三門核電一期工程主控室溫升設(shè)計變更及關(guān)注問題說明

王偉

三門核電有限公司 浙江臺州 317112

三門核電一期工程引進西屋公司先進AP1000核電技術(shù)，是全球首批AP1000核電機組。在建設(shè)過程中，因西屋對AP1000的設(shè)計仍在不斷完善，將不可避免的產(chǎn)生設(shè)計變更。本文通過對特定案例—主控室溫升設(shè)計變更關(guān)注問題的討論，總結(jié)了相關(guān)問題的解決措施，對后續(xù)AP1000機組主控室VES系統(tǒng)設(shè)計改進有重要的借鑒意義。

1 設(shè)計變更方案介紹

1.1 主控室及應(yīng)急可居留系統(tǒng)簡述

AP1000主控室（MCR）包括主控制區(qū)、運行工作區(qū)、運行休息室、值長辦公室。MCR功能是為操縱員提供一個抗震的、可居留的場所來容納所需的人機接口資源，允許操縱員在整個運行范圍內(nèi)監(jiān)視和控制電廠運行過程。正常工況下MCR溫度控制在19℃-24℃，由核島非放射性通風(fēng)系統(tǒng)（VBS）來維持。

主控室應(yīng)急可居留系統(tǒng)（VES）的作用是在設(shè)計基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故工況時，通過32個壓縮氣體儲存罐為MCR人員提供清潔空氣，并且持續(xù)時間不少于72小時。VES需要在電廠冷停堆和換料（燃料有操作移動時除外）以外工況下均可用，并且可自動啟動（也可手動啟動）和非能動地運行，以執(zhí)行MCR通風(fēng)、加壓、冷卻和凈化的安全相關(guān)功能。VES是MCR通風(fēng)的唯一安全相關(guān)系統(tǒng)，在發(fā)生設(shè)計基準(zhǔn)事故且非安全設(shè)備不可用時，重要設(shè)備的運行和操縱員的可居留性都只能靠VES維持[1]。

1.2 主控室應(yīng)急可居留系統(tǒng)設(shè)計問題說明

西屋對現(xiàn)有設(shè)計的MCR內(nèi)全部熱負(fù)荷進行了熱工計算，并與VES系統(tǒng)設(shè)計的冷卻能力進行了比對分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在VES運行期間，MCR最大溫度并不能滿足執(zhí)照申請基準(zhǔn)的驗收準(zhǔn)則，即最大有效溫度不超過85℉（29.5℃），對應(yīng)干球溫度95℉（35℃）且相對濕度50%。導(dǎo)致該問題的原因主要為西屋在進行AP1000初步設(shè)計中，VES設(shè)計基準(zhǔn)和許可基準(zhǔn)均以AP600作為參考，但卻未充分考慮相對于AP600在MCR電氣設(shè)備大小和數(shù)量增加之后帶來的熱負(fù)荷。

VES啟動后，電廠可能處于交流電源可用和不可用兩種工況。交流電源可用的工況下，MCR熱負(fù)荷約為27KW，MCR溫度在VES啟動后不到1小時即超過95℉（35℃）。交流電源不可用的情況下，MCR熱負(fù)荷約為15.6KW，MCR溫度在VES啟動后約12個小時即超過95℉（35℃）?？梢钥闯鲈赩ES啟動后的兩種情況下MCR最大溫度均超過95℉（35℃），不滿足人員可居留性的要求。

1.3 設(shè)計變更方案簡介

為滿足VES啟動后MCR72小時內(nèi)可居留性的要求，MCR熱負(fù)荷采用分階段關(guān)閉的方案，即在VES啟動后0h時關(guān)閉第一階段熱負(fù)荷（大屏幕（15、16）、無蓄電池供電的照明、輻射檢測儀、TVS、對流加熱器、熱水器、辦公設(shè)備、廚房設(shè)備），3h時關(guān)閉第二階段熱負(fù)荷（操縱員局域網(wǎng)終端（3）、就地控制站（2）、大屏幕（1-14）、MCR打印機（1）），關(guān)閉后的剩余熱負(fù)荷為6.15KW。MCR關(guān)閉的熱負(fù)荷設(shè)備均為非安全級，不執(zhí)行安全功能。

西屋按照以上熱負(fù)荷切除方案對MCR內(nèi)的設(shè)備進行了GOTHIC建模，得出分階段切除熱負(fù)荷后，MCR在72小時內(nèi)的最高溫度不超過95℉（35℃），滿足人員可居留性的要求。

同時，為實現(xiàn)以上熱負(fù)荷的切斷方案，需要在儀控方面采取以下的實體變更：1.增加兩個可切斷各電氣回路的電氣控制盤（VES-EP-01/02）；2.在PMS A序列和C序列機柜內(nèi)增加四個CIM模塊。

2 變更關(guān)注的問題及說明

因該變更主要是針對主控室的應(yīng)急可居留系統(tǒng)，關(guān)系到事故工況下主控室的可居留性及設(shè)備的可用性，如未能通過合理的改進方案進行變更，將會對事故工況下全廠的系統(tǒng)設(shè)備的操控及MCR人員接受的輻射劑量產(chǎn)生較大的影響。變更關(guān)注的問題如下：

2.1 關(guān)閉的設(shè)備對MCR人因工程和操縱員負(fù)荷的影響

相關(guān)設(shè)備的可切除性分析如下：

（1）第一階段關(guān)閉的15、16大屏幕顯示器用于電廠管理，并不具備電廠控制功能。大屏幕上顯示諸如天氣、日計劃、新聞等其它信息，且該些信息在未關(guān)閉的值長控制臺上可以顯示，故可以關(guān)閉。

（2）MCR區(qū)域輻射監(jiān)測儀為非安全相關(guān)設(shè)備，用于正常通風(fēng)時主控室VBS送風(fēng)輻射監(jiān)測儀的冗余指示。但在MCR隔離后，送風(fēng)完全依靠VES的壓縮儲氣罐，放射性水平不會明顯增加，所以可切除該監(jiān)測儀。

（3）TVS視頻控制器提供所有視頻接入，可遠(yuǎn)程選擇和控制某個攝像頭，該設(shè)備不屬于任何設(shè)計基準(zhǔn)范疇，故可切除。

（4）第二階段關(guān)閉的1-14大屏幕顯示器，主要功能是輔助顯示電廠某些參數(shù)和報警信息等，同時操縱員也可通過大屏幕導(dǎo)航系統(tǒng)與顯示畫面進行交互，可以進行配置顯示畫面、建立趨勢等任務(wù)。大屏幕關(guān)閉后，相關(guān)信息可通過操縱員臺上的顯示器進行調(diào)用和讀取。所以1-14大屏幕顯示器可切除。需要說明的是，14塊大屏幕可更加直觀快速的獲取電廠信息，關(guān)閉后會使操縱員負(fù)荷增加，再加之MCR的環(huán)境較正常時惡劣，引起人因失誤的可能性增加，所以最終通過人因工程的集成系統(tǒng)確認(rèn)（ISV）再次進行模擬得出可接受的結(jié)語[2]。

2.2 關(guān)閉無蓄電池供電的照明（ELS）對MCR照度變化的影響

本變更在第一階段關(guān)閉的ELS并不包含主控制區(qū)的照明，僅切除MCR周邊房間（值長辦公室、操縱員休息區(qū)和運行工作區(qū)）的照明。按照設(shè)計要求，在正常照明時MCR提供200-500Lx照度，僅有應(yīng)急照明時提供至少100Lx照度。

通過使用2臺數(shù)字表對1號機組MCR的照度進行了實測。測量分別在三種情況下進行：1.測量正常照明時的主控照度；2.關(guān)閉第一階段設(shè)備的情況下進行測量；3.關(guān)閉第二階段設(shè)備的情況下進行測量。事實證明在僅剩應(yīng)急照明的情況下，MCR的照度滿足100Lx以上的要求（最低約為290Lx）。最終認(rèn)為關(guān)閉無蓄電池供電的照明（ELS）對MCR照度變化的影響可以接受。

2.3 VES啟動后72小時內(nèi)MCR可居留區(qū)內(nèi)的溫度變化

分別從非能動熱阱的散熱能力、VES送風(fēng)的制冷量、MCR及周邊環(huán)境的初始溫度假設(shè)等方面進行了詳細(xì)的說明和論證：

（1）非能動熱阱的散熱能力：目前MCR內(nèi)的混凝土墻體、地板和帶散熱片的天花板，以及垂直安裝在散熱片上并突出延伸至MCR內(nèi)的金屬板結(jié)構(gòu)，均起到散熱的作用。

（2）VES送風(fēng)的制冷量：假設(shè)在送風(fēng)初期壓縮空氣儲氣罐的氣體溫度（最低為5.5℃）上升至MCR溫度限值（35℃），此時的制冷量可利用△Q=CM△T計算得出約為1Kw。而實際上壓縮空氣儲氣罐中的氣體在流經(jīng)儲存罐房間、MCR門廊及MCR內(nèi)的VES管道后，因相關(guān)管道均未作保溫處理，送風(fēng)空氣將被加熱升溫，導(dǎo)致最終制冷量遠(yuǎn)不到1Kw。而在GOTHIC分析中充分考慮了該溫升。

（3）MCR及周邊環(huán)境的初始溫度假設(shè)：MCR及周邊環(huán)境的初始溫度對MCR溫升的變化有較大的影響，所以計算時均采取了保守假設(shè)：MCR溫度采用正常要求范圍的最大值75℉（24℃）作為初始假設(shè)；對于有溫度約束的周圍房間，均按照約束的最大值來假定；外部大氣溫度假定為廠區(qū)最大安全值115℉（46.1℃）。同時。

2.4 事故72小時后MCR通風(fēng)的考慮

VES可提供MCR至少72小時的供氣量，在此72小時內(nèi)恢復(fù)VBS系統(tǒng)還是首選措施，VBS一旦恢復(fù)，即可保證MCR內(nèi)的可居留性。但如果在72小時后VBS系統(tǒng)仍不可用，可在72小時至7天內(nèi)啟動VBS輔助風(fēng)機來維持MCR的可居留性。但VBS輔助風(fēng)機為非安全相關(guān)，地震工況下可能導(dǎo)致其不可用，此時可通過廠外支援設(shè)備（柴油機和風(fēng)機）代替這些輔助設(shè)備，此外還可將氣源接至安全相關(guān)補氣接口對主控進行補氣。如在此期間正常的壓縮空氣系統(tǒng)功能未能恢復(fù)，7天后VES儲氣罐未能得到補氣，則主控室7天后的補氣仍需通過安全相關(guān)接口繼續(xù)進行補氣[3]。

需要說明的是，在以上所說的VBS未能恢復(fù)而使用輔助風(fēng)機，同時發(fā)生室外環(huán)境達(dá)到廠址最大正常溫度（101℉）時，MCR即成為有容忍限制的高溫作業(yè)區(qū)（參見美國軍標(biāo)MIL-STD-1472E），允許其中停留和輕手工作業(yè)2小時。此時操縱員只需使用PMS的B/C序列進行事故后監(jiān)測，其他動作由MCR外的電廠支持人員協(xié)助MCR操縱員完成。

2.5 MCR、直流設(shè)備間和儀表間等新增溫度監(jiān)督要求的考慮

已明確需每隔24h核實MCR周圍的直流設(shè)備間、儀表間等相關(guān)房間的溫度（≤85℉），并規(guī)定了超出限值后的相應(yīng)恢復(fù)時間，該些內(nèi)容已體現(xiàn)在最終安全分析報告中，并反映到電廠的相關(guān)大綱和程序中。

3 結(jié)語

通過該變更的實施，可以保證MCR在所有運行和事故工況下安全有效地運轉(zhuǎn)，并提供給控制室內(nèi)的人員適宜的工作環(huán)境，以便操縱人員能夠按照相關(guān)規(guī)程做出合理快速的響應(yīng)，以保證電廠的安全。

3.1 經(jīng)驗反饋

對于后續(xù)包括AP1000在內(nèi)的采用非能動概念進行設(shè)計的核電機組，可以從多方面進行考慮和優(yōu)化，以使對MCR人因工程的影響達(dá)到最小化：

（1）減少MCR發(fā)熱設(shè)備的熱負(fù)荷：在當(dāng)前AP1000設(shè)計中，MCR的所有設(shè)備均是維持電廠安全和保證人員可居留性所必需的。所以在不改變設(shè)備種類和數(shù)量的前提下，通過采購熱負(fù)荷較低且能在功能和技術(shù)參數(shù)上滿足設(shè)計要求的相關(guān)設(shè)備（如將占總負(fù)荷約40%的16塊LCD大屏幕顯示器換為LED屏或者更省電的投影屏等），來達(dá)到降低MCR總熱負(fù)荷的目的。

（2）增加更多的非能動熱阱：MCR的熱量主要由非能動熱阱（帶散熱片的天花板及混凝土墻體和地板等）帶出，可以考慮增加天花板和混凝土墻體中散熱片的面積以及使用換熱效率更高的翅片式散熱片來代替當(dāng)前的平板式散熱片，以使MCR的非能動熱阱的換熱能力增強。

（3）對MCR切負(fù)荷場景進行人因工程驗證：通過增加非能動熱阱的方式可以一定程度增加VES啟動后MCR的散熱能力，但是需要通過力學(xué)和廠房結(jié)構(gòu)分析來判斷最多可增加的熱阱數(shù)量。所以可能仍需采取切除一定量的熱負(fù)荷來最終解決溫升超標(biāo)問題。可以考慮在初步設(shè)計時的MCR人因工程中增加切負(fù)荷場景的人因驗證，以避免后續(xù)的補充驗證對項目進度的影響。