華龍一號(hào)電氣廠房冷凍水系統(tǒng)切換運(yùn)行邏輯分析及優(yōu)化

胡靖 鄭仕建

（中國核電工程有限公司華東分公司 浙江嘉興 314000）

1 功能介紹

電氣廠房冷凍水系統(tǒng)（WEC）為一個(gè)封閉式的冷凍水運(yùn)行回路，其正常功能是將電氣廠房中下列通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)冷卻盤管和中、低壓安注泵電機(jī)冷卻時(shí)所帶回的熱量，通過冷水機(jī)組或風(fēng)冷機(jī)組傳遞給設(shè)備冷卻水系統(tǒng)或室外大氣，以確保核電機(jī)組的主控室、電氣廠房控制柜間內(nèi)的DCS設(shè)備、應(yīng)急硼注入系統(tǒng)及中、低壓安注泵的正常運(yùn)行及主控室操作人員的可居留性［1］。

電氣廠房冷凍水系統(tǒng)為電氣廠房的下列通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的冷卻盤管和中低壓安注泵提供7℃的冷凍水。

VCL：主控制室空調(diào)系統(tǒng)。

VEC：控制柜間通風(fēng)系統(tǒng)。

VMO：安全廠房機(jī)械設(shè)備區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)（033 RF/233 RF）。

RSI：安全注入系統(tǒng)中、低壓安注泵電機(jī)（RSI001 MO/002MO/003MO/004MO）。

在喪失熱阱（H1工況）或SBO工況下［2］，風(fēng)冷式冷水機(jī)組（WEC003GF）和相應(yīng)的冷凍水循環(huán)泵（WEC003PO）工作。在喪失全部熱阱工況下，為VCL系統(tǒng)、VEC系統(tǒng)及RSI系統(tǒng)中、低壓安注泵電機(jī)冷卻提供冷凍水［3］，以確保主控室、DCS機(jī)柜及安全注入系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在SBO工況下，向VCL、VEC系統(tǒng)提供必要的冷凍水，從而保證主控室和DCS機(jī)柜的正常運(yùn)行。

WEC 系統(tǒng)水冷式冷水機(jī)組和冷凍水循環(huán)泵為2×100%冗余設(shè)置，喪失全部熱阱工況是一個(gè)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的事故工況，根據(jù)單一故障準(zhǔn)則要求，風(fēng)冷式冷水機(jī)組（WEC003GF）、水泵（WEC003PO）、閥門、管線和部件等無冗余設(shè)置為非安全級(jí)的設(shè)備，同時(shí)承擔(dān)著向中、低壓安注泵提供冷凍水的職能，該系列設(shè)備具有抗震1類要求，系統(tǒng)流程如圖1所示［4］。

圖1 WE C 系統(tǒng)流程示意圖

2 系統(tǒng)工況運(yùn)行及切換

2.1 正常運(yùn)行工況切換方式

正常運(yùn)行時(shí)，兩臺(tái)冷水機(jī)組（WEC001GF/002GF）和兩臺(tái)冷凍水泵（WEC001PO/002PO）一用一備，當(dāng)運(yùn)行冷凍機(jī)組因故障停機(jī)、電源切換等原因需要切換機(jī)組運(yùn)行時(shí)，此時(shí)，需運(yùn)行操作人員在就地或主控對備用冷水機(jī)組進(jìn)行切換運(yùn)行，切換邏輯如圖2所示。

圖2 正常運(yùn)行工況切換簡圖

2.2 喪失熱阱工況和SBO工況運(yùn)行切換方式

當(dāng)機(jī)組喪失全部熱阱時(shí)（水冷機(jī)組失去冷卻水），冷水機(jī)組將自動(dòng)保護(hù)停機(jī)，系統(tǒng)功能只能通過供水支管上設(shè)置的冷凍水儲(chǔ)罐（WEC002BA），通過冷凍水泵循環(huán)使系統(tǒng)功能得到暫時(shí)維持，此時(shí)，需要運(yùn)行人員在短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)風(fēng)冷式冷水機(jī)組（WEC003GF）和相應(yīng)的冷凍水循環(huán)泵（WEC003PO）運(yùn)行，以維持系統(tǒng)功能，切換邏輯如圖3所示。

當(dāng)機(jī)組觸發(fā)SBO 工況時(shí)（全廠正常電源和6.6KV柴油發(fā)電機(jī)不可用），A/B 列水冷機(jī)組自動(dòng)停機(jī)，風(fēng)冷機(jī)組（WEC003GF）和冷凍水泵（WEC003PO）由400V小柴進(jìn)行供電，此時(shí)，需要運(yùn)行人員在短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)風(fēng)冷式冷水機(jī)組（WEC003GF）和相應(yīng)的冷凍水循環(huán)泵（WEC003PO）運(yùn)行，以維持系統(tǒng)功能，切換邏輯如圖3所示。

圖3 喪失熱阱和SB O 工況切換簡圖

3 工況切換運(yùn)行邏輯存在問題

通過圖3可知，當(dāng)機(jī)組觸發(fā)SBO 工況和喪失全部熱阱工況時(shí)，A/B列水冷機(jī)組將全部喪失制冷功能，此時(shí)，需要運(yùn)行人員及時(shí)進(jìn)行干預(yù)并按照如下操作流程就地啟動(dòng)風(fēng)冷機(jī)組運(yùn)行。

（1）確認(rèn)A/B 列冷水機(jī)組已停運(yùn)（WEC001/002GF）。

（2）就地或主控停運(yùn)冷水機(jī)組對應(yīng)冷凍水泵（WEC001/002PO）。

（3）手動(dòng)切換風(fēng)冷列冷凍水泵進(jìn)出口隔離閥狀態(tài)。

（4）就地或主控啟動(dòng)冷凍水泵（WEC003PO）。

（5）就地或主控啟動(dòng)風(fēng)冷機(jī)組（WEC003GF），水冷機(jī)組接收到啟動(dòng)命令后進(jìn)行自檢（持續(xù)時(shí)間2～3min），確認(rèn)無故障啟動(dòng)加載，直至機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。

執(zhí)行上述（1）～（5）操作步驟，從人員準(zhǔn)備至人員到達(dá)操作現(xiàn)場，根據(jù)過往機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，此過程需耗時(shí)10～15min 方可切換完成。而此切換時(shí)間僅指備用機(jī)組處于熱備用且無故障狀態(tài)的切換時(shí)間，在實(shí)際操作過程中，備用機(jī)組存在由于各種故障而在短時(shí)間內(nèi)無法啟動(dòng)的情況，此時(shí)，所需時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10～15min。在此功能切換過程中，下游通風(fēng)系統(tǒng)熱負(fù)荷由供水支管上設(shè)置的冷凍水儲(chǔ)罐（WEC002BA）進(jìn)行循環(huán)冷卻，以維持主控室、計(jì)算機(jī)室和DCS相關(guān)房間的溫升。

根據(jù)某核電廠5、6號(hào)機(jī)組冷凍水儲(chǔ)罐容量試驗(yàn)結(jié)果可知，從冷水機(jī)組停運(yùn)至下游用戶中房間溫度最快達(dá)到限值時(shí)所用時(shí)間為39min 和55min，具體結(jié)果如表1所示。根據(jù)結(jié)果可知，在備用機(jī)組處于正?？捎脿顟B(tài)下，冷凍水儲(chǔ)罐容量能夠滿足機(jī)組切換所需時(shí)間，但此切換過程也會(huì)導(dǎo)致熱負(fù)荷房間局部溫升。若備用機(jī)組由于初始條件不滿足或故障而短時(shí)間內(nèi)無法啟動(dòng)，則會(huì)導(dǎo)致熱負(fù)荷房間快速溫升，情況嚴(yán)重，則會(huì)導(dǎo)致房間結(jié)露。由于冷凍水泵、水冷機(jī)組與風(fēng)冷機(jī)組之間無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換運(yùn)行，切換前需要當(dāng)班操作人員去現(xiàn)場進(jìn)行故障確認(rèn)和設(shè)備狀態(tài)確認(rèn)后手動(dòng)執(zhí)行上述（4）～（5）步，既費(fèi)時(shí)，又耗費(fèi)人力、物力，與實(shí)現(xiàn)可控的自動(dòng)化控制水平存在差距。

表1 冷凍水儲(chǔ)罐容量試驗(yàn)表

由于WEC 系統(tǒng)是安全相關(guān)系統(tǒng)（VCL）的支持系統(tǒng)，對核電機(jī)組的安全運(yùn)行起著關(guān)鍵作用［5］，因此，WEC 系統(tǒng)的喪失是不能接受的。為了應(yīng)對各工況下系統(tǒng)功能的快速切換和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，對控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化顯得尤為重要。

4 工況切換運(yùn)行邏輯優(yōu)化方案

根據(jù)WEC水冷機(jī)組和風(fēng)冷機(jī)組自身控制邏輯，為實(shí)現(xiàn)機(jī)組間的自動(dòng)切換，可以考慮使用冷卻水?dāng)嗔餍盘?hào)、冷凍水?dāng)嗔餍盘?hào)和冷水機(jī)綜合故障信號(hào)來聯(lián)鎖風(fēng)冷機(jī)組啟動(dòng)。

4.1 方案一：冷卻水?dāng)嗔鞅Ｗo(hù)信號(hào)聯(lián)鎖風(fēng)冷啟動(dòng)

設(shè)備冷卻水作為將水冷機(jī)組熱量最終傳遞至大海的中樞介質(zhì)，直接影響水冷機(jī)組安全運(yùn)行。按照系統(tǒng)邏輯，當(dāng)A列觸發(fā)冷卻水，斷流保護(hù)會(huì)自動(dòng)聯(lián)鎖A列冷水機(jī)組停運(yùn)；當(dāng)B列觸發(fā)冷卻水，斷流保護(hù)會(huì)自動(dòng)聯(lián)鎖B 列冷水機(jī)組停運(yùn)。在機(jī)組正常運(yùn)行期間，若發(fā)生單列失去冷卻水故障，則由運(yùn)行人員啟動(dòng)備用列冷凍機(jī)組運(yùn)行即可。當(dāng)機(jī)組喪失全部熱阱工況時(shí)，A/B 列冷卻水同時(shí)觸發(fā)斷流保護(hù)，則可把兩列冷卻水?dāng)嗔鞅Ｗo(hù)信號(hào)作為風(fēng)冷機(jī)組的啟動(dòng)信號(hào)，聯(lián)鎖風(fēng)冷機(jī)組啟動(dòng)，從而試驗(yàn)邏輯聯(lián)鎖。

4.2 方案二：冷凍水?dāng)嗔鞅Ｗo(hù)信號(hào)聯(lián)鎖風(fēng)冷啟動(dòng)

冷卻水作為冷源的傳遞者和下游用戶熱量的回收者，其功能也直接影響冷水機(jī)的安全運(yùn)行。冷凍機(jī)組運(yùn)行期間，出現(xiàn)冷凍水?dāng)嗔鞅Ｗo(hù)的主要原因一般表現(xiàn)為冷凍水泵故障停機(jī)、冷凍水泵失去動(dòng)力和控制電源、冷凍水供水管出現(xiàn)跑水（導(dǎo)致管網(wǎng)壓力低）幾種情況。A/B列任一路冷凍水?dāng)嗔鞅Ｗo(hù)也會(huì)自動(dòng)聯(lián)鎖對應(yīng)列水冷機(jī)組停運(yùn)。當(dāng)機(jī)組觸發(fā)SBO 工況時(shí)，A/B 列冷凍水同時(shí)觸發(fā)斷流保護(hù)，則可把兩列冷凍水?dāng)嗔鞅Ｗo(hù)信號(hào)作為風(fēng)冷機(jī)組的啟動(dòng)信號(hào)，聯(lián)鎖風(fēng)冷機(jī)組啟動(dòng)，從而試驗(yàn)邏輯聯(lián)鎖。

4.3 方案三：冷水機(jī)組綜合故障信號(hào)聯(lián)鎖風(fēng)冷啟動(dòng)

引發(fā)冷水機(jī)組綜合故障報(bào)警的原因種類繁多［6］，如表2所示，任何單一故障報(bào)警均可聯(lián)鎖冷水機(jī)組保護(hù)停機(jī)?？刹捎谩袄渌畽C(jī)組綜合故障”反饋信號(hào)聯(lián)鎖風(fēng)冷機(jī)組（WEC003GF）和冷凍水泵（WEC003PO）啟動(dòng)［7］。當(dāng)在運(yùn)行列和備用列的水冷冷水機(jī)組故障停機(jī)時(shí)，通過故障反饋信號(hào)，聯(lián)鎖風(fēng)冷機(jī)組和對應(yīng)冷凍水泵啟動(dòng)。

表2 冷水機(jī)組綜合故障報(bào)警匯總表

為防止冷凍機(jī)組本體由于冷凍水、冷卻水流表計(jì)飄表或瞬時(shí)觸發(fā)流量低等因素誤產(chǎn)生綜合故障報(bào)警信號(hào)，采用5s延時(shí)對綜合故障進(jìn)行延時(shí)判斷。當(dāng)故障時(shí)間超過5s 后，自動(dòng)聯(lián)鎖冷凍水泵啟動(dòng)，當(dāng)冷凍水泵啟動(dòng)反饋至風(fēng)冷機(jī)組后，延時(shí)3s，聯(lián)鎖風(fēng)冷機(jī)組啟動(dòng)進(jìn)行邏輯控制［8］，具體控制邏輯如圖4所示。風(fēng)冷機(jī)組運(yùn)行后，可安排當(dāng)班操作人員進(jìn)行現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)確認(rèn)和檢查，當(dāng)SBO工況和喪失全部熱阱工況解除后，視情況將風(fēng)冷機(jī)組切換至冷水機(jī)組運(yùn)行。

圖4 工況切換邏輯控制原理圖

4.4 方案比選

通過對上述3 種優(yōu)化方案的分析比選，形成各自方案的優(yōu)缺點(diǎn)，詳見表3所示。

表3 方案優(yōu)缺點(diǎn)匯總表

通過以上方案比較，方案三適用于所有故障引起的機(jī)組自動(dòng)切換運(yùn)行，能夠大大降低人為手動(dòng)切換過程中下游房間溫升導(dǎo)致產(chǎn)生溫度梯度，可避免此過程中廠房結(jié)露現(xiàn)象發(fā)生，可通過設(shè)置邏輯延時(shí)，判斷和規(guī)避水冷機(jī)組頻繁切換至風(fēng)冷機(jī)組運(yùn)行情況發(fā)生。目前，該方案已在華龍一號(hào)批量化建設(shè)機(jī)組中進(jìn)行運(yùn)用。

5 結(jié)語

通過對WEC 系統(tǒng)各工況下的機(jī)組切換方式進(jìn)行分析，提出當(dāng)機(jī)組觸發(fā)SBO 工況和喪失全部熱阱工況時(shí)，通過兩臺(tái)冷水機(jī)組綜合故障信號(hào)聯(lián)鎖并經(jīng)過延時(shí)聯(lián)鎖冷凍水泵和風(fēng)冷機(jī)組啟動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)水冷機(jī)組與風(fēng)冷機(jī)組的自動(dòng)切換，可有效避免切換過程中下游負(fù)荷房間產(chǎn)生局部溫升的情況，在一定程度上能夠減少運(yùn)行操作人員干預(yù)，同時(shí)使系統(tǒng)自動(dòng)化水平得到有效提升。改進(jìn)后的電氣廠房冷凍水系統(tǒng)保證了正常運(yùn)行、SBO工況、喪失全部熱阱工況期間及事故后對相關(guān)通風(fēng)系統(tǒng)的有效支持，為核電廠主控室、DCS機(jī)柜間的運(yùn)行提供可靠保障。