華龍一號(hào)電氣廠房冷水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

中國(guó)核電工程有限公司 趙 曉 孫蘭飛 魏川鋮 劉占盛 張鳳閣

0 引言

華龍一號(hào)堆型作為我國(guó)自主研發(fā)的第三代核電堆型，安全指標(biāo)相比第二代有了很大提升。為了保證核電站的穩(wěn)定安全運(yùn)行，安裝了一系列的專設(shè)安全系統(tǒng)，以及為保證專設(shè)安全系統(tǒng)能執(zhí)行其安全功能的輔助支持系統(tǒng)。其中，熱阱是事故后專設(shè)安全系統(tǒng)能否執(zhí)行其安全功能的關(guān)鍵因素之一。熱阱系統(tǒng)不僅包括直接導(dǎo)出反應(yīng)堆衰變熱的熱阱系統(tǒng)，還包括為安全系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行及電氣儀控設(shè)備(電氣柜、儀控柜等)提供必要環(huán)境條件的熱阱系統(tǒng)，后者涉及到通風(fēng)系統(tǒng)、冷水系統(tǒng)及設(shè)備冷卻水系統(tǒng)。

華龍一號(hào)核島共設(shè)置了5個(gè)冷水系統(tǒng)，分別為電氣廠房冷水(WEC)系統(tǒng)、安全廠房冷水(WSC)系統(tǒng)、核島冷水(WNC)系統(tǒng)、人員通行廠房冷水(WAC)系統(tǒng)和核廢物廠房冷水(WWC)系統(tǒng)。WEC系統(tǒng)是核島唯一的核級(jí)冷水系統(tǒng)，為安全級(jí)的通風(fēng)系統(tǒng)及中低壓安注泵電動(dòng)機(jī)提供冷水，保證其穩(wěn)定安全運(yùn)行，是重要的核島輔助系統(tǒng)之一。

1 WEC系統(tǒng)功能

WEC系統(tǒng)的冷水回路為封閉式回路，其功能是將電氣廠房、安全廠房、燃料廠房和輔助廠房等廠房?jī)?nèi)設(shè)置的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)冷卻盤管及中低壓安注泵電動(dòng)機(jī)冷卻時(shí)所回收的熱量，通過冷水機(jī)組傳遞給設(shè)備冷卻水(WCC)系統(tǒng)或室外大氣，以確保核電廠的主控室、分散式控制系統(tǒng)(DCS)設(shè)備及中低壓安注泵的正常運(yùn)行及主控室操作人員的可居留性。

WEC系統(tǒng)冷水供/回水溫度采用國(guó)標(biāo)推薦溫度7 ℃/12 ℃；WCC系統(tǒng)冷卻水供水溫度為10～45 ℃。圖1為WEC系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖。

注：VEB為電氣柜間通風(fēng)系統(tǒng)；VEE為電氣廠房機(jī)械設(shè)備區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)；VCL為主控室空調(diào)系統(tǒng)；VMO為安全廠房機(jī)械設(shè)備區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)；VEC為控制柜間通風(fēng)系統(tǒng)；RSI為安全注入系統(tǒng)；VFL為核燃料廠房通風(fēng)系統(tǒng)；SL為左安全廠房；SR為右安全廠房；MP為遠(yuǎn)傳壓力表；LP為就地壓力表；MT為遠(yuǎn)傳溫度計(jì)；VNA為輔助廠房通風(fēng)系統(tǒng)。圖1 WEC系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

WEC系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)(一用一備)水冷式冷水機(jī)組和相應(yīng)的冷水泵，1臺(tái)模塊化風(fēng)冷式冷水機(jī)組和相應(yīng)的冷水泵。另外，還設(shè)置了1臺(tái)冷水儲(chǔ)存罐，用于冷水機(jī)組切換時(shí)為末端用戶提供持續(xù)的冷水。正常工況下，A列或B列水冷系列運(yùn)行，另一列水冷系列備用。風(fēng)冷機(jī)組處于熱備用狀態(tài)。在喪失最終熱阱工況下水冷機(jī)組失效，此時(shí)運(yùn)行的水冷系列的冷水泵繼續(xù)運(yùn)行，在風(fēng)冷機(jī)組啟動(dòng)前這段時(shí)間內(nèi)，通過冷水儲(chǔ)存罐向末端用戶提供冷水，直至風(fēng)冷機(jī)組系列啟動(dòng)完畢。

2 WEC系統(tǒng)水冷機(jī)組與風(fēng)冷機(jī)組啟停切換

在WEC系統(tǒng)原設(shè)計(jì)中，水冷機(jī)組、風(fēng)冷機(jī)組和冷水泵前后均設(shè)置有手動(dòng)隔離閥。運(yùn)行列的前后隔離閥為常開狀態(tài)，備用列和風(fēng)冷列的隔離閥為常閉狀態(tài)。運(yùn)行列和備用列之前的切換為手動(dòng)切換。列間切換時(shí)，需要就地手動(dòng)切換相應(yīng)的隔離閥。手動(dòng)切換需要一定時(shí)間，在此期間，由系統(tǒng)中的冷水儲(chǔ)存罐為末端用戶提供持續(xù)冷源。

為了提高WEC系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，對(duì)原方案進(jìn)行如下優(yōu)化改進(jìn)：

1) 將每臺(tái)備用列冷水泵和冷水機(jī)組前后的隔離閥由常閉狀態(tài)改為常開狀態(tài)。依靠水泵出口的止回閥進(jìn)行運(yùn)行列與備用列之間的隔離，同時(shí)冷水泵與對(duì)應(yīng)列的冷水機(jī)組進(jìn)行連鎖啟停，實(shí)現(xiàn)一個(gè)冷水列只需要啟動(dòng)冷水機(jī)組就可以連鎖該列水泵的啟動(dòng)。

2) 為了實(shí)現(xiàn)主控室自動(dòng)啟停切換水冷列與風(fēng)冷列設(shè)備，考慮采用“冷水機(jī)組綜合故障停機(jī)”反饋信號(hào)，只要運(yùn)行列的水冷機(jī)組故障停機(jī)，該故障停機(jī)信號(hào)就送至主控室，連鎖啟動(dòng)風(fēng)冷機(jī)組，第一時(shí)間保證持續(xù)供冷。風(fēng)冷機(jī)組啟動(dòng)后，從主控室發(fā)出指令派現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員查看水冷機(jī)組故障停機(jī)原因，視情況可將風(fēng)冷機(jī)組切換到備用的水冷列運(yùn)行。

優(yōu)化后的流程如圖2所示。該優(yōu)化改進(jìn)方案提高了WEC系統(tǒng)的自動(dòng)化控制水平，實(shí)現(xiàn)了WEC系統(tǒng)水冷/風(fēng)冷列機(jī)組之間的自動(dòng)切換，水冷機(jī)組故障停機(jī)后，風(fēng)冷機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)，第一時(shí)間保證冷水的持續(xù)供給，從而維持了主控室人員的可居留性、核級(jí)電氣柜和DCS機(jī)柜等設(shè)備適宜的環(huán)境溫度，保證了末端安全級(jí)用戶的可靠運(yùn)行，進(jìn)一步保障了電站運(yùn)行的安全性、可靠性。

圖2 優(yōu)化后的WEC系統(tǒng)流程

3 外部災(zāi)害防護(hù)

WEC系統(tǒng)的風(fēng)冷機(jī)組布置在廠房屋面，需要考慮龍卷風(fēng)、飛射物等外部災(zāi)害的影響。在原設(shè)計(jì)中，如果出現(xiàn)飛射物導(dǎo)致室外風(fēng)冷機(jī)組或管道破裂，造成系統(tǒng)失水過多，引起兩列安全級(jí)水冷機(jī)組因流量不足而停運(yùn)，則手動(dòng)隔離室外管網(wǎng)，并打開除鹽水補(bǔ)水閥進(jìn)行補(bǔ)水。該操作需要幾小時(shí)。由于末端通風(fēng)用戶的熱惰性，在喪失冷水期間，各房間溫度不會(huì)超溫。為了更好地應(yīng)對(duì)外部災(zāi)害，需要采取更有利的措施。

圖3為增加高位電動(dòng)隔離閥后的WEC系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖，該方案采取了以下優(yōu)化改進(jìn)措施：

圖3 增加高位電動(dòng)隔離閥的WEC系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

1) 在風(fēng)冷機(jī)組前后設(shè)置電動(dòng)隔離閥，與系統(tǒng)低壓報(bào)警連鎖，當(dāng)系統(tǒng)壓力低(無(wú)論是WEC系統(tǒng)其他部位滲漏，還是風(fēng)冷機(jī)組及室外管道破口)報(bào)警時(shí)，連鎖關(guān)閉電動(dòng)隔離閥，切斷風(fēng)冷機(jī)組回路；當(dāng)檢測(cè)到風(fēng)冷機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，該連鎖信號(hào)將被屏蔽。

2) 將補(bǔ)水隔離閥由手動(dòng)改為電動(dòng)，與低壓報(bào)警連鎖。當(dāng)系統(tǒng)壓力低報(bào)警時(shí)，連鎖補(bǔ)水電動(dòng)閥打開，進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)水。

采取以上2項(xiàng)改進(jìn)措施后，可在第一時(shí)間應(yīng)對(duì)因外部災(zāi)害引起的系統(tǒng)失水問題，從而保證安全級(jí)水冷機(jī)組列能夠正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

通過將WEC系統(tǒng)的冷水機(jī)組和水泵前后的手動(dòng)閥由常閉改為常開，冷水機(jī)組連鎖啟停冷水泵，由“冷水機(jī)組綜合故障停機(jī)”信號(hào)自動(dòng)連鎖啟動(dòng)風(fēng)冷機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了水冷機(jī)組與風(fēng)冷機(jī)組的自動(dòng)切換，降低了對(duì)冷水儲(chǔ)存罐的容量需求，以較小的改動(dòng)，使系統(tǒng)自動(dòng)化水平顯著提升，提高了核級(jí)冷源的可靠性。

通過在風(fēng)冷機(jī)組前后增設(shè)電動(dòng)隔離閥，并與系統(tǒng)低壓報(bào)警連鎖，將手動(dòng)補(bǔ)水改為電動(dòng)補(bǔ)水，解決了龍卷風(fēng)、飛射物等可能引起WEC系統(tǒng)兩列安全級(jí)機(jī)組共模失效問題，增強(qiáng)了系統(tǒng)的外部災(zāi)害防護(hù)能力。

通過對(duì)華龍一號(hào)電氣廠房冷水系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)，使我們?cè)俅握J(rèn)識(shí)到，需要持續(xù)不斷地思考總結(jié)新堆型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不斷提出更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，以使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加完善。