整流器箱48VDC電源轉(zhuǎn)接到需要供電的機(jī)架UP設(shè)備。

LNE360CR在設(shè)計(jì)時(shí)由三路電源對(duì)其進(jìn)行供電，控制箱內(nèi)含有三路插座，根據(jù)實(shí)際情況選擇對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電：

1）正常情況下由LNE逆變器LNE001TB帶載，插座為001PJ。

2）小汽輪發(fā)電機(jī)組9LLS001AR帶載，插座為002PJ。

3）1/2號(hào)LNE360CR配電箱互為備用供電帶載，插座為003PJ。

根據(jù)LNE一次接線圖上可以看出來(lái)，LNE360CR內(nèi)還有兩個(gè)備用開(kāi)關(guān)LNE371JA與LNE372JA。所以穩(wěn)壓器安全閥再供電電源就從LNE360CR內(nèi)備用開(kāi)關(guān)LNE371JA與LNE372JA引至RCP系統(tǒng)機(jī)架中，其中將LNE371JA作為A列安全閥供電，LNE372JA作為B列安全閥供電。

在R C P系統(tǒng)機(jī)架附近，新增就地整流插座箱RCP100CR（A列）與RCP200CR（B列），箱內(nèi)設(shè)置有220VAC/48VDC整流器，在應(yīng)急需要的情況下由運(yùn)行人員手動(dòng)將RCP100CR或RCP200CR內(nèi)48V直流輸出電源插座通過(guò)和RCP系統(tǒng)機(jī)架連接的插頭對(duì)接，實(shí)現(xiàn)RCP安全閥的再供電。

穩(wěn)壓器安全閥A列和B列共計(jì)6臺(tái)閥門，每臺(tái)閥門在有整流器再供電時(shí)的計(jì)算電流在1.5A左右。因此，每臺(tái)閥門整流器的上游空氣開(kāi)關(guān)選擇S262-C6型開(kāi)關(guān)即可，對(duì)于每臺(tái)就地插座箱的上游電源從LNE360CR箱內(nèi)的空氣開(kāi)關(guān)選擇分段時(shí)間大一些的S272-C6即可。

就地插座箱1/2RCP100CR分別安裝于L505和L545房間內(nèi)，箱內(nèi)設(shè)置有4路S262-C6 2P型空氣開(kāi)關(guān)，在每一路空開(kāi)下游設(shè)置1個(gè)220V AC/48V DC整流電源模塊，4路電源模塊下游依次設(shè)有RCP017PJ、RCP018PJ、RCP020PJ、RCP021 PJ電源插座，對(duì)應(yīng)插頭接線依次引至RCP系統(tǒng)機(jī)架附近，將接線接頭處用絕緣膠布包扎好。同時(shí)，對(duì)帶有插頭的電纜兩端安裝電纜標(biāo)識(shí)牌，對(duì)插頭電纜另一端出同時(shí)安裝好電纜的正、負(fù)極標(biāo)識(shí)線號(hào)。

就地插座箱1/2RCP200CR分別安裝于L509和L549房間內(nèi)，箱內(nèi)設(shè)置有2路S262-C6 2P型空氣開(kāi)關(guān)，在每一路空開(kāi)下游設(shè)置1個(gè)220V AC/48V DC整流電源模塊，2路電源模塊下游依次設(shè)有RCP019PJ、RCP022PJ電源插座，對(duì)應(yīng)插頭接線依次引至RCP系統(tǒng)機(jī)架附近，將接線接頭處用絕緣膠布包扎好。同時(shí)，對(duì)帶有插頭的電纜兩端安裝電纜標(biāo)識(shí)牌，對(duì)插頭電纜另一端同時(shí)安裝好電纜的正、負(fù)極標(biāo)識(shí)線號(hào)。

為避免再供電電源反送至機(jī)架上游電源母線，在正常運(yùn)行期間，如果將插頭電纜與RCP系統(tǒng)機(jī)架連接，則機(jī)架UP電源會(huì)反送電至再供電插頭處，若插頭不慎接地，則會(huì)影響RCP系統(tǒng)機(jī)架的正常運(yùn)行。為了避免此類情況發(fā)生，所以送至機(jī)架UP出線側(cè)的電纜只將接頭做好，用絕緣膠布包扎好，并標(biāo)識(shí)“RCP安全閥再供電電纜”并不接入系統(tǒng)。在SBO事故工況時(shí)，由運(yùn)行人員根據(jù)實(shí)際情況執(zhí)行運(yùn)行規(guī)程，判斷電纜是否需要接入U(xiǎn)P對(duì)穩(wěn)壓器安全閥進(jìn)行再供電。

需要特別注意的是，在事故工況下，機(jī)架上游直流母線失電期間，UP并未跳閘，為避免再供電電源反送至機(jī)架上游直流母線，應(yīng)先人為斷開(kāi)A列和B列6臺(tái)閥門的機(jī)架UP電源，然后再將RCP100CR和RCP200CR內(nèi)再供電插頭電纜分別接至6臺(tái)閥門機(jī)架UP出線側(cè)的直流母線端子排上，從而對(duì)穩(wěn)壓器安全閥進(jìn)行再供電。

4 穩(wěn)壓器安全閥再供電方式中的問(wèn)題分析

4.1 就地箱內(nèi)整流器維護(hù)問(wèn)題

作為穩(wěn)壓器安全閥再供電整改中最重要的設(shè)計(jì)，就是增加兩個(gè)就地插座箱來(lái)為穩(wěn)壓器安全閥組提供額外的動(dòng)力支持，而在就地插座箱中最重要的元器件就是整流器。配電箱內(nèi)的整流器需要能夠?yàn)橄掠呜?fù)載提供穩(wěn)定可靠的48V直流電源，以保證在事故工況下穩(wěn)壓器安全閥組的可靠動(dòng)作。

就地配電箱內(nèi)的整流器全稱應(yīng)該為高頻開(kāi)關(guān)整流器，這種高頻開(kāi)關(guān)整流器與傳統(tǒng)的相控整流器相比，具有體積小、重量輕、功率因數(shù)高、可聞噪聲低和效率高的特點(diǎn)?！案哳l開(kāi)關(guān)電源整流器的工作原理：交流電源接入整流模塊，經(jīng)濾波及三相全波整流器后變成直流，再接入高頻逆變回路，將直流轉(zhuǎn)換為高頻交流，最后經(jīng)高頻變壓器、整流橋、濾波器后輸出平穩(wěn)直流[2]”。如圖3所示。

由于整流器元器件在再供電系統(tǒng)中的重要性，因而需要對(duì)整流器進(jìn)行必要的檢修維護(hù)工作,對(duì)整流器開(kāi)展定期的維護(hù)工作包括：

圖3 高頻開(kāi)關(guān)整流器基本構(gòu)成框圖Fig.3 Basic composition block diagram of high frequency switch rectifier

1）檢查確認(rèn)整流器外觀無(wú)污漬、潮氣侵蝕，無(wú)明顯被壓破損壞痕跡，接線端子螺絲齊全。

2）檢查整流器電源輸入輸出側(cè)接線端子表面平整，無(wú)金屬熔化及燒傷痕跡。

3）使用250V兆歐表測(cè)量一次側(cè)對(duì)地絕緣電阻不小于0.5MΩ。

4）使用50V兆歐表測(cè)量二次側(cè)對(duì)地絕緣電阻不小于0.5MΩ。

5）一次側(cè)接入220V交流電源，測(cè)量二次側(cè)空載輸出電壓應(yīng)有穩(wěn)定的DC 48V±10%電壓。

6）二次側(cè)接入變阻器負(fù)載，測(cè)量輸出電壓紋波系數(shù)，不大于2%。

高頻開(kāi)關(guān)整流器內(nèi)有一個(gè)用于對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件提供啟動(dòng)電流的電阻，該電阻長(zhǎng)期通電發(fā)熱會(huì)發(fā)生損壞從而引起整流器無(wú)法使用。但是如果整流器長(zhǎng)期不通電工作使用，整流器內(nèi)的濾波電容元器件經(jīng)常沒(méi)有進(jìn)行充放電活化，更易導(dǎo)致濾波電容性能的下降從而整流器整體損壞。兩者相比較而言，整流器開(kāi)關(guān)更適合處于長(zhǎng)期通電狀態(tài)，因?yàn)楝F(xiàn)在就高頻開(kāi)關(guān)整流器技術(shù)而言，啟動(dòng)電阻相比較濾波電容而言更加耐用可靠。

4.2 應(yīng)急情況下，人因失誤問(wèn)題

縱觀歷史上發(fā)生的兩次大的核事故當(dāng)中，人因失誤問(wèn)題對(duì)事故的范圍擴(kuò)大造成了重要影響。切爾諾貝利事故調(diào)查中主要是由兩個(gè)因素共同造成的：一是其反應(yīng)堆設(shè)計(jì)不完善，尤其是沒(méi)有安全殼；二是嚴(yán)重的人因錯(cuò)誤和管理缺陷，即運(yùn)行人員多次嚴(yán)重而粗暴地違反安全條例和操作規(guī)程，進(jìn)行了一系列錯(cuò)誤的操作和處理。美國(guó)三哩島事故調(diào)查總統(tǒng)委員會(huì)在事故報(bào)告中認(rèn)定，是設(shè)備故障導(dǎo)致事故發(fā)生，但是操作者的失誤也是導(dǎo)致此次事故的主要原因。人誤致使設(shè)備故障，設(shè)備故障引發(fā)了事件，運(yùn)行人員（包括操縱員、工程師和主管）沒(méi)有及時(shí)診斷出系統(tǒng)的真實(shí)情況，采取了錯(cuò)誤的操作，使一個(gè)小的事件擴(kuò)大為嚴(yán)重事故。因此，當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)情況緊急，任何人都有可能發(fā)生誤操作情況。

在正常運(yùn)行期間，由于為了防止機(jī)架UP電源反送電至RCP100CR/RCP200CR內(nèi)的各個(gè)插座上，敷設(shè)至穩(wěn)壓器安全閥機(jī)架UP出線側(cè)的電纜只將接頭做好，并將接頭進(jìn)行絕緣包扎，但是并不接入系統(tǒng)。只是在發(fā)生SBO事故工況時(shí)，由運(yùn)行人員根據(jù)實(shí)際情況執(zhí)行運(yùn)行規(guī)程，判斷電纜是否需要接入U(xiǎn)P對(duì)穩(wěn)壓器安全閥進(jìn)行再供電。如果事故發(fā)生，需要將在供電電纜接入系統(tǒng)，這時(shí)候就需要運(yùn)行人員再通知維修應(yīng)急人員在現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)進(jìn)行安裝，如果現(xiàn)場(chǎng)工作人員由于情況緊急發(fā)生了誤操作或者沒(méi)有將電源進(jìn)行可靠安裝，這樣就失去了穩(wěn)壓器安全閥再供電的實(shí)際意義。

鑒于以上問(wèn)題，可以在大修期間提前將穩(wěn)壓器安全閥機(jī)架UP出線側(cè)的電纜接入穩(wěn)壓器安全閥的電磁閥電源上，而在就地配電箱RCP100CR和RCP200CR內(nèi)的插頭上配備有鉸鏈保護(hù)罩蓋，平時(shí)由鉸鏈保護(hù)罩蓋將插頭與外界隔離開(kāi)來(lái)，防止設(shè)備短路。而在緊急工況下，由運(yùn)行人員執(zhí)行操作安全規(guī)程，現(xiàn)將穩(wěn)壓器安全閥機(jī)架UP電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，然后按照插頭上的標(biāo)識(shí)與插座上的標(biāo)識(shí)一一對(duì)應(yīng)插接，同時(shí)對(duì)RCP100CR和RCP200CR兩個(gè)就地配電箱進(jìn)行供電，能夠及時(shí)有效地完成對(duì)穩(wěn)壓器安全閥再供電，從而在應(yīng)急工況下減少了由于人因失誤造成一定的嚴(yán)重后果。

5 總結(jié)

穩(wěn)壓器安全閥組可靠再供電問(wèn)題是在福島事故發(fā)生后，人們對(duì)于堆芯壓力容器可靠降壓并排除堆芯余熱功能的再探討整改工作。本文對(duì)核電站在極限工況下的事故和處理進(jìn)行描述，進(jìn)而對(duì)穩(wěn)壓器安全閥再供電整改工作進(jìn)行剖析，并提出其他較好的解決方案。同時(shí)，本文指出現(xiàn)有穩(wěn)壓器安全閥再供電中容易被忽略的問(wèn)題，闡述這些問(wèn)題的成因，破除認(rèn)識(shí)誤區(qū)，并提出相應(yīng)解決方案。希望本文能為核電站福島事故整改人員提供參考，并且為核電站設(shè)計(jì)人員提供有價(jià)值的建議。