秦山核电自然灾害的预防

2018-01-09周萱

核安全 2017年3期

周萱

(秦山核电,浙江海盐314300)

虽然核电厂在选址上有严格的准则,但较大和极端自然灾害仍然会对核电厂的安全运行构成一定的威胁。

1997年8月18日,11号台风芸妮 (编号9711台风)在浙江温州湾附近登陆,中心风速60 m·s-1,东海上的浪高最大值达到了18米,浙东南、浙中、浙北发生大范围暴雨,黄浦江水位达到300年一遇的罕见高潮。钱塘江北岸的海宁站录得历史最高潮位9.4米,海盐县大部分临江堤塘越顶过水,决口72处约8.5公里,其中2.5公里与海面贯通相平,全县25.5万人全部受灾[1]。秦一厂受芸妮的影响,秦跃线 (2428B相开关)跳闸,秦石线 (2271)对侧跳闸,引起380V淡水I、II段,动力I、II段失电,空压机停运约20分钟,由于未能及时送电启动工业水泵和空压机,造成主给水调节阀失气关闭,引起蒸汽发生器低低液位而停堆、停机。

2004年1月,秦山第三核电厂1号机组因布置在室外的1号蒸汽发生器主给水流量测量管线内结冰,导致主给水流量信号失效,用于蒸发器给水控制的给水流量信号低于实际给水流量,蒸汽发生器实际给水流量增大,当水位上升到2.96米时,汽机自动停机,反应堆中毒停堆。当日现场气温最低为-4.2℃,由于相关管线的伴热丝没有运行和保温材料存在缺陷,最终导致了停堆。

2011年3月11日14时46分,日本本州岛附近海域发生里氏9.0级强震并引发海啸,导致了福岛7级核事故,地震导致15391人死亡,8171人失踪,20余万人撤离[2]。虽然6个反应堆都已实施了封堆措施,但对人类的影响永远无法抹去。

因此,自然灾害的积极预防对核电厂非常重要。

1 秦山地区可能遭遇的自然灾害

自然灾害是指由于自然异常变化造成的人员伤亡、财产损失、社会失稳、资源破坏等现象或一系列事件。对核电厂安全构成威胁的灾害主要有强热带风暴、台风、暴雨、雷电、地震、冰雪灾害等。核电厂所处地理位置不同,受到自然灾害威胁的类型也不同,对秦山地区而言,要重点防范的外部自然灾害是台风、暴雨和雷电,后面将详细论述。

1.1 地震灾害分析

(1)地震活动性分析

在杭州湾及临近区域,自1970年有地震台网观测以来,只记录到46次地震,其中最大一次是1971年普陀4.2级地震,震中距厂址135公里;在距厂址27公里以内,尚未记录到一次2级以上的现代地震。

(2)附近能动断层鉴定

秦山地区的地质调查结论为:

厂址附近范围不存在区域性大断裂,线性地貌不发育,处于相对稳定的构造环境;根据秦山核电附近基岩区断层的测年结果,最新一次的活动年代均大于10万年。

因此,秦山核电附近范围和厂址区内不存在能动断层。地震动参数经概率法计算得到的秦山核电场地地震动峰值加速度为0.11 g,而秦山各核电厂核岛安全有关的建筑物、系统和部件其安全停堆地震 (SSE)为0.15 g。表明秦山地区重要系统设备在抗震方面是安全的。该结论于1985年7月经国家地震局烈度评定委员会审查通过[3]。

以上结论表明:秦山地区在抗震方面具有较高的裕量[4]

1.2 冰雪与火灾分析

秦山地区处于亚热带,冬季气温虽然可能在零度以下,但持续时间较短,因此也不是重点防范的对象;但需要在冬季来临前和低温期间 (11月—次年2月),各处室根据迎峰度冬计划开展自检工作,对室外重要设备的保温情况进行定期检查确认;冰冻天气时,对主变、输电线路进行巡检,与电网保持密切联络,确保输电线路安全。另一方面,虽然秦山地区处于亚热带,但由于常年湿度较大,发生火灾的概率并不大。虽然春节期间三厂曾发生过山火,但经过调查,是一起由于燃放烟花爆竹引起的人因事件。此后,秦山地区加强了山体保卫,每年开展火灾应急演习,有效地防止了此类事件的再次发生。

1.3 台风、暴雨、雷电灾害分析

就台风而言,我国最容易遭受袭击的是浙江、福建、台湾、广东、海南五个沿海省份。据统计,1949年—2014年的65年中,登陆浙江的台风 (不包括热带低压)总共有40个,其中8月最多,7月次之[5],见表1。

表1 登陆台风统计表Table 1 Statistics sheet for landfall typhoon

从登陆强度看,12级台风或以上强度居多,占到了60%。8月登陆浙江的热带气旋中,四分之三以上是台风或更强的强度。此外,40个登陆台风中,有8个为二次登陆。

从登陆时间看,热带气旋最早登陆浙江的时间是2004年7月3日 (“蒲公英”),最晚登陆时间则是2007年10月7日 (“罗莎”)。

其中最为著名的有8个台风[6],见表2。中心气压最低的是1956年8月1日在象山登陆的强台风 (5612号),登陆时台风的中心气压为923百帕,强度最强,造成的灾害也最严重,也是对杭州湾海域产生巨大影响的典型台风。

表2 登陆浙江的强台风 (1949-2014)Table 2 Strong landfall typhoon in Zhejiang province(1949-2014)

台风或热带风暴常常伴有暴雨和雷电,因此在台风期间,还应密切关注海水水位变化、确保厂区排水设施和避雷系统的完整和可靠。

2008年到2013年间,秦一厂30万千瓦的机组5次发生消防水泵在打雷期间自启的现象,最终分析可能的原因是稳压水池液位联锁受雷击影响较大。后经过变更在山顶稳压水池前加装防雷装置,未再发生此现象。

2016年6月1日,秦一厂30万千瓦机组6 k V净水I段1#防雷变电源开关673速断保护跳闸 (1#水线跳闸),巡线未发现异常,最终判断为雷击导致C相电流过大引发保护动作跳闸。

秦山地区曾发生多起雨水通过百叶窗或贯穿件漏进房间,造成房间地面积水而影响安全的事件。2004年9月5日,也曾发生因屋顶、墙体渗漏严重,渗漏的水滴到电气设备上,导致电气设备的绝缘下降的事件。当时,主控触发报警,6 k V安全I段进线开关601跳闸,1#应急柴油发电机自启,610开关自动合闸,柴油机辅助给水泵自启,对机组安全运行造成了一定的影响。1997年到2016年间,仅秦山一厂因极端天气原因而发生设备异常就多达20次,如图1所示。

图1 秦山一厂因极端天气原因而发生设备异常的次数Fig.1 the number of equipment abnormal in Qinshan phase 1

另外,秦山二厂、三厂地势比较高,而秦山一厂地势较低,是一个锅型结构,因此,暴雨期间,要重点防范水淹。

通过以上分析论证,发现台风、暴雨和雷电是秦山地区需要重点防范的自然灾害,也是本文的重点研究对象。

2 自然灾害对核电厂可能带来的后果

台风、暴雨和雷电对核电厂的影响分以下几种情况:

台风刮断输送电缆、雷电引起电力系统中断或者电厂遭水淹引起输电设备的短路等原因而导致电厂失去全部外来电源;

台风引起海浪翻越堤坝,造成电厂大面积水淹、暴雨导致电厂大面积水淹、两者共同作用导致电厂大面积水淹或者重要设备因水淹而失效。

灾害可能导致两种严重后果——全厂断电 (全黑)和水淹 (这两种后果同样适用于地震与海啸)。全厂断电 (Station Blackout,简称SBO),指核电厂失去所有厂外和厂内交流电源,是一个超设计基准工况。反应堆堆芯余热排出所要求的许多安全系统的正常工作依靠交流电源,如果发生SBO事件,将会导致严重的后果;同样地,电厂遭遇水淹也是非常严重的问题,尤其是水淹高度达到设计基准水位时,很多安全系统都已失效,对核安全形成极大挑战。为防范这几种灾害,电厂必须考虑以下几个问题:

失去所有外部电源后,如何确保应急柴油机的紧急启动并较长时间稳定供电;

台风期间,如何防止电厂被水淹;

厂区遭遇水淹时,如何快速排水,确保重要安全系统的可用性。

3 秦山核电应对自然灾害的措施

3.1 确保应急电源的可用性

核电厂厂外电源丧失引发的全厂断电事件是重要程度仅次于冷却剂丧失事故和热阱丧失事故的第3重要始发事件。核电厂交流电源对于电厂的安全运行及事故处理起着重要的作用[7]。正常情况下,厂外交流电源从电网经主输电系统而来,如果因台风、雷电或地震造成主输电系统瘫痪,必须由应急柴油发电机紧急供电。

因此,电厂必须时刻确保应急柴油发电机的可用性,除了定期试验确保其在良好状态外,还应将其安装在安全位置,确保不被水淹。福岛核电站事故就是在失去所有外电源的情况下,海啸又造成除一台应急柴油发电机 (6B)外的所有应急电源丧失,且外部援助无望而酿成的。

秦山地区只有秦一厂是一个湿厂址 (厂坪标高5.00 m,低于设计基准洪水位10.01 m),在增设重要厂房挡水槛等措施后,当厂区水位达到最大可承受水位6.6 m时,高压/低压安注系统、安全壳喷淋系统、应急柴油发电机厂房完全被水淹没 (标高均为5.3 m),只能采用外部电源供电导出余热。为应对全厂断电事件,秦一厂增加了一套非安全级备用交流 (Alternate alternative current,简称AAC)柴油发电机组,以提高核电厂的纵深防御能力。在全厂失电工况下,向安全停堆相关负载提供充足、可靠的电力,保证堆芯的冷却及余热的排出,并确保安全壳的完整性。为防止水淹,柴油发电机组安装在AAC柴油机厂房的2楼 (标高为9 m)。

AAC电源项目的建设对秦一厂是非常重要的,因为AAC电源使300 MW机组在失去所有厂外电源及厂内电源时有备用电源可以为安全停堆所需要的负荷提供必要的电力,增加了纵深防御的手段,提升了电厂的安全性。

由于二厂和三厂的场址标高都超过最大风暴潮引起的潮水位 (10.01 m)。因此,应急柴油机相对安全,但为了防止极端情况下应急柴油机被水淹,二厂和三厂都对应急柴油机房增加了永久防护墙 (具体下文描述)。

另外,经过对秦山地区九台机组的分析评估,秦山核电确定了秦山地区移动设备的配置方案,具体配置方案包括:2台低压 (400 V)移动柴油发电车 (负荷为650 k W)、1台中压(6.6 k V-6.3 k V)移动柴油发电车 (负荷约为1800 k W),2台移动柴油机泵 (额定流量65 m3·h-1,扬程220 m.H2O)。在电厂全黑时,首先考虑机组本身的应急柴油发电机供电,在极端情况下,可启用移动柴油发电车系统,进一步提高了机组的安全性能。

3.2 电厂防洪与防水淹

基于我国沿海区域的历史灾害情况和已有的工程实践经验,秦山核电为了防御设计基准洪水,采取的主要措施包括:

将安全重要物项建在设计基准洪水水位之上,包括考虑风浪影响。

建造永久的外部屏障,如防洪堤、挡浪墙和其他防洪构筑物,并将防波堤作为安全相关物项考虑。

防洪设计中考虑可能产生的局部越浪,以及可能最大降雨产生的局地洪水影响,包括适当的排水设施,相应的应急防洪措施等。

编制了防水淹预案,定期进行相关演习。

3.2.1 秦一厂防水淹的措施及效果评价

在没有改造前,秦一厂辅助厂房和电气厂房挡水槛上沿的标高为6.1 m,当水位超过6.1 m时,布置在电气厂房内的辅助给水泵和布置在辅助厂房的高压安注泵、停堆冷却泵、喷淋泵均淹没失效,因此,秦一厂所能承受的最大水淹高度为6.1 m。因此,在设计基准洪水位时,秦一厂没有抵御能力。因此,秦一厂积极采取了海堤加高、重要厂房封堵等一系列措施。

(1)海堤加高改造

福岛事故后,秦山地区对海堤高度做了重新评估,计算分析及模型试验结果表明秦一厂需要对海堤加固、加高改造,确保越浪量在可控范围内。秦二厂、秦三厂现有防洪(海堤,挡浪墙)设施稳定,不需要进行改造。秦一、二、三厂场坪标高及设计基准水位见表3[8]。

(2)重要厂房封堵设防

在设计基准洪水位时,海水会通过海水泵房的三个滤网开孔进入保护区。因此,增设3.1 m高49-3#号海水泵房挡水墙 (+10.10 m);为了防止挡水墙出现渗漏,威胁一回路海水泵,又在海水泵房内的一回路海水泵坑入口四周加高0.5 m;另外,根据计算,秦一厂整个厂区的可能最大水淹水位为1.43 m(+6.43 m)。考虑一定的裕量,安全有关厂房按照设防高度+6.60 m进行封堵设计。因此,秦一厂实施了安全有关厂房如辅助厂房、主控室、应急柴油发电机厂房等的开口项、通风管道、工艺管道贯穿口、电缆贯穿口等的封堵,同时,改造夏家湾排水闸门,还对截洪沟进行了改造。

表3 秦山地区各核电厂设计基准洪水位的变化Table 3 Variation of flood water level designed for nuclear power plants in Qinshan area:

(3)效果评价

经过厂房封堵改造,秦一厂的最大可承受淹没水位从6.1 m提升到6.6 m。但仍然比设计基准洪水位 (10.01 m)低3.41 m。海堤改造后,所能承受的最大洪水位提高到12.7 m,比设计基准洪水位10.01 m高出2.69 m,表明秦一厂是安全的,见图2所示。

图2 秦一厂水淹裕度Fig.2 Water flooded margin of Qinshan phase 1

3.2.2 秦二厂防水淹的措施及效果评价

上海核工程研究设计院曾做过计算,10.01 m设计基准洪水下,叠加千年一遇降雨情况 (可能最大72小时点雨量等值线图为1400 mm,可能最大24小时点雨量等值线图为1000 mm[11]),分析计算秦二厂厂区积水深度:＜0.70(+11.63)m[12],因此,秦二厂对安全重要厂房进行了改造,如:

将PX泵房 (海水泵房)SEC(安全厂用水系统)泵坑无水密要求的共8台0米以下人员门更换成水密门;LX(电气厂房)-3.4 m层电缆采用MCT模块封堵;安全重要厂房的门窗和孔洞设置挡水板或抬高高度到+11.63 m等。效果评价见图3所示。

图3 秦二厂水淹裕度Fig.3 Water flooded margin of Qinshan phase 2

3.2.3 秦三厂防水淹的措施

秦三厂的厂址地坪标高为11.80 m(黄海标高,下同),高于设计基准洪水位(10.01 m)。上海核工程研究设计院也曾做过计算,在10.01 m设计基准洪水,叠加千年一遇降雨情况下,秦山三厂厂区积水深度:＜0.98(+12.78)m,洪水分别从南北护提内,籍堤顶溢流排入杭州湾[13]。而秦三厂可以利用高位喷淋水箱对蒸汽发生器二次侧注水、利用蒸汽发生器MSSV排放蒸汽导出堆芯余热,可承受的水淹高度达30.18 m。但因为主控室和主控设备间标高为21.22 m,因此,秦三厂能承受的最大水淹高度为21.22 m,表明秦三厂是安全的[14]。见图4所示。因此,秦三厂的改造比较少。只在海水泵房新增2.2 m挡水墙、备用柴油发电机厂房增设1.2 m永久挡水墙,在副控室、应急水泵房、应急柴油机厂房、高压堆芯安注厂房等重要安全厂房周界门开口均采用1.2 m挡水闸门封堵等。

图4 秦三厂水淹裕度Fig.4 Water flooded margin of Qinshan phase 3

3.3 提高快速疏排水的能力

由于秦一厂是个湿厂址,因此主要对其进行研究。秦一厂安全有关建筑物的地面标高为5.300 m。核岛建筑物和厂区前沿滩地的辅助厂房周围的场地的坡度均设计成坡向排水泵房,厂区排水系统采取重力流形式进入排水泵房,然后通过泵房内4台泵的提升排入杭州湾 (每台泵的最大排水量为2.5 m3·s-1,扬程为12 m)。

根据截水沟、排水沟正常排水,排水泵站工作正常的工况计算暴雨量为最不利的情况下,换算成积水标高为5.230 m,低于核岛建筑物地面标高5.300 m。

若考虑截水沟、排水沟正常排水,排水泵站不工作,其积水标高为5.948 m,淹没核岛建筑物地面0.648 m,为此,一厂积极采取措施:在秦山与方家山马鞍形连接处,结合二期厂外道路,开辟梯形断面缺口,并设可能最大降雨量 (Probable Maximum Precipitation,简称PMP)排水沟 (建厂时设计为断面B×H=10×0.55 m,沟底坡度i=0.01,沟底标高为4.100m—4.700 m,目前因为方家山建设时的道路加高建设,深度已有3米有余)作为厂区PMP的排水通道,进一步将雨水经夏家湾排入白洋河内。

另外,在秦山上设置2条截洪沟,拦截山上下来的雨水,排入白洋河 (位置在二厂山洞出口处),确保核岛场地标高5.300 m不受淹没。

此外,电厂还购置了一批移动潜水泵。当厂区积水时,适时安装在排水口,提高排水效率。

综上所述,秦山地区无论在防全黑还是在防水淹方面,都做了充分的准备,设计上可应对极端灾害的影响。

4 结论

(1)福岛事故发生后,国家核安全局组织专家组对秦山核电进行了检查,并最终确定了27个大项,55个子项的评估和技防整改项目,目前已全部完成。主要包括:海堤越浪量计算、海堤加高及挡水墙改造、增设高位柴油发电机、消防改造、提升消氢系统功能、加强补水能力、提高蓄电池能力、加强与气象部门的信息交流等,使秦山核电防全黑、防洪防水淹、防氢爆、事故补水等能力明显提高,从技术上进一步保证了核安全,得到了国家核安全局的认可。

(2)虽然秦山核电为自然灾害的预防做了大量工作,但并非意味着所有问题都会得到解决,例如:虽然为九台机组配备了一台6 k V,1800 k W移动柴油发电机、两台400 V,650 k W移动柴油发电机和两台移动柴油泵。但如果发生多机组事故,这些移动设备可能不足以响应此类事件。与台湾和法国核电厂相比,配置标准是比较低的。

(3)另外,目前移动电源存放的位置较高,在一厂大面积深度水淹等极端情况下,是否可以安全地运输到指定位置,还需要进一步考虑和验证。

(4)安全只能被证伪,无法被证实,自然灾害的预防与应对是一个长期工作,需要常备不懈。秦山核电针对电厂全黑没有进行过应急演习,也没有开展过综合应急演习盲演。万一发生全厂失电,需要在厂房黑暗环境下开展检查、送电、注水等一系列作业,这方面的能力还有待考验。

(5)本文只对秦山核电自然灾害的预防措施做了说明,没有涉及管理流程等内容,但并不代表管理不重要。相反,任何电厂,只有预防措施是远远不够的,还要建立健全应急管理组织体系[15],根据应急预案针对情况的不同,准备好综合应急预案、专项应急预案和现场处置方案等各类应急预案,另外,要有明确、具体的事故预防措施和应急程序等[16]。因此,管理是非常重要的。技术与管理,缺一不可。

[1]国家海洋局.1997年中国海洋灾害公报[DB/OL].北京:国家海洋局,1997[2017-07-18].http://www.doc88.com/p-6941847352711.html.

[2]IAEA.国际原子能机构国际实情调查专家组针对日本东部大地震和海啸引发的福岛第一核电站核事故调查报告[R/OL]Vienna:IAEA,2011[2017-07-18].http://www.doc88.com/p-6641237110784.html.

[3]沈根华,施江,王贵良,等.秦山核电场内应急计划[G].浙江:秦山核电,2016.

[4]徐磊磊,高巍.秦山核电厂抗震裕度初步评价[R].浙江:秦山核电,2012.

[5]中国天气网.1949年来登陆浙江台风总数达40个[G/OL].[2017-07-18].http://news.weather.com.cn/2015/07/2352474.shtml.

[6]中国气象局.浙江省台风年鉴(原始资料)[G/OL][2017-07-18].https://wenku.baidu.com/view/2150397201f69e314332945e.html.

[7]李哲.核电厂丧失厂外电源事件下柴油发电机系统动态响应分析[J].核动力工程,2012,33(1):60-65.

[8]焦健.中核运行防洪设施评估及改进总结报告[R].浙江:中核核电运行管理有限公司,2013.

[9]浙江省水利河口研究院.秦山核电厂一期海堤加高优化方案波浪水槽模型试验报告[R].浙江:浙江省水利河口研究院,2012.

[10]浙江省水利河口研究院.秦山核电厂一期海堤加高优化方案波浪水槽模型补充试验报告[R].浙江:浙江省水利河口研究院,2012.

[11]浙江省水文总站.浙江省可能最大暴雨图集[R].浙江:浙江省水文总站,日期不详.

[12]浙江省水利河口研究院.秦山第二核电厂厂区积水深度专题研究报告[R].浙江:浙江省水利河口研究院,2012.