EPR一回路水壓試驗超壓保護(hù)方案設(shè)計

靳 津，肖安洪，曾 輝，陳俊杰，郭 文，王永康

(中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，四川 成都 610041)

根據(jù)RCC-M(2007)標(biāo)準(zhǔn)要求，核電站役前必須進(jìn)行水壓試驗，以驗證高壓條件下一回路設(shè)備和管道承壓能力以及邊界完整性[1]。核電站正常和事故工況下，壓力控制保護(hù)范圍僅覆蓋設(shè)計壓力，未覆蓋水壓試驗最終壓力，導(dǎo)致一回路水壓試驗存在超壓風(fēng)險，因此有必要針對歐洲先進(jìn)壓水堆(EPR)一回路水壓試驗升壓過程，設(shè)計一回路水壓試驗超壓保護(hù)方案，并對方案中控制邏輯設(shè)計、臨時裝置及儀表選型、風(fēng)險分析及應(yīng)對措施進(jìn)行可行性分析，確保方案正確、可靠。

1 一回路水壓試驗壓力

根據(jù)RCC-M(2007)標(biāo)準(zhǔn)要求，水壓試驗最終壓力應(yīng)大于整個回路設(shè)計最大壓力的1.3倍[2]。EPR機(jī)組一回路最大設(shè)計壓力為175 bar，則一回路水壓試驗最終壓力應(yīng)在228 bar以上。該超壓保護(hù)方案以228 bar作為最終壓力進(jìn)行設(shè)計及分析，各核電機(jī)組可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況選擇壓力系數(shù)確定最終壓力，相關(guān)設(shè)計與分析方法同樣適用。

2 一回路水壓試驗壓力控制

一回路壓力小于24.5 bar時，由上充泵與低壓減壓站控制壓力，一回路超壓由安注系統(tǒng)第3/4列安全閥保護(hù)(超過55 bar動作)。在2 bar時接入超壓保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)驗證試驗，試驗后保持系統(tǒng)在線，設(shè)定一回路壓力超過172 bar報警作為備用保護(hù)。

一回路壓力由24.5 bar升壓到165 bar過程中，在24.5 bar時，低壓減壓站切換到高壓減壓站，壓力由高壓減壓站控制，一回路超壓仍由安全閥保護(hù)。在32 bar時，斷開安注系統(tǒng)連接，此后一回路壓力僅由超壓保護(hù)系統(tǒng)來保護(hù)，超過172 bar時報警。

一回路壓力在165 bar時，由上充泵升壓切換為水壓試驗泵。水壓試驗泵從容控箱取水，通過主泵軸封注入一回路，將壓力升至228 bar。EPR水壓試驗泵選型不同于CPR(中國壓水堆)機(jī)組，泵流量不可調(diào)，為防止升壓過快，一回路壓力和升壓速率由高壓減壓站通過手動調(diào)節(jié)開度控制。一回路壓力由超壓保護(hù)系統(tǒng)來保護(hù)，設(shè)定一回路壓力超過229 bar報警，230.2 bar停泵，232 bar打開泄壓閥門。

3 超壓保護(hù)方案設(shè)計

超壓保護(hù)系統(tǒng)連接到穩(wěn)壓器第4列冷凝罐頂部排氣口，在升壓至24.5bar前投用，相應(yīng)閾值見表1。

在水壓試驗泵(RBS4220PO)啟動前，設(shè)計一回路壓力超過172 bar時報警。水壓試驗泵啟動后，通過泵開反饋閉鎖壓力超172 bar的報警，避免升壓至228 bar過程中產(chǎn)生誤報警。一回路壓力升至228 bar期間，設(shè)置壓力超過229 bar將報警，以提醒操縱員增大高壓減壓站開度。壓力超過230.2 bar將導(dǎo)致水壓試驗泵停泵，防止壓力進(jìn)一步升高。壓力超232 bar后自動打開泄壓閥，以避免誤操作導(dǎo)致一回路意外快速升壓造成管道破裂。為防止水壓試驗泵停泵后泄壓過快，導(dǎo)致一回路壓力低于最終壓力，設(shè)計停泵自動關(guān)閉高壓減壓站(RCV1314VP)。同時，為避免水壓試驗泵啟動前，因水壓試驗泵開反饋導(dǎo)致高壓減壓站一直存在關(guān)命令而無法控制，設(shè)計防快速泄壓邏輯投用/切除手動控制人機(jī)接口，在水壓試驗泵啟動后由切除切換為投用。

圖1 超壓保護(hù)總體方案

表1 超壓保護(hù)閾值設(shè)定

4 方案可行性分析

4.1 超壓保護(hù)控制邏輯

一回路壓力升壓至165 bar前，設(shè)置壓力超過172 bar觸發(fā)聲光報警，以提醒操縱員壓力意外升高接近設(shè)計壓力，需加大控制力度。該階段未設(shè)置設(shè)備自動控制，主要考慮上充泵升壓過程中，出現(xiàn)高壓減壓站自動關(guān)閉或上充流量調(diào)節(jié)閥全開等意外情況導(dǎo)致一回路升壓過快時，操縱員可通過手動打開另一路高壓減壓站(RCV1324VP)或停泵的方式迅速控制一回路壓力，從而避免設(shè)備損壞。

一回路壓力升壓至228 bar期間，設(shè)置壓力超過229 bar觸發(fā)聲光報警，超過230.2 bar觸發(fā)水壓試驗泵停運(yùn)，超過232 bar觸發(fā)泄壓閥打開，以限制一回路壓力，確保設(shè)備安全。閾值選擇主要考慮整個信號通道不確定度以及高壓減壓站開度微調(diào)導(dǎo)致的壓力波動。不同于CPR機(jī)組，EPR機(jī)組在水壓試驗泵停泵后，因高壓減壓站具有開度而快速泄壓，導(dǎo)致一回路壓力將無法維持在最終壓力上。而在高壓下重新建立上充下泄動態(tài)平衡并升壓至最終壓力，需執(zhí)行大量復(fù)雜手動操作，存在較大人因風(fēng)險。因此，需采取措施預(yù)防高壓下水壓試驗泵停泵造成的快速泄壓風(fēng)險。

一回路壓力在達(dá)到最終壓力后，假設(shè)出現(xiàn)意外升壓導(dǎo)致自動停泵，考慮此時升壓速率約為0，則一回路體積改變也為0，可知上充和下泄流量一致。由水壓試驗泵出口流量為12 m3/h，可知此時下泄流量為12 m3/h。高壓減壓站閥門流量系數(shù)CV計算公式如下：

(1)

式中：q為閥門流量，在停泵狀態(tài)下為12 m3/h；Gf為流體相對水的密度，在230.2 bar壓力下，一回路水溫60 ℃時，Gf約為0.98；ΔP為閥門壓降，在背壓設(shè)置為20 bar情況下，ΔP壓降為210.2 bar。由式(1)可計算出停泵時閥門流量系數(shù)CV約為0.95。

由閥門全開時CV為17.5，可計算出閥門相對流量系數(shù)CV%約為5.44%。根據(jù)閥門流量系數(shù)與開度對應(yīng)曲線(圖2)可知[3]，此相對流量系數(shù)下，閥門開度約為17%。

圖2 高壓減壓站閥門(RCV1314VP)開度與相對流量系數(shù)CV%曲線

一回路壓降速率θP計算公式如下：

(2)

式中：閥門流量q取值為-12 m3/h；V為一回路水裝量容積，取值為413 m3；XT為水等溫壓縮系數(shù)，在230.2 bar壓力下，一回路水溫60 ℃時，XT約為4.17×10-10m2/N。由式(2)可計算出一回路壓降速率約為-11.6 bar/min。

根據(jù)高壓減壓站設(shè)計要求，全關(guān)行程時間小于40 s，考慮自動控制響應(yīng)時間為0.5 s，可知在最終壓力上升觸發(fā)停泵后，閥門關(guān)閉過程中泄壓將不超過1.41 bar，一回路壓力可穩(wěn)定在最終壓力228 bar上。停泵后通過手動關(guān)閉高壓減壓站則會因操縱員較長的反應(yīng)時間，導(dǎo)致泄壓后一回路壓力低于最終壓力。因此，需設(shè)計自動邏輯來預(yù)防停泵后快速泄壓無法維持最終壓力的風(fēng)險。

4.2 超壓保護(hù)裝置

超壓保護(hù)裝置主要包含管道支架與儀表閥門，通過將超壓保護(hù)裝置接入一回路，實(shí)現(xiàn)水壓試驗過程中一回路壓力監(jiān)控。管架上預(yù)留接口用于充水排氣以及預(yù)驗證試驗。不同于CPR機(jī)組，EPR機(jī)組未采用自重式活塞壓力計，而是采用臨時儀表EHP02MP(160～260 bar)來實(shí)現(xiàn)最終壓力監(jiān)控。根據(jù)RCC-M(2007)標(biāo)準(zhǔn)，用于水壓試驗壓力采集的直讀型壓力計精度必須優(yōu)于1%，儀表量程必須在所測壓力1.5倍到3倍之間[4]。由此可知，水壓試驗壓力可接受的不確定度為3.42 bar。該超壓保護(hù)裝置所采用儀表的精度為0.1級，結(jié)合數(shù)字化控制系統(tǒng)模擬量輸入卡件不確定度0.2%，可知該壓力測量通道的不確定度僅為0.22 bar，滿足水壓試驗不確定度要求。

在CPR機(jī)組中，超壓保護(hù)裝置設(shè)置自重式活塞壓力計，其作為壓力參考與一回路分別接入小量程(±50 kPa)差壓型儀表的正負(fù)壓側(cè)，以實(shí)現(xiàn)一回路壓力在最終壓力時的精確監(jiān)控。但自重式活塞壓力計負(fù)壓側(cè)為毛細(xì)管，在掛有警示標(biāo)牌的情況下，各機(jī)組仍多次發(fā)生毛細(xì)管被嚴(yán)重踩彎事件，由此帶來的修復(fù)和再驗證問題都會增加額外工作量。同時，采用自重式活塞壓力計需在各試驗壓力下增減砝碼，由于砝碼大小不同，需制定嚴(yán)格的砝碼放置和收取順序，人員需24 h全程值守，任何操作失誤將會導(dǎo)致一回路超壓，大大增加了人因失效風(fēng)險。

因此，對于EPR機(jī)組，超壓保護(hù)裝置無需設(shè)置自重式活塞壓力計和小量程差壓表。簡化后超壓保護(hù)裝置可滿足壓力監(jiān)控要求，操作更加方便，并能節(jié)約成本。裝置相關(guān)儀表設(shè)備見表2。

4.3 超壓保護(hù)控制平臺

第三方數(shù)字化平臺雖可實(shí)現(xiàn)超壓保護(hù)控制邏輯與人機(jī)界面[5]，卻提高了機(jī)組建設(shè)成本。新數(shù)字化平臺將會引入大量臨時電纜端接和查線工作，試驗人員需在較短時間內(nèi)掌握第三方數(shù)字化平臺組態(tài)以及日常必要維護(hù)方法，額外工作量較大，且存在較大人因失效風(fēng)險。而本方案采用機(jī)組正式數(shù)字化控制系統(tǒng)作為超壓保護(hù)控制平臺，通過添加測量與控制相關(guān)試驗組態(tài)邏輯，搭建壓力監(jiān)控畫面以及將壓力測量信號分配至正式測量通道等方式，減少了臨時電纜和繼電器，提高了測量及控制通道的可靠性，更好地保障了超壓保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的正確性和穩(wěn)定性。

4.4 風(fēng)險分析及措施

壓力測量通道出現(xiàn)超量程或者斷線故障時，將誤觸發(fā)報警和設(shè)備動作，導(dǎo)致一回路壓力失去監(jiān)控。該風(fēng)險可通過在控制系統(tǒng)中設(shè)置信號故障缺省值為上一有效值方式消除。在水壓試驗泵啟動前，若誤投用防快速泄壓邏輯，將導(dǎo)致高壓減壓站關(guān)閉，一回路壓力意外升高。通過在水壓試驗泵啟動前，將控制系統(tǒng)中手動投用信號(EHP01CG)強(qiáng)制為0，在水壓試驗泵啟動后，再取消該強(qiáng)制，可消除防快速泄壓邏輯誤投用的風(fēng)險。

表2 裝置相關(guān)儀表設(shè)備

5 結(jié)束語

EPR機(jī)組超壓保護(hù)方案在CPR基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)組技術(shù)特點(diǎn)，通過自動控制邏輯的合理設(shè)計，消除了一回路水壓試驗過程中的各項超壓風(fēng)險。通過采用機(jī)組正式數(shù)字化控制系統(tǒng)作為超壓保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平臺，保障了系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過合理簡化超壓保護(hù)裝置，在節(jié)約人力和成本的同時，也降低了人因失效風(fēng)險。經(jīng)方案分析以及實(shí)際應(yīng)用表明，該EPR超壓保護(hù)方案正確可行，可為后續(xù)同類型核電站一回路水壓試驗超壓保護(hù)設(shè)計提供一定參考。