华龙一号电气厂房冷冻水系统切换运行逻辑分析及优化

胡靖 郑仕建

（中国核电工程有限公司华东分公司 浙江嘉兴 314000）

1 功能介绍

电气厂房冷冻水系统（WEC）为一个封闭式的冷冻水运行回路，其正常功能是将电气厂房中下列通风空调系统冷却盘管和中、低压安注泵电机冷却时所带回的热量，通过冷水机组或风冷机组传递给设备冷却水系统或室外大气，以确保核电机组的主控室、电气厂房控制柜间内的DCS设备、应急硼注入系统及中、低压安注泵的正常运行及主控室操作人员的可居留性［1］。

电气厂房冷冻水系统为电气厂房的下列通风空调系统的冷却盘管和中低压安注泵提供7℃的冷冻水。

VCL：主控制室空调系统。

VEC：控制柜间通风系统。

VMO：安全厂房机械设备区通风系统（033 RF/233 RF）。

RSI：安全注入系统中、低压安注泵电机（RSI001 MO/002MO/003MO/004MO）。

在丧失热阱（H1工况）或SBO工况下［2］，风冷式冷水机组（WEC003GF）和相应的冷冻水循环泵（WEC003PO）工作。在丧失全部热阱工况下，为VCL系统、VEC系统及RSI系统中、低压安注泵电机冷却提供冷冻水［3］，以确保主控室、DCS机柜及安全注入系统的正常运行。在SBO工况下，向VCL、VEC系统提供必要的冷冻水，从而保证主控室和DCS机柜的正常运行。

WEC 系统水冷式冷水机组和冷冻水循环泵为2×100%冗余设置，丧失全部热阱工况是一个超设计基准的事故工况，根据单一故障准则要求，风冷式冷水机组（WEC003GF）、水泵（WEC003PO）、阀门、管线和部件等无冗余设置为非安全级的设备，同时承担着向中、低压安注泵提供冷冻水的职能，该系列设备具有抗震1类要求，系统流程如图1所示［4］。

图1 WE C 系统流程示意图

2 系统工况运行及切换

2.1 正常运行工况切换方式

正常运行时，两台冷水机组（WEC001GF/002GF）和两台冷冻水泵（WEC001PO/002PO）一用一备，当运行冷冻机组因故障停机、电源切换等原因需要切换机组运行时，此时，需运行操作人员在就地或主控对备用冷水机组进行切换运行，切换逻辑如图2所示。

图2 正常运行工况切换简图

2.2 丧失热阱工况和SBO工况运行切换方式

当机组丧失全部热阱时（水冷机组失去冷却水），冷水机组将自动保护停机，系统功能只能通过供水支管上设置的冷冻水储罐（WEC002BA），通过冷冻水泵循环使系统功能得到暂时维持，此时，需要运行人员在短时间内启动风冷式冷水机组（WEC003GF）和相应的冷冻水循环泵（WEC003PO）运行，以维持系统功能，切换逻辑如图3所示。

当机组触发SBO 工况时（全厂正常电源和6.6KV柴油发电机不可用），A/B 列水冷机组自动停机，风冷机组（WEC003GF）和冷冻水泵（WEC003PO）由400V小柴进行供电，此时，需要运行人员在短时间内启动风冷式冷水机组（WEC003GF）和相应的冷冻水循环泵（WEC003PO）运行，以维持系统功能，切换逻辑如图3所示。

图3 丧失热阱和SB O 工况切换简图

3 工况切换运行逻辑存在问题

通过图3可知，当机组触发SBO 工况和丧失全部热阱工况时，A/B列水冷机组将全部丧失制冷功能，此时，需要运行人员及时进行干预并按照如下操作流程就地启动风冷机组运行。

（1）确认A/B 列冷水机组已停运（WEC001/002GF）。

（2）就地或主控停运冷水机组对应冷冻水泵（WEC001/002PO）。

（3）手动切换风冷列冷冻水泵进出口隔离阀状态。

（4）就地或主控启动冷冻水泵（WEC003PO）。

（5）就地或主控启动风冷机组（WEC003GF），水冷机组接收到启动命令后进行自检（持续时间2～3min），确认无故障启动加载，直至机组满负荷运行。

执行上述（1）～（5）操作步骤，从人员准备至人员到达操作现场，根据过往机组运行经验，此过程需耗时10～15min 方可切换完成。而此切换时间仅指备用机组处于热备用且无故障状态的切换时间，在实际操作过程中，备用机组存在由于各种故障而在短时间内无法启动的情况，此时，所需时间远远大于10～15min。在此功能切换过程中，下游通风系统热负荷由供水支管上设置的冷冻水储罐（WEC002BA）进行循环冷却，以维持主控室、计算机室和DCS相关房间的温升。

根据某核电厂5、6号机组冷冻水储罐容量试验结果可知，从冷水机组停运至下游用户中房间温度最快达到限值时所用时间为39min 和55min，具体结果如表1所示。根据结果可知，在备用机组处于正常可用状态下，冷冻水储罐容量能够满足机组切换所需时间，但此切换过程也会导致热负荷房间局部温升。若备用机组由于初始条件不满足或故障而短时间内无法启动，则会导致热负荷房间快速温升，情况严重，则会导致房间结露。由于冷冻水泵、水冷机组与风冷机组之间无法实现自动切换运行，切换前需要当班操作人员去现场进行故障确认和设备状态确认后手动执行上述（4）～（5）步，既费时，又耗费人力、物力，与实现可控的自动化控制水平存在差距。

表1 冷冻水储罐容量试验表

由于WEC 系统是安全相关系统（VCL）的支持系统，对核电机组的安全运行起着关键作用［5］，因此，WEC 系统的丧失是不能接受的。为了应对各工况下系统功能的快速切换和系统稳定运行，对控制逻辑进行优化显得尤为重要。

4 工况切换运行逻辑优化方案

根据WEC水冷机组和风冷机组自身控制逻辑，为实现机组间的自动切换，可以考虑使用冷却水断流信号、冷冻水断流信号和冷水机综合故障信号来联锁风冷机组启动。

4.1 方案一：冷却水断流保护信号联锁风冷启动

设备冷却水作为将水冷机组热量最终传递至大海的中枢介质，直接影响水冷机组安全运行。按照系统逻辑，当A列触发冷却水，断流保护会自动联锁A列冷水机组停运；当B列触发冷却水，断流保护会自动联锁B 列冷水机组停运。在机组正常运行期间，若发生单列失去冷却水故障，则由运行人员启动备用列冷冻机组运行即可。当机组丧失全部热阱工况时，A/B 列冷却水同时触发断流保护，则可把两列冷却水断流保护信号作为风冷机组的启动信号，联锁风冷机组启动，从而试验逻辑联锁。

4.2 方案二：冷冻水断流保护信号联锁风冷启动

冷却水作为冷源的传递者和下游用户热量的回收者，其功能也直接影响冷水机的安全运行。冷冻机组运行期间，出现冷冻水断流保护的主要原因一般表现为冷冻水泵故障停机、冷冻水泵失去动力和控制电源、冷冻水供水管出现跑水（导致管网压力低）几种情况。A/B列任一路冷冻水断流保护也会自动联锁对应列水冷机组停运。当机组触发SBO 工况时，A/B 列冷冻水同时触发断流保护，则可把两列冷冻水断流保护信号作为风冷机组的启动信号，联锁风冷机组启动，从而试验逻辑联锁。

4.3 方案三：冷水机组综合故障信号联锁风冷启动

引发冷水机组综合故障报警的原因种类繁多［6］，如表2所示，任何单一故障报警均可联锁冷水机组保护停机。可采用“冷水机组综合故障”反馈信号联锁风冷机组（WEC003GF）和冷冻水泵（WEC003PO）启动［7］。当在运行列和备用列的水冷冷水机组故障停机时，通过故障反馈信号，联锁风冷机组和对应冷冻水泵启动。

表2 冷水机组综合故障报警汇总表

为防止冷冻机组本体由于冷冻水、冷却水流表计飘表或瞬时触发流量低等因素误产生综合故障报警信号，采用5s延时对综合故障进行延时判断。当故障时间超过5s 后，自动联锁冷冻水泵启动，当冷冻水泵启动反馈至风冷机组后，延时3s，联锁风冷机组启动进行逻辑控制［8］，具体控制逻辑如图4所示。风冷机组运行后，可安排当班操作人员进行现场运行状态确认和检查，当SBO工况和丧失全部热阱工况解除后，视情况将风冷机组切换至冷水机组运行。

图4 工况切换逻辑控制原理图

4.4 方案比选

通过对上述3 种优化方案的分析比选，形成各自方案的优缺点，详见表3所示。

表3 方案优缺点汇总表

通过以上方案比较，方案三适用于所有故障引起的机组自动切换运行，能够大大降低人为手动切换过程中下游房间温升导致产生温度梯度，可避免此过程中厂房结露现象发生，可通过设置逻辑延时，判断和规避水冷机组频繁切换至风冷机组运行情况发生。目前，该方案已在华龙一号批量化建设机组中进行运用。

5 结语

通过对WEC 系统各工况下的机组切换方式进行分析，提出当机组触发SBO 工况和丧失全部热阱工况时，通过两台冷水机组综合故障信号联锁并经过延时联锁冷冻水泵和风冷机组启动，从而实现水冷机组与风冷机组的自动切换，可有效避免切换过程中下游负荷房间产生局部温升的情况，在一定程度上能够减少运行操作人员干预，同时使系统自动化水平得到有效提升。改进后的电气厂房冷冻水系统保证了正常运行、SBO工况、丧失全部热阱工况期间及事故后对相关通风系统的有效支持，为核电厂主控室、DCS机柜间的运行提供可靠保障。