“华龙一号”机组二次侧非能动余热排出系统运行分析

吴李兴

(福清核电有限公司，福建 福清 350318)

“华龙一号”是自主化先进三代核技术的代表，“华龙一号”机组采用了先进的非能动安全技术，在事故工况下，能够实现应急堆芯冷却，以导出堆芯的衰变余热，保证反应堆的安全。非能动安全系统的优点是简化专设安全措施，减少人员干预而可能产生的误操作，提高核电厂的固有安全性[1]。

1 系统概述

蒸汽发生器二次侧非能动余热排出系统(PRS)是华龙一号机组最主要创新设计之一。在发生全厂断电事故工况下，或在丧失全部给水事故工况下，PRS系统投入运行，通过蒸汽发生器(SG)以非能动的方式导出堆芯余热及反应堆冷却剂系统各设备储热，在72 h内将反应堆维持在安全状态[2]。PRS非能动安全技术的应用，提高了系统安全性。

PRS系统设置三个系列，每个环路的蒸汽发生器二次侧都设置一个非能动余热排出系列，每个系列按照反应堆额定功率的0.5%设计(0.5%FP)，即15.3 MW。每个系列包括一台应急余热排出冷却器、两台应急补水箱和一个换热水箱以及必要的阀门、管道和仪表。

以1号蒸汽发生器系列为例，从蒸汽发生器出口的蒸汽管线上引出的PRS系统蒸汽管线贯穿安全壳后通过一台常开的电动隔离阀PRS101 VV，阀后分成两个支路，一个支路连接应急余热排出冷却器PRS101RF，另一个支路与两台应急补水箱(PRS101BA和PRS102BA)连接，两台应急补水箱上游共用一台电动隔离阀PRS108 VV，平时处于开启状态。PRS101RF和应急补水箱下游各设置两台并联的电动隔离阀(PRS102/103 VL，PRS106/107 VD)，平时关闭状态，PRS投入时开启，冷凝水管线与蒸汽发生器给水管道相连，如图1所示。

图1 PRS系统示意图(1号蒸汽发生器)Fig.1 PRS system diagram(NO.1 steam generator)

PRS系统投入时，打开应急余热排出冷却器下游隔离阀PRS102 VL/103 VL，使SG1出口蒸汽经PRS系统蒸汽管线进入应急余热排出冷却器PRS101RF的管侧，蒸汽将热量传递给换热水箱后冷凝为水，返回蒸汽发生器二次侧。应急补水箱下游隔离阀PRS106 VD/107 VD在PRS启动信号延时60 s后自动开启，将应急补水箱中的水注入蒸汽发生器二次侧，补偿PRS运行期间蒸汽发生器二次侧水位的降低。应急补水箱水位低(定值2%)信号发出后，应急补水管线的隔离阀PRS106 VD和107 VD以及应急补水箱上游管线隔离阀PRS108 VD自动关闭，以避免蒸汽旁通进入补水箱[3]。

PRS的上述电动隔离阀均为直流电动阀，由72 h直流电源系统(ETE、ETF)供电，确保这些阀门在全厂失电事故后72 h内能可靠动作，确保PRS系统可靠运行。

2 正常运行分析

2.1 系统状态

在机组正常运行和设计基准事故下，PRS系统隔离不运行，系统处于备用状态。以1号蒸汽发生器对应的系列为例，各设备状态如下所示。

(1)蒸汽管线上隔离阀PRS101 VV和应急补水箱上游隔离阀PRS108 VV处于开启状态；

(2)冷凝水管线的隔离阀PRS102、103 VL处于关闭状态；

(3)应急补水箱出口隔离阀PRS106/107 VD处于关闭状态；

(4)换热水箱的水位处于高水位到高高水位之间；

(5)换热水箱内的水温不高于50 ℃；

(6)应急余热排出冷却器必须处于可用状态；

(7)应急补水箱的水位处于高水位到高高水位之间。

对于应急补水箱，最初的设计是：在反应堆初始启动前，需要为应急补水箱充水，水源为核岛除盐水系统(WND)，充水完成后，关闭补水管线隔离阀PRS151/152 VD，将应急补水箱的补水接口用盲法兰连接，如图2所示。

图2 应急补水箱充水管线示意图Fig.2 Schematic diagram of water supply pipeline of emergency make-up water tanks

正常运行期间，应急补水箱PRS101/102BA处于高水位到高高水位之间，保证足够的水装量，确保PRS投运时，将足够的水注入蒸汽发生器二次侧，补偿PRS运行期间蒸汽发生器二次侧水位的降低。

2.2 存在的问题

2.2.1 水位监视

每个应急补水箱上设置了一块液位计，并且仅设置低水位报警，无高水位报警，无高高水位报警。

鉴于PRS应急补水功能的重要性，而设计上不考虑在正常运行期间对应急补水箱补水，若系统存在泄漏或系统误动，可能导致应急补水箱水装量不足，而此时无法触发水位非高的报警，不能及时提示运行人员。

一旦应急补水箱液位降低至液位低定值(2%)以下，将触发应急补水箱进出口阀门隔离，PRS系统的正常功能将无法保证。

改进建议：设置非高水位报警，一旦应急补水箱液位低于正常值，触发报警，能够提醒操纵员液位异常。

2.2.2 水位计配置

以1号蒸汽发生器对应的系列为例，按照设计逻辑，当应急补水箱PRS101BA或PRS102BA任一水箱水位低(定值2%)，将触发PRS106 VD/107 VD/108 VV关闭，如图3所示。

图3 PRS106 VD/107 VD/108 VV逻辑示意图Fig.3 Logic of PRS106 VD/107 VD/108 VV

由于PRS101BA、PRS102BA各设置了一块液位计，当PRS104 MN与PRS105 MN任一液位计发生故障如仪表低漂，触发PRS106 VD/107 VD/108 VV保护关闭，主控无法远程开启，导致本环路的PRS应急补水箱无法在PRS启动时向SG注水。

图4 PRS106 VD/107 VD/108 VV修改后逻辑图Fig.4 Suggested schematic diagram after logic modification of PRS106 VD/107 VD/108 VV

改进建议：

方案1：对应急补水箱增设液位计，每个应急补水箱设置三块液位计，改进低液位触发逻辑，由当前的1/2运算逻辑，调整为每个应急补水箱2/3运算后,再两个水箱间1/2运算。

方案2：保持原有设计的情况下，对每个应急补水箱增设一台就地液位计，当远程液位计故障时，通过就地液位计核实应急补水箱真实液位，给操纵员提供参考。当PRS104 MN与PRS105 MN任一液位计发生故障，操纵员核实就地液位正常后，必要时可以手动操作PRS106 VD/107 VD/108 VV，以确保PRS系统功能得到保障。

方案3：同时实施方案1和方案2，既改进液位计逻辑(增加远程液位计)，也增加就地液位计。实现逻辑变更，同时保证就地可监测。

2.2.3 充水水源

(1)初始设计的问题

PRS系统应急补水箱充水水源为核岛除盐水系统(WND)，与二回路水质如pH存在较大的差别，一旦应急补水箱投入向蒸汽发生器注水，将导致二回路水质受影响。

改进建议：更换充水水源，采用与二回路水质一致的水源对应急补水箱供水，如常规岛除盐水分配系统(WCD)、启动给水系统(TFS)、凝结水抽取系统(TFE)或辅助给水系统(TFA)等。

在该问题提出后，设计院认识到原充水水源设计存在问题。在最新的图纸中，应急补水箱水源已经改变，现在为TFA系统。

图5 应急补水箱充水管线示意图(改进后)Fig.5 Schematic diagram of water supply pipeline of emergency make-up water tanks (after improvement)

(2)水源改TFA后的风险

改TFA系统向PRS充水仍然存在如下问题。

1)TFA泵压头较高(一般情况下均大于10 MPa)，高于PRS系统设计压力8.5 MPa，故PRS系统存在超压的风险。所以，使用TFA系统对PRS系统充水时，应节流控制，充水流量尽量小。

2)TFA系统作为专设安全设施系统，额外承担对PRS系统应急补水箱充水功能，其专设安全设施的功能受到影响，如导致TFA系统水池水装量下降，使其安全功能受影响。

3)TFA泵压头较高，在某些情况下TFA泵启动，若PRS应急补水管线阀门被误开启，很容易造成PRS系统超压。

4)PRS应急补水箱充水管线阀门为常关阀门，启动TFA泵后，阀门前后压差大的情况下可能无法开启；而一旦先将充水管线的常关阀门开启再启动TFA泵，有可能造成PRS系统超压。

改进建议：将PRS系统应急补水箱充水水源单路TFA改为两路供水——辅助给水系统(TFA)和常规岛除盐水分配系统(WCD)。在机组停运阶段的低状态，使用常规岛除盐水分配系统(WCD)向PRS应急补水箱充水；保留TFA向PRS补水手段，在高状态下利用TFA压头能实现向PRS补水。此外，需要对PRS应急补水箱充水管线的阀门实施行政隔离，防止人为误操作，避免PRS系统超压。

2.2.4 水位异常降低后的补水

应急补水箱主要功能是用于PRS系统运行期间向蒸汽发生器注水，其容积设计的基准为：能够补充主蒸汽隔离阀关闭前损失的蒸汽量、事故初期由大气旁路释放阀释放的蒸汽量以及PRS系统运行期间由于蒸汽发生器二次侧水密度变化引起的水体积减小。

在反应堆初始启动前，需要为应急补水箱充水，充水完成后，关闭补水管线隔离阀，原有设计上并未考虑正常运行期间对应急补水箱进行补水。

但是，在某些情况下，会出现应急补水箱液位低于要求值，如：PRS系统意外动作、应急补水管线泄漏、蒸汽管线泄漏等。

若在正常运行期间，需要对应急补水箱补水。可能的方案如下所示。

方案1：将PRS系统与蒸汽发生器隔离，启动辅助给水泵，对应急补水箱补水。

方案2：将机组后撤至不需要PRS系统的状态，即蒸汽发生器退出的状态(模式4及更低的状态)，消除故障，再对应急补水箱进行充水。

3 系统误动作分析

PRS系统误投入事故可能由操纵员误动作、误信号或隔离阀误开启引起。PRS系统误投入将导致建立通过蒸汽发生器、蒸汽管道、二次侧余热排出热交换器和冷凝水管道的自然循环流道。

该事故引起的反应堆冷却剂系统升温后果可以被汽轮机事故停机所包络。该事故引起的反应堆冷却剂系统降温速率和幅度远低于蒸汽系统管道破裂事故，因此该事故所引起的反应堆冷却剂系统降温过程中的堆芯最小DNBR可以被蒸汽系统管道破裂事故的值所包络。

从事故分析的角度，PRS系统误动作能够被其他事故所包络，本章将着重分析正常功率运行期间PRS误动作后对机组运行的影响，以及运行人员响应时的关注内容。

3.1 逻辑动作

3.1.1 启动逻辑

PRS系统可在下述两种事故工况下由自动信号触发启动。

(1)全厂断电事故且辅助给水系统(TFA)汽动泵系列失效。在这种假想事故发生后，反应堆冷却剂泵停运，反应堆自动停堆，同时蒸汽发生器给水全部丧失。

(2)正常给水(TFM)或启动给水系统(TFS)丧失，随后辅助给水系统(TFA)未能启动；或者正常给水系统不可用情况下，辅助给水系统在运行过程中丧失。

针对上述两种事故，PRS系统在以下信号全部出现后自动投入运行：(1)一台SG水位低低出现8 min并延迟45 s，或一台SG水位低低且同一台SG给水流量低，并延迟45 s；(2)三台SG辅助给水总流量低；(3)三台SG水位低三。逻辑简图如图6所示。

图6 PRS启动逻辑示意图Fig.6 PRS startup logic

3.1.2 动作逻辑

根据目前的逻辑设计，PRS启动信号，分别送往TSM/TFA/PRS。

根据逻辑，PRS启动信号触发以下动作。

(1)对TSM系统，隔离主蒸汽管线：关闭主蒸汽隔离阀TSM001/002/003 VP、关闭主蒸汽隔离阀旁路阀TSM140/141/142 VV、关闭蒸汽管线疏水阀TSM130/230/330 VL。

(2)对TFA系统，将主蒸汽向TFA汽动泵供汽管线隔离：保护关闭TFA081 VV。

(3)对PRS系统，投入PRS应急补水箱和冷凝水管线：A列动作保护开启PRS102 VL/202 VL/302 VL，延时60 s保护开启PRS106 VD/206 VD/306 VD；B列动作保护开启PRS103 VL/203 VL/303 VL，延时60 s保护开启PRS107 VD/208 VD/308 VD。

3.2 影响分析

3.2.1 主蒸汽隔离阀关闭

在正常功率运行期间，主蒸汽隔离阀保持开启状态，以保证蒸汽发生器产生的蒸汽送往包括汽轮机在内的各个下游用户。

若在功率运行时，三个主蒸汽隔离阀均突然关闭，主要事件序列如下所示。

(1)主蒸汽隔离阀关闭，主蒸汽流量骤降，主蒸汽压力上升；

(2)对一回路排热能力不足，稳压器压力升高，稳压器压力高或超功率ΔT触发反应堆停堆、汽机停机；

(3)蒸汽发生器因水位压缩而降低，SG水位降低至-1.26 m，触发反应堆停堆、汽机停机；

(4)主蒸汽压力升高，蒸汽排大气系统(TSA)大气释放阀开启；

(5)辅助给水泵启动，向蒸汽发生器供水；

(6)状态趋于稳定后，通过调节TSA导出一回路热量，可将机组维持热停堆或冷却后撤。

3.2.2 TFA汽动泵供汽管线隔离

正常功率运行情况下，PRS系统启动信号导致TFA081 VV保护关闭，TFA系统汽动泵自TSM进汽被隔离，TFA系统两台汽动泵不可用。因TFA系统电动泵仍然可用，故PRS系统误启动对TFA系统的影响是导致机组安全裕度降低，对于机组状态无直接影响。

3.2.3 PRS系统投入

正常功率运行情况下，PRS系统启动信号触发PRS系统应急补水箱出水阀开启，以及热交换器冷凝水阀门开启，PRS管线与主给水管线连通。而此时主给水泵在运行，主给水泵出口压头(近似，可能有一些管线压降损失)若高于PRS系统向蒸汽发生器注水压头，则PRS系统并未向蒸汽发生器注水成功。针对主给水泵出口压头是否会高于PRS注水压头，分析如下所示。

正常运行期间，主给水泵转速调节系统保证水汽压差(主给水母管与主蒸汽母管之间的压差)实测值与整定值一致，那么在稳态时，主给水母管压力必然高于主蒸汽压力，而PRS系统与蒸汽发生器蒸汽侧相通，即PRS系统压力低于主给水母管压力，那么在这种情况下，开启PRS系统向蒸汽发生器注水阀后，并无水实际向蒸汽发生器注入。

PRS启动信号触发主蒸汽隔离后，水汽母管压差实测值不能代表主给水母管压力与蒸汽发生器出口蒸汽压力值，并且该水汽压差实测值会是一个较大的值，并远大于整定值，于是主给水泵转速会不断降低，直至最低转速。主给水泵转速控制原理如图7所示。

图7 主给水泵转速控制原理图Fig.7 Speed control schematic diagram of main feed water pump

由于主给水泵转速降低，于是主给水泵出口压头下降，当压力降到PRS系统压力时，PRS系统开始向蒸汽发生器注水。注水对反应堆的影响类似于辅助给水进入蒸汽发生器，造成对一回路的冷却。

由于主给水泵转速降低，而导致蒸汽发生器供水不足，造成蒸汽发生器水位低，进而引起TFA泵启动，当TFA泵启动后，主给水母管压力升高，又会导致PRS应急补水箱及冷凝水无法注入蒸汽发生器，此时实际上PRS系统机组运行不造成实质影响。在这种情况下，操纵员应及时将PRS系统隔离，使用TFA/TSA系统导出堆芯余热。

3.3 误启动后的恢复

虽然PRS误启动可以被其他事故所包络，但目前无专门针对PRS误启动的规程，在事故中若无明确的规程指导如何隔离PRS系统。

按照前文的分析，功率运行时，PRS系统误启动将触发反应堆停堆。停堆后，运行人员将进入SEOP规程——E0(停堆或安注)，以确认电厂的自动保护系统动作正确，并评价电厂状况并确定合适的最佳恢复规程。然而，当前的E0规程中并未考虑由于PRS误启动而引起反应堆停堆，缺少对PRS系统状态确认和隔离的内容，规程无法准确应对由于PRS误启动而造成的停堆。

改进建议：一方面，应修改E0规程，加入PRS系统是否启动的判断，以便有效识别停堆原因，并引导下一步工作；另一方面，应该编写PRS系统隔离的规程，以指导操纵员及时、正确隔离PRS系统。

隔离PRS系统的操作规程至少应包括以下三点。(1)复位PRS启动信号；(2)关闭PRS系统阀门；(3)根据需要恢复PRS启动信号动作的TSM/TFA系统设备。需关闭的PRS系统阀门如表1所示。

表1 隔离PRS系统阀门列表Table 1 List of the valves for PRS isolation

隔离PRS系统后，需进一步考虑的问题——机组状态稳定后如何对PRS系统补水，这一点在前文2.2.4节中已做过分析。在目前的规程文件中无相关内容，需要明确。

3.4 避免PRS误启动

正常运行期间，除了PRS信号触发导致系统启动，也有可能由于机组状态的变化引起了触发PRS动作信号条件满足而导致PRS启动。特别要注意的是，机组下行期间，对蒸汽发生器排空过程中，将会出现SG水位低且无给水流量的情况，这将触发PRS启动信号。此时PRS启动虽不会引起机组大的瞬态，但导致排空蒸汽发生器工作被影响。

建议：在机组下行期间，对蒸汽发生器排水前，需要实施临时控制变更，闭锁PRS系统启动信号，以避免PRS启动带来不必要的干扰；或者对PRS自动启动信号增设手动闭锁的手段，如图8所示。目前的规程中无相关内容。

图8 增加手动闭锁逻辑示意图Fig.8 After added manual locking logic diagram

4 事故运行分析

4.1 蒸汽发生器的隔离

由于PRS系统的存在，相对于M310机组，“华龙一号”机组事故中的控制相应发生了一些变化。最明显的如发生蒸发器传热管损坏(SGTR)事故、主蒸汽管线破裂事故时，需要隔离故障蒸汽发生器。在原有的设计中，对蒸汽发生器隔离操作未考虑隔离PRS系统，这将导致故障蒸汽发生器隔离不完整。

对此，我们分析到隔离故障蒸汽发生器不完整的问题，并提出了建议：加入隔离PRS系统的操作。该建议得到设计院采纳。

目前，“华龙一号”机组SEOP规程中涉及需隔离PRS系统的规程如表2所示。

表2 涉及需隔离PRS系统的SEOP规程列表Table 2 List of SEOP procedures involving PRS system to be isolated

事故中若要完整隔离故障蒸汽发生器，主要涉及的动作如下：主蒸汽隔离阀、主蒸汽旁路隔离阀、主蒸汽疏水阀、汽动辅助给水泵供汽阀、大气排放隔离阀、辅助给水调节阀、辅助给水电动隔离阀、排污隔离阀、PRS系统阀门、主给水隔离阀、主给水旁路隔离阀。

存在的问题：隔离故障蒸汽发生器相关PRS系统阀门后，若触发PRS启动信号，将导致故障蒸汽发生器隔离被破坏。

改进建议：对PRS自动启动信号增设手动闭锁的手段，在需要隔离蒸汽发生器时，将PRS自动启动信号闭锁，在需要启动PRS系统时，通过手动信号启动。此外，实施PRS自动启动信号增设手动闭锁的手段，也可作为3.4节机组下行时防止PRS误启动的防范措施。

4.2 SEOP规程分析

除了4.1节中提出的蒸汽发生器隔离的问题外，在SEOP规程中还存在其他一些问题。

某些情况不希望RPS启动，但由于PRS自动信号可能导致其启动。因而应考虑对PRS自动启动信号增设手动闭锁的手段。如所有蒸汽发生器不可控泄压(E51)规程，若规程入口为E05(再诊断)，三台蒸汽发生器液位均低于-1.44 m，根据规程要求，操纵员将三台蒸汽发生器辅助给水流量减小至要求6 m3/h，随后蒸汽发生器水位继续降低，直到三台蒸汽发生器水位均小于-1.62 m，将触发PRS启动信号。类似的问题在其他规程如堆芯冷却恶化响应(F21)、堆芯冷却不足响应(F22)规程中也存在。

另外，某些规程中PRS动作后的状态恢复不完整。例如在失去二次侧热阱(F31)规程中，恢复TFA汽动泵前仅开启了主蒸汽供汽阀门TSM127/128/129 VV，但未要求开启PRS信号关闭的TFA081 VV(进汽总管上的阀门)。故当PRS启动信号已复位或闭锁的情况下，在恢复TFA汽动泵前，增加操作步骤——开启TFA081 VV。

5 结论

华龙一号机组增加的PRS系统，虽然能够有效缓解全厂失电及丧失全部给水事故，但PRS系统在正常运行配置及逻辑设计存在不足，以及电厂事故运行时由于新增该系统而引入了其他控制影响。通过论证分析发现，PRS系统应急补水箱的补水水源设计不足，应急补水箱水位监视和动作逻辑的不足；事故情况下，存在一些问题：蒸汽发生器隔离缺少隔离PRS系统而不完整，缺少复位PRS启动信号操作使后续恢复TFA/TSC等受影响，PRS启动信号可能无法复位而导致控制困难，事故控制中可能触发不必要的PRS启动。

论文主要的建议包括三方面：一是改进系统设计，建议增设应急补水箱水源、增加应急补水箱水位监测手段和改进水位动作逻辑等；二是建议完善程序主要是SEOP规程，增加复位PRS信号的操作；三是建议逻辑改造，增加PRS闭锁信号，避免不必要的PRS启动。从而达到降低PRS误启动概率和启动后对机组影响，同时增加了可操作性的效果。