童奇?zhèn)b,曾軍初
(國核示范電站有限責(zé)任公司,榮成 264312)
根據(jù)多基地冷源風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查專項(xiàng)報(bào)告及冷源風(fēng)險(xiǎn)日歷,近些年隨著氣候、海洋生態(tài)的變化,海生物入侵引起核電廠冷源喪失風(fēng)險(xiǎn)不斷增加,國內(nèi)核電廠已發(fā)生多次取水口堵塞事件,見表1。海生物(毛蝦、水母、魚群、棕囊藻、海地瓜)隨著電廠取水水流大量涌入電廠取水口以及進(jìn)水明渠,引起旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)堵塞,壓差上漲,可能導(dǎo)致循環(huán)水泵和廠用水泵跳閘,影響機(jī)組取水,進(jìn)而導(dǎo)致核電廠冷源的部分喪失或全部喪失,直接影響核電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
核電廠冷源主要包括循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、開式冷卻水系統(tǒng)和廠用水系統(tǒng)。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí),循環(huán)水系統(tǒng)和開式冷卻水系統(tǒng)為凝汽器、閉式冷卻水系統(tǒng)以及真空泵密封水熱交換器提供冷卻水,廠用水系統(tǒng)為設(shè)備冷卻水系統(tǒng)熱交換器提供冷卻,帶走凝汽器和熱交換器產(chǎn)生的熱量,并將熱量帶至循環(huán)水系統(tǒng)排水渠,最終排入大海。
表1 因海生物入侵導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)停堆的事件
圖1 國內(nèi)核電廠冷源示意圖
目前國內(nèi)各核電廠冷源系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)稍有不同,但系統(tǒng)功能和運(yùn)行方式基本相同,見表2。
表2 國內(nèi)核電廠冷源系統(tǒng)配置
核電廠冷源出現(xiàn)異常,如海生物入侵,將嚴(yán)重影響鼓網(wǎng)、循環(huán)水泵和廠用水泵的運(yùn)行,嚴(yán)重威脅核電機(jī)組的安全運(yùn)行。如果導(dǎo)致循環(huán)水泵跳閘,機(jī)組將無法維持滿功率運(yùn)行,需降功率至機(jī)組設(shè)計(jì)的功率平臺,廠用水系統(tǒng)的可用對保證核電廠安全具有重要意義,在循環(huán)水系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí),機(jī)組需要優(yōu)先保證廠用水系統(tǒng)的正常運(yùn)行,如無法保證,則機(jī)組控制將進(jìn)入異?;蚴鹿室?guī)程,以保證核安全。
針對核電廠取水口冷源威脅情況,國內(nèi)各核電廠主要通過以下防御和監(jiān)測措施應(yīng)對冷源風(fēng)險(xiǎn):
(1)多道正式攔污網(wǎng)和臨時(shí)攔污網(wǎng):采用合金網(wǎng)和不同尺寸的細(xì)網(wǎng)對海生物進(jìn)行攔截,需要定期維護(hù)。臨時(shí)攔污網(wǎng),可根據(jù)機(jī)組狀態(tài)和需求臨時(shí)增加,降低相鄰機(jī)組件的冷源干擾風(fēng)險(xiǎn);
(2)氣幕裝置:用于水母攔截,同時(shí)氣幕對魚群、蝦群有驅(qū)離作用;
(3)水下機(jī)器人:利用水下高清攝像頭和多波束成像聲納,定期對進(jìn)水渠海生物或攔污網(wǎng)進(jìn)行巡檢,應(yīng)急情況下可在取水口區(qū)域執(zhí)行定向監(jiān)測任務(wù);
(4)大型捕撈平臺和捕撈船只:通過捕撈、抽吸、驅(qū)離海生物,大幅度增加了應(yīng)對各項(xiàng)冷源風(fēng)險(xiǎn)的能力;
(5)高壓反沖洗裝置:改造增加鼓網(wǎng)高壓沖洗水泵,增強(qiáng)鼓網(wǎng)的清理能力;
(6)海水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng):利用水質(zhì)監(jiān)測儀和氣象傳感器,運(yùn)用信息傳感先進(jìn)技術(shù)及GPS衛(wèi)星定位,探測海水PH值、溫度、濁度、葉綠素、藍(lán)綠藻、溶解氧、鹽度等參數(shù),對赤潮的爆發(fā)進(jìn)行預(yù)測;
(7)海生物實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng):水上/水下高清攝像頭和多波束聲納系統(tǒng),全方位監(jiān)控觀測進(jìn)水渠主流道海生物情況(包括魚群、蝦群、水母和藻類等)和海面漂浮物(水草、泡沫、溢油)等,在海生物涌入前進(jìn)行預(yù)警,以提前啟動(dòng)冷源應(yīng)急預(yù)案,防止海生物涌入,保障機(jī)組冷源安全;
(8)赤潮遙感監(jiān)測及預(yù)報(bào)預(yù)警:通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測等技術(shù)手段,預(yù)測、預(yù)報(bào)核電廠周邊海域赤潮/溢油等海洋災(zāi)害情況,并對懸浮泥沙分布、黃色溶解有機(jī)物分布進(jìn)行常規(guī)遙感監(jiān)測,以保證核電廠取水口冷源用水安全。
在海生物入侵可能導(dǎo)致取水口堵塞的情況下,核電廠按照海域突發(fā)事件采取處理行動(dòng),運(yùn)行人員按照核電廠冷源突發(fā)事件執(zhí)行機(jī)組控制行動(dòng)并通知冷源小組和相關(guān)專業(yè)采取行動(dòng)。冷源預(yù)案的啟動(dòng),當(dāng)班值需通知相鄰機(jī)組做好觀察和響應(yīng)。
(1)一列循環(huán)水泵跳閘
當(dāng)機(jī)組發(fā)現(xiàn)大量海生物入侵滿足冷源預(yù)案啟動(dòng)條件或接到冷源小組建議,鼓網(wǎng)壓差上漲,運(yùn)行值通過調(diào)整鼓網(wǎng)轉(zhuǎn)速,以提前控制鼓網(wǎng)壓差,避免堵塞惡化,現(xiàn)場操縱員就地待命,必要時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)鼓網(wǎng)高速運(yùn)行,通知機(jī)械、電氣專業(yè)檢查廠用水泵、循環(huán)水泵和鼓網(wǎng)等相關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況,后續(xù)根據(jù)鼓網(wǎng)壓差狀態(tài)、鼓網(wǎng)前后水位差及廠用水泵、循環(huán)水泵運(yùn)行情況進(jìn)行機(jī)組控制。當(dāng)壓差達(dá)到循環(huán)水泵跳閘定值,運(yùn)行人員可啟動(dòng)消防水泵,以便使用消防水沖洗堵塞鼓網(wǎng)。
機(jī)組正常運(yùn)行時(shí),一列循環(huán)水泵跳閘,操縱員應(yīng)集中精力去維持機(jī)組的穩(wěn)定,防止汽機(jī)效率下降引起反應(yīng)堆超功率,防止跳機(jī)、跳堆,確保運(yùn)行中的循環(huán)水泵正常運(yùn)行,根據(jù)異常規(guī)程、控制導(dǎo)則和凝汽器真空,快速降低汽機(jī)負(fù)荷至目標(biāo)平臺(功率水平取決于海水溫度),以維持凝汽器真空在限值內(nèi),期間持續(xù)監(jiān)視廠用水泵運(yùn)行參數(shù)、鼓網(wǎng)壓差、蒸汽發(fā)生器水位、冷凝器真空及控制棒動(dòng)作情況,根據(jù)真空變化情況啟動(dòng)真空泵以降低凝汽器背壓,機(jī)組穩(wěn)定后,檢查循環(huán)水泵跳閘的原因。如果真空無法維持,則對汽機(jī)降負(fù)荷至停機(jī)狀態(tài)。如果冷源情況好轉(zhuǎn),具備重新啟動(dòng)循環(huán)水泵的條件,則啟動(dòng)失去的循環(huán)水泵。
一列循環(huán)水泵跳閘致使冷凝器失去一列冷卻,真空度惡化,失去海水列鈦管溫度升高,內(nèi)外壓差增加,增加破損幾率,低壓缸排汽溫度升高,引起低壓缸末級葉片溫度升高,根據(jù)國內(nèi)核電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和模擬機(jī)數(shù)據(jù),一列循環(huán)水泵跳閘配合降功率操作,冷凝器真空僅升高4.5 kPa,對冷凝器影響較小且遠(yuǎn)低于汽機(jī)跳閘定值,并且可及時(shí)啟動(dòng)備用真空泵來維持冷凝器真空。
(2)失去全部循環(huán)水泵
海生物入侵時(shí),受取水口管道布置、海生物數(shù)量等多種因素的影響,兩列鼓網(wǎng)壓差升高存在一定時(shí)間間隔,主控操縱員在第一臺循環(huán)水泵跳閘后開始根據(jù)規(guī)程要求進(jìn)行降負(fù)荷操作。
若全部循環(huán)水泵失去,開式冷卻水系統(tǒng)失去,閉式冷卻水系統(tǒng)失去冷卻,通常情況下閉式冷卻水系統(tǒng)不能運(yùn)行,常規(guī)島熱交換器由于失去冷卻無法運(yùn)行,導(dǎo)致主發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和汽輪發(fā)電機(jī)輔助系統(tǒng)(發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)、主機(jī)潤滑油系統(tǒng)、汽輪機(jī)液壓油系統(tǒng)、凝汽器除氣系統(tǒng)等)無法運(yùn)行。由于常規(guī)島泵失去冷卻,最終將導(dǎo)致凝結(jié)水系統(tǒng)、主給水系統(tǒng)及疏水系統(tǒng)必須停運(yùn)。此時(shí)機(jī)組控制策略為操縱員執(zhí)行應(yīng)急規(guī)程,進(jìn)行機(jī)組控制,盡快停運(yùn)二回路水系統(tǒng)和汽輪發(fā)電機(jī)相關(guān)系統(tǒng)并根據(jù)停堆規(guī)程控制在熱停堆工況。其主要風(fēng)險(xiǎn)是二回路系統(tǒng)設(shè)備停運(yùn)不及時(shí),影響設(shè)備性能甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞。
在特定情況下,若限制時(shí)間和熱負(fù)荷,閉式冷卻水系統(tǒng)可以暫時(shí)無循環(huán)水運(yùn)行。通過采取非常規(guī)手段減緩或降低閉式冷卻水系統(tǒng)水溫保證不超過極限運(yùn)行溫度,避免主給水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)等二回路重要設(shè)備損壞,維持凝結(jié)水系統(tǒng)和主給水系統(tǒng)運(yùn)行,便于后續(xù)機(jī)組啟動(dòng),縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間。采取非常規(guī)手段,其主要方法和注意事項(xiàng)如下:
①減少二回路熱負(fù)荷:停運(yùn)不必要的主給水泵和凝結(jié)水泵,通過大氣釋放閥控制溫度;若機(jī)組維持熱停堆,盡早轉(zhuǎn)至啟動(dòng)給水供水,停運(yùn)所有主給水泵。
②減少閉式冷卻水系統(tǒng)用戶并反冷:盡快使用除鹽水系統(tǒng)對閉式冷卻水冷卻器進(jìn)行反冷,結(jié)合閉式冷卻水換水能有效控制閉式冷卻水系統(tǒng)水溫。
③對閉式冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行換水操作:需提前開啟頭箱補(bǔ)水閥保證閉式冷卻水頭箱液位不低,補(bǔ)水和排水操作保持一致,防止閉式冷卻水補(bǔ)水不及時(shí)閉式冷卻水泵跳閘。
④開啟汽機(jī)廠房的大門、必要時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)汽機(jī)廠房全部風(fēng)機(jī)或臨時(shí)風(fēng)扇進(jìn)行對閉式冷卻水管道進(jìn)行吹掃降溫散熱。
⑤根據(jù)核電歷史數(shù)據(jù),凝結(jié)水水溫在未采取相應(yīng)控制措施后最高溫度可達(dá)到98℃,影響凝汽器本體、凝結(jié)水泵運(yùn)行。為控制凝結(jié)水水溫,需通過除鹽水補(bǔ)水并開啟疏水閥進(jìn)行大量換水。大量換水操作,對于多機(jī)組基地影響較大,需提前通知化學(xué)部門保證除鹽水的制水能力。主控操縱員需持續(xù)關(guān)注凝結(jié)水水溫趨勢及凝汽器水位變化并予以控制,從而保證設(shè)備安全和避免凝結(jié)水泵跳閘。
二回路初期熱負(fù)荷過剩,需限制熱負(fù)荷。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),后期因余熱減少,停機(jī)大約16-18小時(shí)后,常規(guī)島熱負(fù)荷大幅減少,輔助蒸汽供應(yīng)不足,為保證除氧器除氧需求,必要時(shí)可以重新啟動(dòng)一臺主給水泵。
為便于機(jī)組控制,在條件允許的情況下,可考慮重新啟動(dòng)循環(huán)水泵,但冷源事故下重新啟動(dòng)循環(huán)水泵需要嚴(yán)格評估,召集相關(guān)專業(yè)部門,評估冷源狀況后方能執(zhí)行,同時(shí)在啟動(dòng)過程中需要嚴(yán)密監(jiān)視廠用水系統(tǒng)運(yùn)行情況,制定緊急停泵預(yù)案。重新啟動(dòng)循環(huán)水泵后,主控操縱員需持續(xù)監(jiān)視循環(huán)水泵和廠用水泵參數(shù),監(jiān)視鼓網(wǎng)壓差和水位差,機(jī)械/電氣專業(yè)現(xiàn)場檢查循環(huán)水泵和廠用水泵的運(yùn)行情況。
取水口海生物入侵或其他異物聚集可能造成鼓網(wǎng)壓差高導(dǎo)致循環(huán)水泵停運(yùn),一般不會(huì)威脅到廠用水系統(tǒng),但極端情況下鼓網(wǎng)破裂、廠用水系統(tǒng)熱交換器或過濾器堵塞而存在喪失廠用水系統(tǒng)的可能性,從而引起核電廠冷源部分或全部喪失。正在運(yùn)行的一列廠用水泵失去,可通過進(jìn)行廠用水系統(tǒng)的切列并對相應(yīng)符合進(jìn)行切列以達(dá)到機(jī)組的控制,此時(shí)應(yīng)持續(xù)跟蹤鼓網(wǎng)壓差變化和廠用水泵電流、壓力、流量等運(yùn)行情況。
設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的熱慣性使得設(shè)備冷卻水用戶及其功能不會(huì)立即喪失,但是在廠用水不能恢復(fù)的情況下,設(shè)備冷卻水終將失去。二代核電機(jī)組,由于設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和廠用水系統(tǒng)為核安全相關(guān)系統(tǒng),考慮使用換料水箱的熱慣性達(dá)到退防模式,三代核電機(jī)組則考慮非能動(dòng)方式保證機(jī)組安全。失去全部廠用水系統(tǒng)引起設(shè)備冷卻水水溫升高的主要風(fēng)險(xiǎn):
①主泵無法正常運(yùn)行,需執(zhí)行停堆事故規(guī)程;
②化容系統(tǒng)下泄熱交換器冷卻無法保證,可能導(dǎo)致下泄溫度高而隔離;
③電氣廠房和核島通風(fēng)通風(fēng)無法得到冷卻,程序要求投運(yùn)風(fēng)冷冷凍機(jī)組,如果預(yù)計(jì)設(shè)備冷卻水失去,可以考慮提前啟動(dòng)風(fēng)冷冷凍機(jī)組;
④乏燃料水池冷卻受到威脅,得不到有效冷卻,需關(guān)注乏池水溫和液位;
⑤余熱排出泵和冷卻器無法保證冷卻,一回路余熱導(dǎo)出受到威脅。
在全部失去廠用水的情況下,總的原則是減少設(shè)備冷卻水的熱負(fù)荷以保持設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行:
①及時(shí)停運(yùn)不必要的負(fù)荷,例如主泵、乏池冷卻泵、水冷冷凍機(jī)組等;
②及時(shí)啟動(dòng)風(fēng)冷冷凍機(jī)組保證DCS可用;
③下泄隔離后需要關(guān)注PZR的水位,通過調(diào)節(jié)上充流量維持PZR液位在要求范圍內(nèi);
④一回路余熱需要通過SG或者余熱排出系統(tǒng)帶出,通過必要手段保證冷卻能力:如AP1000機(jī)組通過消防水替代保證余熱排出系統(tǒng)的冷卻功能;CPR1000機(jī)組設(shè)備冷卻水系統(tǒng)冷卻功能通過換料水箱和安全殼噴淋熱交換器的反向冷卻來實(shí)現(xiàn)。
在執(zhí)行異常或事故程序,需要控制節(jié)奏,明確程序干預(yù)要點(diǎn)和關(guān)鍵步驟,保守決策,保護(hù)核安全和重要設(shè)備安全,避免機(jī)組狀態(tài)進(jìn)一步惡化。對于多機(jī)組核電基地,機(jī)組控制需統(tǒng)籌規(guī)劃,建立完成管理機(jī)制和管理程序,明確機(jī)組控制要求。
根據(jù)近期核電廠由于冷源異常導(dǎo)致機(jī)組跳堆事件,反映目前國內(nèi)核電廠在冷源和機(jī)組控制方面主要存在以下不足之處:
(1)多機(jī)組聯(lián)動(dòng)響應(yīng)機(jī)制不完善,海生物入侵對多機(jī)組安全運(yùn)行的影響具有共同性,實(shí)際響應(yīng)過程中,沒有明確統(tǒng)一的各機(jī)組控制要求。
(2)面對突發(fā)的重要冷源異常,機(jī)組控制過程中不能嚴(yán)格遵守程序的要求,機(jī)組控制策略的選擇判斷不當(dāng),決策不保守,電站冷源狀況未充分評估,根本原因分析不夠全面和深入。
(3)冷源應(yīng)急響應(yīng)與協(xié)調(diào)機(jī)制不完善。國內(nèi)核電廠當(dāng)前的海域突發(fā)事件未建立完善的政府溝通協(xié)調(diào)機(jī)制。冷源應(yīng)急捕撈作業(yè)調(diào)度無法滿足緊急突發(fā)狀況。
(4)冷源相關(guān)設(shè)施設(shè)備運(yùn)維管理存在不足,冷源攔截、捕撈設(shè)備的管理重視程度不高,設(shè)施設(shè)備沒有完善的維護(hù)策略和程序,設(shè)備狀態(tài)的巡視缺乏明確的標(biāo)準(zhǔn)。
(5)電廠冷源對行業(yè)良好實(shí)踐反饋落實(shí)的時(shí)效性不足。海生物監(jiān)測未形成有效縱深,現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)探測能力有限,事件發(fā)生時(shí)電廠的海生物監(jiān)測、攔截系統(tǒng)仍然無法有效預(yù)警和防御大規(guī)模海生物入侵。
為降低取水口堵塞概率和保證冷源正常運(yùn)行,結(jié)合當(dāng)前各核電廠采取的冷源預(yù)防措施,明確核電廠冷源取水口防堵塞及機(jī)組控制優(yōu)化建議如下:
(1)增加最終冷源的保障措施:主控和現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)視廠用水泵運(yùn)行情況;增加手動(dòng)沖洗廠用水貝類捕集器的頻度;維修部門加強(qiáng)廠用水泵的監(jiān)視、廠用水熱交換器效率評估、貝類捕集器的清理準(zhǔn)備;遵守主動(dòng)停運(yùn)循環(huán)水泵保護(hù)廠用水取水準(zhǔn)則。
(2)增加冷源異常工況模擬機(jī)培訓(xùn)頻率,確保運(yùn)行人員熟悉各運(yùn)行工況機(jī)組冷源喪失下的主要風(fēng)險(xiǎn)及事故規(guī)程中機(jī)組控制關(guān)鍵步驟,組織運(yùn)行人員學(xué)習(xí)并熟悉相關(guān)機(jī)組控制導(dǎo)則和管理程序。
(3)核電廠應(yīng)重視輔助蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)(電鍋爐)的可用性和冗余性。海生物入侵可能導(dǎo)致同一廠址多臺機(jī)組同時(shí)跳堆,輔助蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)可用為優(yōu)化多臺機(jī)組安全穩(wěn)定后撤提供有效保證。
(4)采用高強(qiáng)度攔污網(wǎng)并加固,優(yōu)化取水口圍油欄的管理方法,完善臨時(shí)攔污網(wǎng)監(jiān)測體系,加強(qiáng)預(yù)警并定期清理和更換;針對細(xì)小海生物(如毛蝦)入侵,增設(shè)攔污網(wǎng)前后水位監(jiān)測和報(bào)警,在攔污網(wǎng)之間增加全斷面細(xì)目網(wǎng)和全斷面攔截兜網(wǎng),并在電廠內(nèi)部留有備件,在出現(xiàn)異常情況能及時(shí)更換。
(5)制定完善的環(huán)境監(jiān)測大綱,全面評估更新核電廠環(huán)境條件變化信息,定期在周邊海域進(jìn)行監(jiān)測性捕撈,提前預(yù)知海生物的涌入,建立并完善與外單位合作機(jī)制,包括與政府相關(guān)主管部門建立信息互通機(jī)制,簽署合作協(xié)議,在發(fā)生海生物入侵的第一時(shí)間從外部合作單位調(diào)用專業(yè)捕撈船進(jìn)行清理捕撈。
(6)營運(yùn)單位應(yīng)制定并優(yōu)化相關(guān)程序,綜合考慮核電廠各機(jī)組面對相同海生物入侵時(shí)的聯(lián)動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)和控制策略,降低發(fā)生共模故障的風(fēng)險(xiǎn),保守決策,嚴(yán)格按預(yù)案要求控制機(jī)組,保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行及冷源安全。
(7)設(shè)立冷源小組領(lǐng)導(dǎo)層和執(zhí)行層,冷源小組以月會(huì)、專題會(huì)的方式運(yùn)作;并設(shè)立冷源小組執(zhí)行層以周會(huì)的方式運(yùn)作,每周匯總冷源信息,預(yù)測下周的冷源風(fēng)險(xiǎn)并制定針對性的預(yù)防措施。定期(每季度)組織冷源保障專項(xiàng)行動(dòng)演習(xí),全面檢驗(yàn)核電廠冷源保障專項(xiàng)行動(dòng)相應(yīng)流程的合理性、預(yù)案的可執(zhí)行性及冷源應(yīng)急設(shè)備的可靠性,提高冷源小組及電廠各專業(yè)人員應(yīng)對毛蝦、棕囊藻、球型側(cè)腕水母等海生物入侵時(shí)應(yīng)急響應(yīng)的速度及處置能力,驗(yàn)證冷源相關(guān)系統(tǒng)、設(shè)施的可用性。
盡管核電廠針對海生物入侵采取了多項(xiàng)措施和制定了相應(yīng)預(yù)案,但是海生物入侵對核電廠運(yùn)行依舊構(gòu)成嚴(yán)重的威脅,仍有諸多改進(jìn)之處。冷源預(yù)防設(shè)施的優(yōu)化改進(jìn)以及運(yùn)行人員的培訓(xùn)是核電廠應(yīng)對冷源異常的主要手段,運(yùn)行人員應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行機(jī)組控制策略,保證機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。