福清核电机组压缩空气系统存在的问题及改进建议

2016-12-23秦国强龚正熙郑玉英

湖南水利水电 2016年2期

关键词：常规岛福清核电机组

秦国强　龚正熙　郑玉英

（福建省福清核电有限公司　福清市　350318）

福清核电机组压缩空气系统存在的问题及改进建议

秦国强龚正熙郑玉英

（福建省福清核电有限公司福清市350318）

文章对福清核电机组压缩空气系统的功能和组成进行介绍，并阐述其运行方式。结合福清核电1#、2#机组调试、运行期间压缩空气系统出现的异常事件，指出该系统设计上存在的问题，并给出技术改进建议。同时对压空机故障情况进行分析和讨论，给出提高系统运行可靠性的建议。压缩空气系统是核电机组正常运行的重要支持系统，文章提出的改进建议对于其他同类型核电机组提高压缩空气系统的可靠性、促进核电机组持续安全稳定运行也有良好的借鉴意义。

压缩空气系统运行方式压空丧失存在问题改进建议提高可靠性

福建福清核电厂位于台湾海峡西岸的福建省福清市三山镇，厂址规划建设6台百万千瓦核电机组。其中1#～4#机组为M310改进型压水堆机组。机组工艺系统中使用了大量的气动阀门，并配置有独立的压缩空气生产及分配系统。作为核电机组的支持系统，压缩空气系统的可靠性将直接影响核电机组的安全稳定运行。本文对福清核电1#～4#机组压缩空气系统设计上存在的问题进行探讨，同时给出改进建议。

1　福清核电机组压缩空气系统的功能及组成

福清核电机组压缩空气系统包括：压缩空气生产系统（SAP）、仪表用压缩空气分配系统（SAR）、公用压缩空气分配系统（SAT）。压缩空气生产系统（SAP）的功能是生产福清核电全厂所需要的压缩空气，该系统向以下压缩空气分配管网供气：

仪表用压缩空气分配系统（SAR），用于核岛、常规岛和BOP的气动控制器；

公用压缩空气分配系统（SAT），用于满足所有厂房内动力设施运行和维修的需要。

SAP系统根据“纵深防御”原则，设置了两个部分：

主压空气源（0SAP）：在BOP的ZC空气压缩机房内，设置了6台主压空机，用于为全厂1#～4#机组SAR/SAT系统提供压缩空气。

应急气源（1/2/3/4 SAP）：每台核电机组均在核岛连接厂房内设置了两台应急空气压缩机，用于为本机组SAR系统提供后备气源。

福清核电全厂压缩空气系统接口关系如图1所示。

图1　福清核电全厂压空系统接口简图

2　福清核电机组压缩空气系统的运行方式

1#～4#机组应急压空系统配置均相同，故本文对应急压空系统进行介绍和讨论时，主要以1#机组为例进行说明。

2.1压缩空气系统的基本运行方式

位于ZC厂房的0SAP系统，设置6台主压空机，在设计工况下为4台运行，2台备用。压空机在就地控制主机上投入联控，根据0SAP主压空管网压力信号按顺序自动启停，以维持管网压力在（0.85～1.0）MPa绝对压力。

1SAP系统两台应急压空机设定为一台处于基本负荷模式，另一台处于备用模式。正常情况下，这2台应急压空机均处于停运状态。当主压空系统出现故障，导致下游SAP管网压力降低时，位于连接厂房的两台应急压空机1SAP001CO/002CO将自动启动，保证下游管网压力在要求值：处于基本负荷模式的应急压空机在1SAP管网压力降低至0.68MPa.g时自动启动，若压力继续降低至0.66MPa.g，处于备用模式的应急压空机也将自动启动。另外，这2台压空机也可以由运行人员在核电机组主控室手动启动。

0SAP向 1SAP和 1SAT单向供气。0SAP到1SAP系统的供气管道上设置了电动隔离阀1SAP069VA和逆止阀1SAP071VA。机组正常运行时1SAP069VA处于开启状态，主压空机通过0SAP管网向1SAP/1SAR供气；在压空管网压力低于0.68 MPa.g时，1SAP第一台应急压空机自动启动向1SAR仪用压空管网供气。为避免逆止阀1SAP071VA回座不严影响1SAP对1SAR的供气，主控室操纵员需手动关闭电动阀1SAP069VA。

压缩空气系统中设置了自动控制阀门，可以保证SAP系统按照优先的次序供气，即仪表用压缩空气（SAR）优先于公用压缩空气（SAT）；另外，核岛用气优先于常规岛（汽轮机厂房）和BOP区域的用气。具体设计为：在1SAP通往常规岛供气管线上设置了一个自动调节阀1SAP067VA。当1SAP压空管网压力降低到0.58 MPa.g时，该阀门自动关闭，切断向1#常规岛及BOP仪用压空管网的SAR供气，以确保核岛用气。BOP区域的SAR压力不足时，可以根据需要切换到相邻机组SAR供给。

1SAT系统由0SAP主压空管网供给。当1SAT入口管网压力降至0.76 MPa.g时，入口管线上的气动隔离阀1SAT002VA自动关闭，切断向1#常规岛和BOP等区域的公用压空供气，优先保证其他区域的用气。BOP的公用压空可以根据需要切换到相邻机组SAT供给。

2.2压空丧失的影响

（1）0SAP主压空丧失。

0SAP压空丧失，将导致1/2SAT及9SAT失去压空供应。SAT失去的主要影响有：DVC系统碘过滤器干燥气源丧失，若湿度增加将导致碘过滤器不可用，事故情况下放射性气溶胶进入主控室，将造成主控室区域污染，机组核安全水平降级；DVN碘过滤器回路旁路管线失去正压密封气源，当出现核辅助厂房或燃料厂房出现放射性污染时可能导致未经碘过滤器处理的空气进入大气，造成放射性不可控排放。

另外，0SAP压空丧失，机组应急压空机 1/ 2SAP001CO/002CO将启动。若应急压空机启动故障，则1/2SAP及下游1/2SAR将失压。

（2）1/2SAR压空丧失。

1/2SAR压缩空气分别供给RX、LX、NX、WX、KX等区域的气动执行机构。部分与核安全相关的重要用户，设置了单独的压空储罐，可以为核岛安全级气动执行机构提供持续供气，用于在上游SAR压空丧失时仍能确保这些气动阀门的开关操作，以便实现机组安全后撤到冷停堆状态。

对于没有单独压空罐供应的阀门，当SAR管网压力下降到0.4 MPa.g时，这些阀门将处于故障安全状态，无法进行控制。其中部分设备失气将对机组运行造成重大影响：

①ASG汽动泵入口电磁阀ASG137/138/237/ 238VV失气开启，ASG汽动泵启动。由于ASG泵出口调节阀在机组正常运行时保持全开状态（失去压缩空气后也是保持全开），一旦ASG汽动泵启动，则将以200 m3/h的流量向3台蒸汽发生器中注入冷水，将造成一回路平均温度下降，反应堆核功率异常升高，导致超功率停堆。

②核岛冷冻水系统DEG冷冻机组RRI冷却水阀门失气关闭，冷冻机组全部跳闸，EVR和EVC温度上升，安全壳压力持续上升；当安全壳压力达到0.11 MPa绝压，机组将被迫向维修冷停堆工况后撤。

③乏燃料水池充气装置PTR010CR/011CR失气，KX厂房内的乏燃料水池气闸门密封不严，乏燃料水池向乏燃料转运舱和装载井泄漏，乏池液位下降导致乏池热容量大幅降低，可能出现乏燃料裸露的风险。

④主蒸汽隔离阀气动油泵因丧失压空动力而无法工作，若主蒸汽隔离阀油回路有故障，则油泵不能维持油压，MSIV在油回路油压降到一定值之后自动关闭，将导致机组停堆停机。

⑤设备冷却水系统补水阀RRI105/106VN失气开启，导致波动箱满水溢流；RRI035/036VN失气开启，运行列RRI泵可能超流量损坏，同时RRI用户温度升高，影响核岛设备冷却。

⑥主给水流量控制系统ARE给水调节阀失气关闭，蒸汽发生器水位持续降低，最终触发反应堆停堆。

3　福清核电机组压缩空气系统存在的问题及改进建议

（1）全厂主压空机及附属设备供电关系不合理。

ZC厂房0SAP主压空机组共6台，压空机及附属设备的供电电源分为两个系列：

9LGIA为1/3/5#主空压机供给6.6 kV动力电源，同时通过0LKO 6.6/0.4 kV干式变压器为以下设备提供低压电源：1/2/5#主空压机（控制电）、1/2/5#冷却水泵/干燥器/电动阀（动力电源）、1/3#冷却塔风机。

9LGIB为2/4/6#主空压机供给6.6 kV动力电源，同时通过0 LKW 6.6/0.4 kV干式变压器为以下设备提供低压电源：3/4/6#主空压机（控制电）、3/4/6#冷却水泵/干燥器/电动阀（动力电源）、2#冷却塔风机；图2为0SAP主压空机机附属设备供电关系图。

显然，在这样的供电关系下，若9 LGIA或9 LGIB因某种原因失电，会造成0SAP 4台空压机不能运行，仅剩两台空压机可用。考虑到空压机设备可能开展维保工作，0SAP空压机的可用数量仅为1台，主压空机组作为全厂的总气源，供气量不足会造成1#～4#机组SAP/SAT失气，相应机组的应急空压机启动，导致压空系统长时间偏离正常运行状态。

针对上述问题，需要对0SAP 2#、3#压空机及附属设备电源进行改造。改进方案可选择：

图2　0SAP主压空机机附属设备供电关系

方案一：对0LKO002TB和0LKW002TB上380 V抽屉开关出线电缆重新铺设，将0LKO所带2#压空机380 V电源以及附属设备（干燥器、电动阀、冷却水泵等）电源与0 LKW所带3#压空机380 V电源以及附属设备对调。

方案二：直接将0SAP 2#、3#压空机6.6 kV电源进行对调，即0SAP402CO改为由9 LGIA供电，而0SAP403CO改为由9 LGIB供电。

按照上述两种方案技改都可以实现两列压空机设备所用的6.6 kV和380 V与压空机的对应关系保持完全一致，可以保证单条6.6 kV母线停电只影响3台主压空机，较改造之前多一台主压空机可用。方案二更简单易行，已通过公司内部审查。

但上述改进未能解决9 LGIA或9 LGIB母线清扫工作时压空机重新供电问题，因而为保证0SAP主压空机的可用性，需要对电源9 LGIA、9 LGIB、0LKO、0LKW给与特别关注。母线的停电清扫、消缺等工作需要在合适窗口完成。通过合理安排计划和充分的工作准备，尽量缩短电源停役时间。

（2）应急压空压力表测点不合理。

应急压空系统1SAP设置了一块远传压力表（001 MP），其压力信号用于送到主控室显示，并且当所测压力值低于 0.58 MPa.g时，触发报警1SAP007KA“002BA空气压力低低”。

该表测点位置如图3所示。

图3　1SAP001MP压力表测点位置（初始设计）

显然，该压力表测点位置不合理，导致1SAP001MP不能真实反映1SAP002BA的压力。由于系统设置的逆止阀211 VA，当001 MP压力下降时，002 BA仍可以由全厂主压空系统（0SAP）供气并保持正常压力。福清核电1#、2#机组调试期间都出现过因SAP应急压空机本体漏气而出现1SAP007KA“002BA空气压力低低”报警。

根据福清核电机组运行规程，当机组带功率运行期间出现1SAP007KA报警时，运行人员需执行ISAR1事故处理程序（安全壳外的压缩空气系统故障），将汽轮机手动打闸、反应堆停运到热停堆状态，此外核电厂还需进入应急待命状态。SAP001MP测点错误，会导致在不必要的情况下进入事故处理程序，不但影响机组的稳定运行，还会对电厂造成经济损失。针对该问题，参考同行电站，并且与设计院沟通，将采取如下技改方案来解决：

将1SAP001MP远传压力表接点移至干燥器出口母管上，见图4。

图4　1SAP001MP压力表测点位置（改造方案）

完成技改后，1SAP001MP可以反映1SAP002BA的压力。若出现1SAP007KA“002BA空气压力低低”报警，则说明0SAP以及1SAP压空机运行故障，或SAP002BA相关管线出现大量漏气，无法继续为下游核岛SAR管网供气，需按照相应事故程序进行相应。

福清核电2#～4#机组参照1#机组实施同样的修改。

（3）常规岛仪表用压空系统无备用气源。

如前所述，核电机组仪表用压缩空气供给核岛、常规岛、BOP区域。其中核岛SAR系统设置了几个独立的压空罐，可以持续向核岛安全级气动执行机构供气，从而保证堆芯冷却、反应堆安全停堆到冷停堆工况。常规岛SAR管网由两个压空储罐（1SAR101/ 102BA）供给，单个储罐有效容积为25 m3，可以保证常规岛10 min的正常运行用气量（最低压力按照 0.4 MPa.a计）。常规岛SAR系统不承担核安全功能，但对于保障机组安全稳定运行有重要作用。常规岛仪表用压空系统储气容量较小，没有备用气源，一旦失压将导致常规岛系统不能正常工作。最直接后果是主给水流量调节阀关闭，蒸汽发生器正常给水丧失、水位持续降低，触发保护系统动作，反应堆停堆，汽轮发电机组跳闸。

为避免因常规岛SAR系统故障、失压，导致核电机组被迫停堆、停机，对电厂经济效益造成影响，建议对常规岛SAR系统进行技改，方案如下：

在常规岛到BOP的SAR管线上增加旁通管线，实现两机组常规岛SAR供气可以相互支援。见图5。

图5　常规岛SAR系统改造方案

目前1#、2#常规岛SAR系统通过逆止阀SAR009VA为BOP区域SAR管网供气，为SAR009VA增加旁路管线，当需要时打开，这样就可以实现BOP区域SAR母管到常规岛管线反向供气。旁通管线上设置手动隔离阀（SAR909VA），平时保持关闭。一旦1#机组常规岛压空管网压力不足，在20 min内开启该阀门，由另1台机组常规岛SAR系统通过BOP区域压空母管为本机组常规岛提供压缩空气。同理，2#机组常规岛压空故障时，1#机组SAR也可以通过2SAR909VA为其提供压缩空气。

这样改造后，2台机组常规岛SAR系统互为备用气源，在需要时可以相互支援，避免了常规岛SAR系统故障导致机组被迫停运的情况出现，提高了机组可用率。

4　机组压缩空气系统提高可靠性探讨

福清核电1#、2#机组均已经投入商业运行。2台机组在调试、运行过程中压缩空气系统出现了几次0SAP主压空全部停运、2SAP应急压空机不可用的事件。下面从系统设备管理的角度进行讨论，给出提高系统运行可靠性的建议。

0SAP压空机组全部不可用导致0SAP压空丧失的故障出现了3次。故障原因包括：联控失效，电源丧失，冷却水回路故障。由于压空机和干燥器在联控设定后，需要按照一一对应关系运行，0SAP系统缺陷较多，使得压空机和干燥器的运行相互制约，降低了系统的可用率。缺陷的积累同时叠加上述共因故障，0SAP压空机就可能会出现同时失效，造成0SAP压空丧失事件。

为了减少0SAP压空机及附属设备大面积失效的情况，需在0SAP系统具体运行方式上进行优化。在落实0SAP压空机供电方式不合理技改的同时，还可以通过以下一些措施来提高系统可用性：

提高对0SAP系统缺陷的重视，从及时提出工作申请、合理安排消缺计划、加强备品备件管理等方面确保系统缺陷得到及时处理；

0SAP电源（9LGIA、9LGIB、0LKO、0LKW）的预防性维修工作，需要充分考虑对压空机以及附属设备可用数量的影响；只有满足系统安全运行的需求，方可安排预防性维修，且要将设备不可用时间控制尽量短，以减少随机缺陷造成的系统失效；

注意压空机联控顺序设置的合理性，应考虑将两列母线供电6台压空机按照交叉方式进行设置；另外，在因工作需要部分压空机退出联控状态时，应避免剩余压空机均由同一列母线供电；

0SAP冷却塔运行情况需给与重点关注，特别是因为缺陷累积或当0LKO002TB母线停电造成只有1台冷却塔可用的情况。

2SAP应急压空机曾多次出现不可用，主要原因有：应急压空机组本体漏气、压空机在压力降低自动启动后无法加载、压空机启动后出现排水电磁阀故障保护跳机。为确保SAP应急压空机处于良好、可用状态，运行人员每周执行一次定期试验来进行检查和验证，发现缺陷立即联系专业人员处理。

5　结论

本文结合福清核电1#、2#机组实际运行情况，机组压缩空气系统设计上存在的问题进行了详细的分析和讨论，从系统设计改进和系统运行管理两个方面提出了改进建议。这些建议使福清核电机组压缩空气系统设计得到优化，系统运行可靠性提高，将有助于提升福清核电机组运行业绩，同时对于同类型的其他核电机组也有一定的借鉴意义。

[1]杨兰和.CNP600压水堆核电厂运行（中级）[M].北京：原子能出版社，2009:424-428.

[2]韩玮.压缩空气生产系统设计手册[R].中国核电工程有限公司，2012.

[3]苏冰.仪用压缩空气分配系统设计手册[R].中国核电工程有限公司，2012.

[4]胡文平.仪用压缩空气分配系统设计手册[R].华东电力设计院，2011.

[5]石雪峰.安全壳外的压缩空气系统故障事故处理规程[G].福建福清核电有限公司，2015.