漳州核電生產(chǎn)準(zhǔn)備期間大修工期優(yōu)化研究

倪世鋒，危俊恒，劉同康

(中核國電漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

機(jī)組大修工期是影響核電廠機(jī)組的可用率和綜合成本的重要因素，目前國內(nèi)壓水堆的大修經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)十分豐富，國內(nèi)電廠在大修工期優(yōu)化及標(biāo)準(zhǔn)化方面也取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但同世界核電行業(yè)和美國Exelon等公司對標(biāo)，在大修工期上仍有差距。

基于優(yōu)化大修工期的重要性，中國核電在《關(guān)于印發(fā)大修績效提升規(guī)劃的通知》(中國核電安質(zhì)發(fā)(2020)178號)中提出了大修績效提升目標(biāo)。2025年：在確保安全質(zhì)量的前提下，機(jī)組年度大修平均工期控制在27天以內(nèi)，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平；2030年：在確保安全質(zhì)量的前提下，機(jī)組年度大修平均工期控制在24天以內(nèi)，達(dá)到世界先進(jìn)水平；2035年：機(jī)組年度大修平均工期控制在21天以內(nèi)，大修績效達(dá)到世界卓越水平，成為業(yè)內(nèi)標(biāo)桿。這對中國核電各機(jī)組的大修準(zhǔn)備及實(shí)施工作提出了更高的要求，大修工期優(yōu)化勢在必行。

“華龍一號”作為我國自主研發(fā)的第三代核電品牌，機(jī)組的先進(jìn)性也應(yīng)在大修工期上體現(xiàn)。但截至本優(yōu)化研究工作開始時，“華龍一號”示范工程——福清核電5、6號機(jī)組首次大修尚未開展，還沒有成熟的大修經(jīng)驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)。因此，漳州能源在生產(chǎn)準(zhǔn)備期間即組織開展對大修進(jìn)行深入研究，從技術(shù)規(guī)范應(yīng)用、系統(tǒng)改進(jìn)、新技術(shù)的采用以及先進(jìn)大修管理方法等多個方面對大修項(xiàng)目與大修工期進(jìn)行優(yōu)化，旨在創(chuàng)造漳州“華龍一號”機(jī)組首次大修的良好業(yè)績，有助于“華龍一號”機(jī)組在國際上的推廣。

1 技術(shù)路線及方案

大修優(yōu)化專項(xiàng)組運(yùn)用霍爾三維結(jié)構(gòu)的方法論，如圖1所示采取“調(diào)研分析”“吸收轉(zhuǎn)化”“落地應(yīng)用”三個時間維步驟，通過“同行電廠經(jīng)驗(yàn)借鑒”及“漳州系統(tǒng)設(shè)備特性挖掘”兩個研究方向，集合運(yùn)行控制、維修優(yōu)化、試驗(yàn)優(yōu)化、計劃與管理等不同專業(yè)維度，對大修各方面工作進(jìn)行多步驟、多方向、多領(lǐng)域的優(yōu)化研究。

圖1 大修優(yōu)化工作的“霍爾”三維結(jié)構(gòu)Fig.1 Hall 3D model of overhaul optimization

綜合上述思路，主要制定以下技術(shù)路線及方案。

(1)調(diào)研國內(nèi)各電廠大修項(xiàng)目最新技術(shù)應(yīng)用及良好實(shí)踐

目前國內(nèi)壓水堆機(jī)組大修項(xiàng)目設(shè)置愈加科學(xué)，工期也越來越短，其中新技術(shù)的應(yīng)用是大修工期縮短的一個重要原因。因此通過對各電廠大修開展調(diào)研，收集同行大修良好實(shí)踐及新技術(shù)，并對新技術(shù)及良好實(shí)踐進(jìn)行適用性分析，能夠恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用到漳州能源“華龍一號” 機(jī)組大修中。

(2)調(diào)研同行電廠歷次大修主線延誤原因并制定針對性的優(yōu)化提升措施

國內(nèi)各同行電廠在歷次大修中積累了大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)，在大修主線延誤偏差控制方面尤其值得借鑒。對這些經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行細(xì)致分析并制定針對性的優(yōu)化提升措施，可以有效提高大修準(zhǔn)備質(zhì)量。

(3)研究“華龍一號”機(jī)組大修主線及大修項(xiàng)目

漳州“華龍一號”機(jī)組采用融合華龍方案，目前仍處在土建及安裝階段，還沒有自己的大修計劃及大修標(biāo)準(zhǔn)工期?！叭A龍一號”作為我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核電工程，其與M310存在很大差異，而系統(tǒng)設(shè)備的不同將大大影響大修工作的開展。因此，充分了解“華龍一號”系統(tǒng)設(shè)計差異性，合理設(shè)置“華龍一號”機(jī)組的特有檢修項(xiàng)目與邏輯關(guān)系尤為關(guān)鍵。在研究過程中，專項(xiàng)組將對系統(tǒng)不同點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析，編寫漳州核電1、2號機(jī)組的大修規(guī)程及大修邏輯。

(4)通過研究華龍技術(shù)規(guī)范對大修邏輯進(jìn)行優(yōu)化

漳州1、2號機(jī)組的技術(shù)規(guī)格書與M310在體系及使用邏輯上有較大不同，技術(shù)規(guī)格書的差異將對大修項(xiàng)目及大修邏輯產(chǎn)生重要影響。因此，很有必要對相關(guān)影響進(jìn)行專項(xiàng)研究，把這些不同點(diǎn)轉(zhuǎn)化為優(yōu)化大修的突破點(diǎn)是研究的重點(diǎn)。其中大修技術(shù)規(guī)格書與風(fēng)險監(jiān)測器的配合使用是大修研究的一個難點(diǎn)，因此需加強(qiáng)與設(shè)計院的溝通與交流，保證大修項(xiàng)目合理可靠。

(5)制定“華龍一號”機(jī)組大修標(biāo)準(zhǔn)

充分吸收參考電廠經(jīng)驗(yàn)反饋，進(jìn)行大修調(diào)研，將相關(guān)成果整合到漳州核電1、2號機(jī)組大修方案與大修計劃中，確定漳州核電1、2號機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)化大修工期。

(6)結(jié)合漳州核電1、2號機(jī)組調(diào)試工作對部分成果進(jìn)行驗(yàn)證

機(jī)組的調(diào)試過程可對部分大修項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證，通過對漳州1、2號機(jī)組調(diào)試過程的全程參與，對大修優(yōu)化項(xiàng)目與前期成果進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。

2 創(chuàng)新成果與應(yīng)用

第一階段大修優(yōu)化專項(xiàng)組重點(diǎn)從“同行電廠經(jīng)驗(yàn)借鑒”的角度開展大修工期優(yōu)化的工作，通過收集各同行電廠大修總結(jié)及大修優(yōu)化等相關(guān)資料，根據(jù)漳州1、2號機(jī)組的自身特點(diǎn)進(jìn)行專項(xiàng)研究，部分成果如下。

2.1 一回路抽真空裝置的應(yīng)用

(1)項(xiàng)目背景

機(jī)組大修啟動期間，需要對一回路進(jìn)行排氣，其目的是排出一回路空氣以保證主泵的正常運(yùn)行，目前參考電廠主要采用靜態(tài)排氣與動態(tài)排氣的方式。

“華龍一號”機(jī)組三臺蒸汽發(fā)生器倒“U”形管+水室體積約為99 m3，其內(nèi)氣體在靜態(tài)排氣時不能完全排去，常規(guī)排氣通過靜排氣-動排氣-聯(lián)合排氣的方式驅(qū)趕主系統(tǒng)的空氣。其中動排氣和聯(lián)合排氣在含氣量高的情況下點(diǎn)動主泵，一回路壓力下降幅度較大，且多次點(diǎn)動三臺反應(yīng)堆冷卻劑泵才能使一回路含氣量合格。根據(jù)參考電廠大修經(jīng)驗(yàn)，動排氣首次啟動5RCS002PO，在手動提高上充流量的情況下，一回路壓力仍由2.837 MPa降至2.527 MPa，降幅0.31 MPa；停泵后，在手動減少上充流量的情況下,由2.527 MPa升至2.862 MPa，增幅0.335 MPa。

常規(guī)一回路排氣方式存在如下缺點(diǎn)：

1)在含氣量高的情況下頻繁啟動主泵排氣，增大了軸瓦磨損的可能；

2)啟動主泵時一回路為水實(shí)體，控制裕量小，壓力超一回路P-T圖的風(fēng)險高；

3)整個常規(guī)排氣過程預(yù)計用時10～24 h，工序時間長。

為此，通過 “一回路抽真空”的引入，即在啟動主泵前(靜排氣)保證一回路排氣合格，以解決上述問題。

(2)項(xiàng)目方案

通過借鑒同行電廠經(jīng)驗(yàn)，大修優(yōu)化專項(xiàng)組制定方案，首次將 “一回路抽真空裝置”應(yīng)用于“華龍一號”機(jī)組，通過一回路充水前進(jìn)行抽真空，可將排氣過程壓縮至8～12 h，同時避免高含氣量下多次點(diǎn)動主泵對主泵的不良影響。

一回路抽真空排氣在裝料前進(jìn)行，主要步驟為：

1)在假大蓋和穩(wěn)壓器人孔關(guān)閉后將一回路水位降至MLO水位；

2)利用抽真空裝置將一回路抽至17～20 kPa.a；

3)一回路充水至法蘭面水位，保持水位不變，破壞真空至大氣壓；

4)一回路充水至換料水位，開始裝料；

5)壓力容器扣蓋，穩(wěn)壓器人孔關(guān)閉，一回路充水后靜排氣。

各步驟示意如圖2所示。

(3)方案評價及影響

漳州核電選用ZH-65型蒸汽發(fā)生器，一次側(cè)倒“U”形管與水室體積之和約為99 m3。根據(jù)玻義耳馬略特定律：

P0V0=P1V1

式中，P0——采用抽真空方法后蒸汽發(fā)生器倒U形管的壓力；

P1——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下大氣壓，取值為0.1 MPa；

V0——蒸汽發(fā)生器一次側(cè)倒“U”形管以及水室內(nèi)空氣體積為99 m3；

V1——抽真空后剩余空氣體積。

在一回路溫度不變的情況下，得到V1=P0V0/P1，抽真空目標(biāo)不同，剩余氣體體積V1也不同。若將一回路抽真空至17 kPa.a，根據(jù)計算一回路剩余氣體體積為16.83 m3，理論計算通過一回路抽真空排氣滿足系統(tǒng)含氣量要求(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下剩余氣體體積<23.255 m3)。

綜上，通過一回路抽真空排氣的方法，可在啟動主泵前保證一回路排氣充分，實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：

1)有效保證主泵啟動時的安全運(yùn)行；

2)降低主泵啟動時一回路壓力超出P-T圖的風(fēng)險(注：方家山核電抽真空后啟動主泵一回路壓力微降約0.05 MPa)；

3)減少動排氣、聯(lián)合排氣及相關(guān)步驟，節(jié)約關(guān)鍵路徑時間(注：方家山核電抽真空操作耗時約5 h，靜排氣2 h，總計7 h)。

2.2 一回路運(yùn)行P-T圖限值優(yōu)化—RHR運(yùn)行壓力上限提升

(1)P-T圖簡介

一回路運(yùn)行P-T圖坐標(biāo)為一回路溫度及壓力，根據(jù)不同設(shè)計限值繪制不同曲線，由這些曲線組成允許運(yùn)行范圍，即一回路的溫度和壓力根據(jù)機(jī)組狀態(tài)的不同，都應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)。由于該圖形似大刀，故也稱之為“大刀圖”，當(dāng)前漳州能源1、2號機(jī)組P-T圖見圖3。

圖2 一回路抽真空流程示意Fig.2 Schematic diagram of primary circuit vacuum pumping process

圖3 漳州一回路P-T圖Fig.3 Primary circuit P-T diagram of Zhangzhou

圖3中紅圈區(qū)域?yàn)榇蟮秷D“刀背”。其下限線為主泵運(yùn)行最低壓力，由主泵設(shè)計特性決定，漳州1、2號機(jī)組為2.1 MPa。上限線為RHR系統(tǒng)最大壓力，目前漳州1、2號機(jī)組與福清核電M310及華龍機(jī)組均為3.0 MPa。

(2)項(xiàng)目可行性分析

漳州1、2號機(jī)組、福清5、6號機(jī)組、福清M310機(jī)組余排運(yùn)行壓力上限均為3.0 MPa，該限值主要受系統(tǒng)設(shè)計壓力限制，三者相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 RHR相關(guān)限值對照

對比可知：漳州核電機(jī)組余排設(shè)計壓力比福清M310機(jī)組高1.36 MPa，同時漳州余排安全閥定值低于M310機(jī)組，漳州余排有更高的安全裕度，但大刀圖中的限值確保持一致，因此具備提高余排運(yùn)行壓力的可行性。

除RHR系統(tǒng)本身外，還需要考慮提高余排運(yùn)行壓力對一回路的影響。參考溫度-壓力限值報告，在升溫速率為28 ℃/h，壽期為60年條件下，不同溫度下的許用應(yīng)力如圖4中的紅線，對比P-T圖，最窄處為(20 ℃，3.83 MPa)，仍存在提升裕量。

圖4 漳州一回路許用應(yīng)力與P-T圖對照Fig.4 Comparison between Zhangzhou primary circuit allowable stress and P-T diagram

(3)項(xiàng)目成效

首先，機(jī)組上行時汽腔的生成及下行時汽腔的湮滅均在170～180 ℃的范圍內(nèi)，所以，在大刀圖的最窄區(qū)域一回路為水實(shí)體，壓力不易控制。由圖4可知，模式4、5的高溫段為P-T圖的最窄處，同時在該區(qū)域內(nèi)，機(jī)組通常處于持續(xù)的升溫或降溫過程中，溫度變化增加了該階段壓力控制的難度。水實(shí)體下啟停主泵壓力波動大，增大了超出P-T圖的風(fēng)險。

方家山、陽江、紅沿河、嶺澳等電廠均出現(xiàn)在NS/RRA模式(模式4)水實(shí)體階段升降溫過程中超出過 P-T圖的情況；2016年9月28日，某核電在停運(yùn)2號主泵過程中，一回路壓力波動至30.3 bar.a而超出P-T圖。

其次，提升限值可縮短機(jī)組下行時余排連接的工期，執(zhí)行LCO后撤要求時，機(jī)組不必后撤過深。機(jī)組下行時，須降溫降壓到余排可接入的條件下再進(jìn)行余排的預(yù)熱。由于余排運(yùn)行壓力區(qū)間小，為防止超出P-T圖，在接近壓力下限時，必須降低降壓速率，增加耗時。

根據(jù)參考電廠經(jīng)驗(yàn)，在完成安注逆止閥試驗(yàn)后，共花費(fèi)約100 min降壓到余排可連接的壓力平臺，若將余排連接壓力上限提升3.5 MPa，預(yù)計可節(jié)省主線時間40 min。

2.3 增設(shè)ZBR中儲槽至內(nèi)置換料水箱補(bǔ)水管線

機(jī)組換料大修期間，為保證在硼水覆蓋防護(hù)下進(jìn)行燃料操作，需要將運(yùn)行時排空的反應(yīng)堆換料水池(745 m3)、堆內(nèi)構(gòu)件貯存池(1143 m3)及燃料轉(zhuǎn)運(yùn)倉(343 m3)充滿，三個水池總計2231 m3，這部分水主要由內(nèi)置換料水箱提供(IRWST，有效容積2267 m3)。但是，考慮內(nèi)置換料水箱水位過低可能導(dǎo)致下游泵氣蝕，水箱中的硼水不能全部排出，因此僅利用內(nèi)置換料的水難以滿足上述水池充滿的需求，需要考慮其他的硼水來源。

反應(yīng)堆廠房其他具有儲水能力的水池有乏燃料貯存池和乏燃料容器裝載井。其中，乏燃料貯存池需保持滿水以保證輻照燃料次臨界和人員防護(hù)，無法提供水源。乏燃料容器裝載井在換料大修期間不必充滿水，可以提供有效水源，其容積為236 m3。

根據(jù)參考電廠經(jīng)驗(yàn)，在提前將乏燃料容器裝載井制滿水的情況下，由于內(nèi)置換料水箱中的硼水無法全部利用，且硼水會隨著大修試驗(yàn)的進(jìn)行而消耗，導(dǎo)致儲水量無法滿足反應(yīng)堆水池的充水需求，需要額外使用反應(yīng)堆硼和水補(bǔ)給系統(tǒng)RBM通過手動補(bǔ)給制硼補(bǔ)給。這種方式制硼效率低，制硼量和制硼窗口有限，運(yùn)用方式非常不靈活，存在影響工期的風(fēng)險。因此，有必要另辟蹊徑解決以上問題。

考慮到換料大修期間的用硼需求，為增強(qiáng)傳水靈活性，專項(xiàng)組調(diào)研同行電廠運(yùn)行及大修經(jīng)驗(yàn)，在硼回收系統(tǒng)ZBR原有設(shè)計基礎(chǔ)上，推動中儲槽至IRWST的補(bǔ)水管線的增設(shè)。由于ZBR中儲槽有3個，每個硼水貯存量達(dá)到350 m3，傳硼流量最高可達(dá)100 m3/h，且儲槽不受技術(shù)規(guī)格書限制，能夠很大程度提高傳水靈活性，避免主線工期延誤。ZBR中儲槽至內(nèi)置換料水箱補(bǔ)水管線示意圖見圖5。

圖5 ZBR中儲槽至內(nèi)置換料水箱補(bǔ)水管線示意圖Fig.5 Schematic diagram of make-up water pipeline from ZBR middle storage tank to built-in refueling water tank

2.4 其他項(xiàng)目

大修優(yōu)化專項(xiàng)組通過經(jīng)驗(yàn)適應(yīng)性分析及華龍機(jī)組自主性研究，多個優(yōu)化項(xiàng)目正在推動。截至2022年7月25日，包括以上詳細(xì)描述的三個項(xiàng)目，正在推動的大修工期優(yōu)化項(xiàng)目見表2。

3 實(shí)施成效

(1)社會效益

該項(xiàng)目聚焦于縮短大修工期，同時著眼于優(yōu)化大修整體實(shí)施工藝及流程，串聯(lián)起整個機(jī)組各個系統(tǒng)之間的運(yùn)行配合。同時該項(xiàng)目還致力于提高機(jī)組運(yùn)行可靠性，通過一些有力的措施可有效保證設(shè)備的良好運(yùn)行，為核安全提供強(qiáng)有力保護(hù)屏障。

同時該方案還可為國內(nèi)電廠在大修工期優(yōu)化及標(biāo)準(zhǔn)化方面提供新思路，新開工電廠可在生產(chǎn)準(zhǔn)備期間即對大修工期進(jìn)行研究，提前介入機(jī)組大修的相關(guān)工作準(zhǔn)備，制定相應(yīng)的措施優(yōu)化大修工期，為后續(xù)大修計劃的安排和推進(jìn)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

(2)經(jīng)濟(jì)效益

該方案在生產(chǎn)準(zhǔn)備期間即開展對大修工期進(jìn)行多步驟、多方向、多領(lǐng)域的優(yōu)化研究，通過主動分析機(jī)組未來大修項(xiàng)目，并將成果落實(shí)于大修準(zhǔn)備及大修實(shí)施，預(yù)期可有效縮短漳州“華龍一號”機(jī)組大修工期，提高機(jī)組的可用率，降低核電廠總體的運(yùn)維成本，在經(jīng)濟(jì)方面直接帶來可觀的機(jī)組運(yùn)行效益。