田灣核電站反應(yīng)堆廠房負(fù)壓波動(dòng)原因分析及優(yōu)化改進(jìn)

馬程耀

（江蘇核電有限公司 儀控管理處，連云港222000）

田灣核電站一期工程安全殼壓力和安全殼環(huán)形空間壓力是監(jiān)測(cè)和控制的工藝參數(shù)，分別通過(guò)反應(yīng)堆廠房安全殼負(fù)壓系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)KLD10）和安全殼環(huán)形空間負(fù)壓系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)維持。其中KLD10 系統(tǒng)從控制區(qū)主送風(fēng)系統(tǒng)取風(fēng)經(jīng)過(guò)過(guò)濾、加熱或冷卻的新風(fēng)，通過(guò)兩道安全殼密閉隔離閥，經(jīng)過(guò)送風(fēng)調(diào)節(jié)閥根據(jù)安全殼負(fù)壓信號(hào)調(diào)節(jié)后送到反應(yīng)堆廠房的樓梯間和主泵間。機(jī)組在正常運(yùn)行狀態(tài)、預(yù)計(jì)運(yùn)行事件及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故狀態(tài)下（DBA）均保證運(yùn)行。當(dāng)安全殼內(nèi)壓力達(dá)到0.105 MPa 時(shí)，送排風(fēng)管道上的4 個(gè)安全殼隔離閥關(guān)閉，系統(tǒng)停止運(yùn)行。該系統(tǒng)主要功能：①建立和維持安全殼負(fù)壓在250 Pa 左右，同時(shí)建立一定的空氣交換；②建立安全殼內(nèi)的空氣流向由低污染區(qū)到高污染區(qū)；③凈化空氣，控制污染向環(huán)境的釋放。而安全殼環(huán)形空間負(fù)壓系統(tǒng)在正常運(yùn)行工況和預(yù)期運(yùn)行事故下，通過(guò)控制區(qū)主送風(fēng)系統(tǒng)和主排風(fēng)系統(tǒng)來(lái)維持。環(huán)廊的排風(fēng)量是一定的，環(huán)廊內(nèi)送風(fēng)管上的調(diào)節(jié)閥根據(jù)環(huán)廊的負(fù)壓值調(diào)節(jié)開(kāi)度來(lái)維持環(huán)廊內(nèi)的負(fù)壓在250 Pa 左右；在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和超設(shè)計(jì)事故工況（若可用性保持）下，環(huán)廊的負(fù)壓由事故工況環(huán)廊和安全廠房專(zhuān)設(shè)應(yīng)急負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)維持[1]。

田灣核電站一期工程最終安全分析報(bào)告（FSAR）中要求，在機(jī)組正常運(yùn)行和發(fā)生預(yù)期運(yùn)行事件時(shí)，安全殼負(fù)壓必須維持在-150 Pa～-275 Pa，安全殼環(huán)行空間負(fù)壓必須維持在-100 Pa～-400 Pa，以避免發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故時(shí)放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放。如果超出范圍（-150 Pa～-275 Pa）需在1 h 內(nèi)將參數(shù)恢復(fù)至允許值，否則機(jī)組應(yīng)后撤至冷停堆。

反應(yīng)堆廠房負(fù)壓儀表用于監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆廠房安全殼壓力以及安全殼環(huán)行空間壓力，主要采用西門(mén)子7433 型儀表，部分儀表則采用E+H 和羅斯蒙特儀表。負(fù)壓儀表均采用差壓方式測(cè)量，正壓側(cè)通過(guò)儀表管引至廠房?jī)?nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，負(fù)壓側(cè)接大氣壓力作為參考?jí)毫2]。在田灣核電站一期工程設(shè)計(jì)方俄羅斯圣彼得堡設(shè)計(jì)院的原設(shè)計(jì)方案中，負(fù)壓儀表參考?jí)毫Ψ謩e取自于反應(yīng)堆廠房外其他4 個(gè)房間的壓力，因4 個(gè)房間壓力不同，導(dǎo)致負(fù)壓儀表參考基準(zhǔn)壓力不一致，測(cè)量值存在較大偏差，同時(shí)房間內(nèi)壓力不能真實(shí)反映戶(hù)外大氣壓力，無(wú)法保證反應(yīng)堆廠房維持的壓力與戶(hù)外實(shí)際大氣壓值保持允許的負(fù)偏差。基于上述原因，在機(jī)組系統(tǒng)調(diào)試期間，俄方設(shè)計(jì)院作出變更，將4 個(gè)房間的參考端合并成2 個(gè)，1 個(gè)通過(guò)反應(yīng)堆廠房引至戶(hù)外，1 個(gè)通過(guò)安全廠房引至戶(hù)外，這樣就確保了反應(yīng)堆廠房所有的負(fù)壓儀表具有同一參考基準(zhǔn)壓力，原則上保證了負(fù)壓測(cè)量值能反映安全殼內(nèi)外的真實(shí)壓差。

1 存在問(wèn)題及原因分析

在機(jī)組商運(yùn)以后，負(fù)壓系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)，主要存在負(fù)壓儀表示值波動(dòng)、KLD10 系統(tǒng)風(fēng)機(jī)切換時(shí)負(fù)壓儀表示值超限及風(fēng)機(jī)無(wú)法投自動(dòng)等問(wèn)題。

1.1 負(fù)壓儀表示值波動(dòng)

在極端天氣條件下負(fù)壓儀表示值經(jīng)常出現(xiàn)非預(yù)期波動(dòng)，經(jīng)常出現(xiàn)超過(guò)FSAR 規(guī)定限值要求現(xiàn)象，在極端情況下，波動(dòng)甚至超過(guò)-600 Pa，導(dǎo)致KLD10系統(tǒng)設(shè)備動(dòng)作。

1.1.1 原因分析

差壓變送器測(cè)量差壓的工作原理主要通過(guò)來(lái)自正、負(fù)壓側(cè)儀表管線的壓差作用于變送器雙側(cè)的隔離膜片上，通過(guò)隔離片和元件內(nèi)的填充液傳送到測(cè)量膜片的兩側(cè)，經(jīng)過(guò)變送器內(nèi)部處理后變成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出，最終在畫(huà)面上顯示[2]。田灣核電站一期工程反應(yīng)堆廠房的負(fù)壓儀表正壓側(cè)儀表管線取壓口位于安全殼反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)，負(fù)壓側(cè)儀表管線取壓口位于外界大氣，取壓示意圖如圖1 所示。

圖1 反應(yīng)堆廠房負(fù)壓測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic diagram of negative pressure measurement in reactor building

在負(fù)壓系統(tǒng)運(yùn)行期間，反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的壓力一般處于穩(wěn)定狀態(tài)，而外界空氣流動(dòng)方向多變，流動(dòng)速度也不一樣，引起局部區(qū)域的瞬間正壓或者負(fù)壓因受氣流因素影響，如果取壓參考點(diǎn)正好在上述區(qū)域，會(huì)造成大氣壓力波動(dòng)或者微壓波動(dòng)。尤其在強(qiáng)對(duì)流天氣情況下，經(jīng)常存在壓力大幅度波動(dòng)。

1.2 KLD10 系統(tǒng)風(fēng)機(jī)切換時(shí)負(fù)壓儀表示值超限及風(fēng)機(jī)無(wú)法投自動(dòng)

KLD10 系統(tǒng)由2 臺(tái)均為100%的通風(fēng)機(jī)組組成，根據(jù)田灣核電站一期工程定期試驗(yàn)大綱要求，KLD10 系統(tǒng)風(fēng)機(jī)每月進(jìn)行1 次切換，在切換試驗(yàn)過(guò)程中，反應(yīng)堆廠房負(fù)壓經(jīng)常出現(xiàn)超過(guò)FSAR 規(guī)定限值以及風(fēng)機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切的問(wèn)題。

1.2.1 原因分析

田灣核電站一期工程主儀控系統(tǒng)平臺(tái)采用德國(guó)西門(mén)子技術(shù)[3]，在KLD10 系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的控制邏輯中，通過(guò)使用調(diào)節(jié)器分別控制風(fēng)機(jī)的負(fù)荷和反應(yīng)堆廠房進(jìn)風(fēng)閥的開(kāi)度，同時(shí)在風(fēng)機(jī)切換時(shí)，調(diào)節(jié)器中設(shè)計(jì)有壓力修正，具體如下：

當(dāng)任一風(fēng)機(jī)的負(fù)荷低于95%時(shí)，調(diào)節(jié)器將反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的壓力定值提高+5 Pa，以達(dá)到提前開(kāi)啟進(jìn)風(fēng)閥的目的；調(diào)節(jié)器將反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的壓力定值提高+3 Pa，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)及時(shí)加載的目的。

在實(shí)際工作過(guò)程中，當(dāng)工作風(fēng)機(jī)停運(yùn)、備用風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，負(fù)荷在30 s 內(nèi)就達(dá)到95%以上，此時(shí)反應(yīng)堆廠房的壓力加上修正值仍未達(dá)到開(kāi)閥的條件，而負(fù)荷超過(guò)95%時(shí)，修正信號(hào)自動(dòng)切除，過(guò)2 min后，才能達(dá)到開(kāi)閥需要的限值，發(fā)出調(diào)節(jié)指令。所以，由于壓力調(diào)節(jié)器中設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)切換壓力修正值與變頻器負(fù)荷變化不匹配，修正信號(hào)未起到作用，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)切換過(guò)程中，負(fù)壓儀表示值出現(xiàn)超過(guò)FSAR 限值及無(wú)法自動(dòng)投切的現(xiàn)象。

2 優(yōu)化改進(jìn)

2.1 儀表負(fù)壓側(cè)參考端技術(shù)改造

2.1.1 同行調(diào)研

田灣核電站一期工程采用俄羅斯VVER 堆型，調(diào)研國(guó)內(nèi)同行核電廠，反應(yīng)堆廠房負(fù)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及測(cè)量方式都不同，對(duì)于田灣核電站解決反應(yīng)堆廠房負(fù)壓波動(dòng)問(wèn)題無(wú)可借鑒的參考運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

2.1.2 儀表負(fù)壓側(cè)取壓裝置設(shè)計(jì)

1）概念設(shè)計(jì)

為了保證儀表負(fù)壓側(cè)參考端壓力的穩(wěn)定，使得后端變送器的信號(hào)能夠穩(wěn)定輸出，需要設(shè)計(jì)出一套取壓裝置，能夠有效削減外界空氣流動(dòng)方向多變，實(shí)現(xiàn)大氣壓力的穩(wěn)定。根據(jù)上述要求，并結(jié)合動(dòng)力學(xué)原理，繪制出取壓裝置概念設(shè)計(jì)圖，如圖2、圖3所示。

圖2 取壓裝置概念設(shè)計(jì)圖（一）Fig.2 Conceptual design of pressure taking device（1）

圖3 取壓裝置概念設(shè)計(jì)圖（二）Fig.3 Conceptual design of pressure taking device（2）

2）詳細(xì)設(shè)計(jì)

在取壓裝置周?chē)諝獯嬖诜较蚝退俣染粩嘧兓臍饬鞯那闆r下，如果采用箱體內(nèi)部設(shè)置多層隔艙條的結(jié)構(gòu)，可以有效地分離出空氣的動(dòng)壓和靜壓，詳細(xì)設(shè)計(jì)方案如圖4、圖5 所示，說(shuō)明如下：

（1）取壓裝置包括外層箱體、中間層和內(nèi)層箱體，三層箱體開(kāi)“V”形凹槽后，焊成四面實(shí)體的箱體，再與后端面板滿焊連接，三層箱體各有1 個(gè)Φ2～4 mm的開(kāi)孔（定位見(jiàn)圖4），使每層箱體連通在一起[4]；

（2）箱體之間安置有若干個(gè)隔艙條，隔艙條下端面和倒邊抹玻璃膠后插入V 型槽。必須保證隔艙條入位后前端面板與箱體平齊，相鄰兩塊隔艙條的開(kāi)孔前后（上下）交錯(cuò)，可以限制空氣轉(zhuǎn)移的流量[4]；

圖4 取壓裝置正面圖Fig.4 Front view of pressure taking device

圖5 取壓裝置剖面圖Fig.5 Profile of pressure tapping device

（3）外層箱體開(kāi)孔處接一個(gè)外螺紋管嘴，一根儀表管線從箱體下端面穿入內(nèi)層箱體，空氣由外螺紋管嘴進(jìn)入外層箱體，通過(guò)外層箱體內(nèi)的隔艙條可以分離出空氣的動(dòng)壓和靜壓，能夠?qū)⒖諝獯蟛糠謩?dòng)壓隔離掉，剩余的動(dòng)壓和靜壓（大氣壓力）傳遞到中間層箱體，經(jīng)過(guò)中間層箱體內(nèi)隔艙條再次將空氣的動(dòng)壓和靜壓分離，空氣經(jīng)過(guò)內(nèi)層箱體傳遞到儀表管，經(jīng)過(guò)儀表管最終傳遞到測(cè)量壓力表（變送器）[4]。

2.1.3 取壓裝置加工制作

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，箱體選用品質(zhì)優(yōu)良的碳鋼板焊接而成（見(jiàn)圖6），外層箱體下方左右兩側(cè)焊等邊角鋼各1 條，用于固定在取壓箱支架上防止傾倒。此角鋼下端面應(yīng)略高于前后面板底部，確保箱體重量完全落在支架上而不是此角鋼上，儀表管穿入后背板的四周應(yīng)密封環(huán)焊，需進(jìn)行100%PT 滲透試驗(yàn)，成品如圖7 所示。

2.1.4 技術(shù)改造后效果驗(yàn)證

在機(jī)組大修期間將反應(yīng)堆廠房負(fù)壓儀表管線接入負(fù)壓取壓裝置后，負(fù)壓儀表示值穩(wěn)定，改造效果良好。

圖6 取壓裝置內(nèi)部實(shí)物圖Fig.6 Internal physical diagram of pressure taking device

圖7 取壓裝置外觀實(shí)物圖Fig.7 Physical appearance of pressure taking device

2.2 負(fù)壓系統(tǒng)控制邏輯優(yōu)化

針對(duì)KLD10 系統(tǒng)風(fēng)機(jī)定期切換試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)上文的原因分析，結(jié)合西門(mén)子控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，開(kāi)展以下優(yōu)化措施：

2.2.1 優(yōu)化措施

（1）將KLD10 控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器中的MAX 取大邏輯塊改為MIN 取小邏輯塊[3]；

（2）增大KLD10 控制系統(tǒng)順控邏輯中操作時(shí)間；

（3）增大KLD10 控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器中控制偏差[3]；

（4）在KLD10 控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器控制偏差選擇觸發(fā)條件時(shí)，增加脈沖信號(hào)[3]；

2.2.2 優(yōu)化后效果驗(yàn)證

圖8 改造前風(fēng)機(jī)投切試驗(yàn)Fig.8 Draught fan switching test before technical transformation

圖9 技術(shù)改造后風(fēng)機(jī)投切試驗(yàn)Fig.9 Draught fan switching test after technical transformation

在機(jī)組大修期間對(duì)KLD 系統(tǒng)2 個(gè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)投切試驗(yàn)，技術(shù)改造前、后風(fēng)機(jī)投切試驗(yàn)情況如圖8、圖9 所示，在圖8 中：①兩個(gè)風(fēng)機(jī)在投切時(shí)存在時(shí)間延遲；②負(fù)壓儀表示值超過(guò)FSAR 限值；在圖9 中：①兩個(gè)風(fēng)機(jī)投切未存在延遲；②負(fù)壓儀表示值為滿足FSAR 限值要求。可見(jiàn)，改造效果良好。

3 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期以來(lái)，反應(yīng)堆廠房負(fù)壓儀表示值波動(dòng)、在風(fēng)機(jī)切換過(guò)程中負(fù)壓超限及無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切的問(wèn)題，是機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)隱患，類(lèi)似問(wèn)題在核工業(yè)其它領(lǐng)域也不同程度的存在。針對(duì)負(fù)壓示值波動(dòng)等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)負(fù)壓儀表參考端優(yōu)化、負(fù)壓控制系統(tǒng)邏輯優(yōu)化等措施，負(fù)壓示值波動(dòng)等問(wèn)題得到有效解決，保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，解決措施亦可為同行核電站處理類(lèi)似問(wèn)題提供參考。