反应堆通风系统安全壳隔离阀故障期间安全壳内部压力的控制方式

冯志新，高道微

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

某核电厂运行的2号机组执行安全壳隔离阀阀间泄漏率试验SRST－411，安全壳隔离阀7314－PV13／PV14的阀间泄漏率大于7000SCCM，不满足验收准则［1］，经维修人员检查确认为安全壳隔离阀7314－PV14内漏，机组因此进入技术规程书的运行限制条件LCO 16.3.5.4，经维修人员近24天的检修完成安全壳隔离阀7314－PV14内漏处理后系统恢复正常状态，在对安全壳隔离阀7314－PV14缺陷检查定位和内漏消缺期间，2号机组先后6次停运反应堆厂房通风系统配合维修人员检查安全壳隔离阀7314－PV14，反应堆厂房通风系统总共停运时间约为46 h。由于反应堆厂房内部设备仪用压缩空气的使用，在机组正常运行期间，反应堆厂房通风系统停运阶段，安全壳内部的升压速率约为0.4 kPa／h（图1），安全壳内部压力要求控制在－2.5 kPa至0 kPa之间，当安全壳内部压力大于0 kPa（大气压）时，不能满足当安全壳出现泄漏时空气从安全壳外向安全壳内部泄漏的要求，需进入LCO（运行限制条件），安全壳隔离系统一级缺陷，必须在8 h内恢复，否则立即开始进入MODE 5B（保证停堆冷态卸压状态）。当安全壳内部压力继续上升超过3.25 kPa，将闭锁喷淋水箱向蒸汽发生器的自动补水功能。安全壳内部压力如果继续上升超过3.45 kPa，将触发1号停堆系统、2号停堆系统的安全壳高压力动作导致反应堆停堆，同时满足应急堆芯冷却系统自动触发的条件参数。

图1 机组正常运行期间失去反应堆厂房通风安全壳内压力变化

因此，机组正常运行期间，安全壳隔离阀7314－PV14缺陷检查定位和内漏消缺期间的安全壳内部压力控制成为首要考虑问题，本文根据某核电厂重水堆机组现有设备，分别使用反应堆安全壳厂房排放机、重水蒸汽回收系统的压差控制风机采用间歇运行和连续运行策略的分析论证，提出了较为合理可行的反应堆安全壳降压手段，在有效控制安全壳压力的同时保证通风设备运行在安全区间内，避免设备震动超标损坏。

1 CANDU－6机组安全壳系统与其通风系统关系

CANDU－6核电厂阻遏放射性释放的5道屏障分别为：燃料芯块；燃料包壳；主热传输系统压力边界（包括压力管）；反应堆安全壳；以反应堆安全壳为圆心的1 km范围。安全壳系统作为第四道安全屏障，能使反应堆厂房内主要工艺系统释放出的放射性物质对环境的影响维持在可以接受的低水平，以保护核电厂的工作人员、公众健康和环境免受危害。某核电厂重水堆安全壳为预应力钢筋混凝土结构内壁全部使用环氧树脂涂层，其结构尺寸如图2所示［2］。

图2 CANDU 6安全壳结构

在正常情况下，安全壳内部由反应堆厂房排风系统通过控制进出风量，以维持在微负压（一般为－0.6 kPa），以保证正常情况下的微小泄漏都从外部漏入反应堆厂房并经过放射性监测后进行排放。反应堆厂房通风系统压力控制方式（图3）［3］，安全壳系统共有6个独立的高放射性测量回路。每个测量回路均相同，包括1个探测器、1个放射性计数率模块和1个试验回路。3个高放射性测量探测器位置（67314－RE－51N2、P2、Q2）位于辅助厂房S－146房间的反应堆厂房的通风出口管上，另外3个高放射性测量探测器位置（67314－RE－51N1、P1、Q1）位于辅助厂房S－146房间中重水蒸汽回收系统干燥器3831－DR1／2／3／4的入口管线上。当放射性水平达到设定值3000 cps（计数率），放射性计数率模块输送信号至3取2安全壳逻辑动作时（即只要N／P／Q三个通道中两个通道达到3000 cps则逻辑满足触发动作）关闭安全壳隔离阀。在安全壳隔离阀7314－PV14缺陷检查定位期间，某核电厂2号机组曾6次停运反应堆厂房通风系统，通风系统停运后，这一路的安全壳内高放射性触发安全壳隔离阀自动关闭的逻辑失去，因此机组先后4次进入LCO16.3.1.4C（0）的条款（另外两次由于机组已进入保证停堆状态5b故未进入此LCO），在安全壳隔离阀7314－PV14内漏缺陷定位后，秦山三厂2号机组进入安全壳隔离阀7314－PV13／PV14的任一组合中的单个隔离阀无法关闭时间不在限值内的LCO（LCO 16.3.5.4）。此LCO总小时数为245.9 h。

图3 反应堆通风系统示意图

2 7314－PV14故障期间安全壳内部的压力控制

为定位反应堆厂房通风系统入口安全壳隔离阀7314－PV13与PV14阀组阀间泄漏率超标缺陷时，需要同时关闭安全壳隔离阀7314－PV13和7314－PV14进行阀间泄漏率测量试验，同时采用向阀组间充入氦气并对阀门外密封面监测氦气浓度的方法查找泄漏超标原因。7314－PV13和PV14关闭后，由于反应堆厂房通风系统送风机失去流道，必须停运反应堆厂房通风系统送风机，避免风机无风运行而损坏，因此安全壳内无新空气送入，而与此同时安全壳的排风机依然在运行，为避免安全壳内部压力持续下降，低于控制要求－2.5 kPa的下限，以及出现过高的真空度使得安全壳向内变形，需要立即陪停反应堆厂房排风机，在这种情况下安全壳失去通风系统及内部的压力控制功能。在机组正常运行期间，由于安全壳内部设备对仪用压空的使用及排放，当安全壳失去反应堆厂房通风控制安全壳内部压力的情况下，反应堆厂房内部升压速率约为：0.4 kPa／h，为避免安全壳内部压力不可控的持续上升，需要采取对安全壳内部进行降压的手段，结合机组的实际情况，此时有四种降压方式可供选择：

（1）通过持续小流量运行反应堆厂房排风机7312－F1或7312－F2排出安全壳内空气，以达到快速降低安全壳内部压。

（2）通过持续启动重水蒸汽回收系统的3831－DR5排出安全壳内空气，以达到缓慢降低和保持安全壳内部压力。

（3）通过周期启动重水蒸汽回收系统的3831－DR5，排出安全壳的空气，以达到缓慢降低及保持安全壳内部压力。

（4）周期启动反应堆厂房通风系统的7312－F1或F2以达到降低安全壳内部压力。

通过以上4种方式都可以降低安全壳内部压力，但究竟哪一种对机组状态控制更为有利，下面将进行详细的论述：

2.1 通过持续启动反应堆厂房排风机

通过持续启停反应堆厂房通风系统排风机7312－F1或7312－F2，已达到快速降低安全壳内部压力的目的，7312－F1和F2是同类型风机，此次在安全壳隔离阀7314－PV14缺陷处理期间，2＃机组是保持F2入口风量调节阀7312－HCV35在55%开度的情况下［3］，通过周期性启停7312－F2来降低安全壳内压力，查询技术资料7312－F2的性能曲线（图4），7312－F2的喘振临界点为2 000 m3／h［4］，当风机的排放量大于喘振临界流量时风机运行是安全稳定的。查询安全壳低压泄漏率试验SRST461的试验数据，当3831－DR5的排放量达到160 m3／h，安全壳内的压力可以暂时稳定在－0.99 k Pa左右，160 m3／h的排风量远小于7312－F2喘振临界点2 000 m3／h，故对排风机运行极为不利，风机长时间运行在低于喘振临界流量必然会导致设备损坏，故此种方法不适用于当前机组。

图4 7312－F1／F2性能曲线

2.2 通风持续启动重水蒸汽回收系统的3831－DR5

连续运行重水蒸汽系统3831－DR5，并通过手动开启7312－F1或F2的出口风门7312－PV28或7312－PV29，通过图5中红线的路径将安全壳内的仪用压空废气持续排出，达到控制稳定安全壳内压力的目的。

图5 3831－DR5降低安全壳内部压力流程图

查询3831－DR5的相关技术资料，对于3831－DR5这样的离心风机［5］，如果风量过小，会导致叶轮旋转失速，对叶片产生额外的激振力，可能会损坏叶片，同时风机整体会温度上升，对风机安全运行不利，并且风机叶轮旋转失速与通风系统相作用时可能导致风机喘振（系统容量较大时），对叶片造成更严重的损坏。因此离心风机应该避免小流量的运行模式。经过查询风机制造厂的风机性能曲线（图6），DR5的吸附风机喘振临界点为240 CFM（408 m3／h），风机安全运行的区域在喘振临界点的右侧（即大于喘振临界点的风量）。调整DR5的吸附风量时，应该保证风量不低于448 m3／h（喘振临界风量＋10%的测量误差）。

图6 3831－DR5的性能曲线

但查询以往通过3831－DR5单独控制RB压力的PI曲线（参考SRST461），如图7所示，当DR5的排放量达到160 m3／h，RB内的压力可以稳定在－0.99 kPa，160 m3／h远小于喘振临界点为240CFM（408 m3／h），故对风机运行不利，所以此种方法不适用于机组在安全壳隔离阀7314－PV14故障期间控制安全壳内部压力。

图7 SRST461试验期间安全壳压力与3831－DR5流量对应关系

2.3 通过周期启动重水蒸汽回收系统的3831－DR5

重水蒸汽回收系统的5号干燥床3831－DR5出口排气流量为50～950 m3／h，此出口流量的调节是通过改变3831－DR5入口控制阀63831－HCV11实现的，此控制阀的控制器位于主控室盘台14上，由于排气流量可调，故此方法可以保证排气流量大于3831－DR5的喘振临界点240CFM（408 m3／h），排气流通过反应堆厂房通风系统排风机组释放到环境中，根据现有规程利用此方式排放时，需将反应堆厂房排风机出口隔离阀7312－PV28／PV29的控制方式从气动切换到手动模式后，并手动开启排风机出口隔离阀7312－PV28／PV29，此出口隔离阀位于辅助厂房S147房间需换辐射防护服进入，且位于S147房间的高处，离地约为2 m，需提前搭设脚手架，运行人员登高到脚手架上，方可操作此阀门，人员有高处跌落的风险，现场虽有阀门操作指南，但此阀多数运行人员未曾操作过，操作熟练度不高，易导致失误。

同时3831－DR5位于S009房间位于辐射控制区内，人员进入辐射控制区必须穿戴连体服，口罩，手套，辐射控制区内专用防砸鞋等，更换辐射用品时间较长，大约从现场办公室到3831－DR5约为15 min，同时人员有辐射污染的风险，

此方法从理论上可以实现反应堆厂房内部压力的控制，但对于现场运行人员的工作任务较重。

2.4 通过周期启动反应堆厂房排风机

2号机组此次安全壳隔离阀7314－PV14缺陷处理期间，使用的反应堆厂房通风系统排风机7312－F2对安全壳内部降压，排放量在15 000 m3／h左右，大于喘振临界流量（2 000 m3／h），但安全壳内部的降压速率约为24.5 kPa／h，不满足安全壳内降压速率小于或等于4 kPa／h（参考SRST460试验）的要求，降压速率的选择主要考虑的是安全壳内混凝土表面对气体的吸纳／缓释效应，在安全壳降压过程中，若降压速率过快，可能导致树脂涂层裂缝、鼓泡或剥落。通过较缓的升降压速率（升压5 kPa／h，降压4 kPa／h）可以减弱该效应的发生、避免上述现象的出现。此次降压范围在－1～0 kPa之间，咨询相关技术人员在此范围内不会对树脂涂层造成损伤，查询SRST460试验数据，在安全壳内压力降压阶段（由124 kPa降至－0.6 kPa），当安全壳内压力降低到18 kPa后，通过将排风机7312－F2的入口流量调节阀HCV35开度调整到10%的开度，此时安全壳内的降压速率约为3.7 kPa／h，满足降压速率的要求，同时排风机7312－F2的排风量平均值约为3 500 m3／h。大于F2的喘振临界流量（2 000 m3／h），同时此方法对现场运行人员的工作量较少，大部分操作可以通过主控室操作手柄和控制器完成控制，现场运行人员的工作任务较轻，仅需确认排风机的运行情况。

3 结束语

本文采用系统化的思维方式，在某核电厂重水堆1／2号机组正常运行期间，当出现安全壳隔离阀7314－PV13或7314－PV14缺陷处理时，以及当反应堆厂房通风系统入口安全壳隔离阀7314－PV13或7314－PV14故障关闭后的安全壳内部的降压提供了行之有效的策略，通过本文的科学系统论证在现有设备的基础上可以通过周期启动反应堆厂房通风系统排风机7312－F1或F2控制安全内部压力在正常范围内，避免应急给水系统被闭锁、停堆系统高压动作，并且防止高压导致安全壳损坏，在本次安全壳隔离阀缺陷处理期间使用了本文的方法，将安全壳内的压力控制在要求范围内，同时也保证了相关设备的安全、可靠和稳定运行。