田湾核电站全厂断电工况下应急补水系统设计

王涛+唐明+罗峰++韩伟

摘 要：富岛核事故后，依据《通用技术要求》，确定了田湾核电站在全厂断电事故工况下堆芯及乏燃料水池应急冷却的补水流程，即采用在田湾核电站现有应急补水系统管路新增设置额外补水及取水接口，通过软管引至厂房外，利用移动式补水泵（或消防车）连接软管建立应急补水回路以满足在全厂断电情况下堆芯冷却、乏燃料水池冷却。针对一、二回路及乏燃料水池应急补水系统的补水参数进行了分析，详细设计了应急补水系统管路及补水泵的设计参数。应急补水系统考虑安全冗余，设置为2×100%安全系列，以保证其可用性；并对应急补水系统的补水实施措施及水源进行了分析，保证了水源的可用性。

关键词：田湾核电站；全厂断电；应急补水系统；设计

1 概述

2011年3月11日，日本大地震使得福岛第一核电厂1-4号机组发生全厂断电事故，正常电源及应急柴油机电源均无法工作，堆芯冷却水源丧失，导致堆芯部分裸露，出现不同程度的堆芯熔化。

依据国家核安全局编制的《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求（试行）》（以下简称《通用技术要求》），对应急补水及相关设备设置提出了技术要求，主要包括采用一回路或二回路应急补水、乏燃料水池应急补水等措施带出余热的技术要求。

针对这一情况，需结合田湾核电站现场实际情况，对田湾核电站应急补水系统开展详细设计，确定补水流程、系统参数，补水措施及水源分析。

2 应急补水工况分析

2.1 堆芯冷却

在发生全厂断电（此处特指失去所有交流电源，下同）情况时，首先通过移动式补水泵实现向蒸汽发生器二次侧进行应急补水，利用一回路自然循环持续通过蒸汽发生器导出堆芯余热。在丧失最终热阱和二次侧排热不可用的工况下，利用一次侧应急补水进行“充-排”操作，保证堆芯余热导出。

因此依据一回路的完整性可采取二回路或一回路应急补水措施。

2.1.1 一回路完整性未破坏

当一回路完整性未被破坏时，堆芯应急停堆处于次临界状态，一回路能够建立自然循环，因此可采用通过蒸汽发生器排出堆芯余热。此时发生全厂断电情况，用于蒸汽发生器正常补水系统及基于设计基准事故的应急补水系统（LAR）均不可用，将不能通过这些正常的注水途径进行二回路补水，需要采用额外应急补水措施。

2.1.2 一回路完整性破坏

当一回路完整性被破坏时，采用蒸汽发生器排出堆芯余热的冷却措施不可用，此时利用一次侧应急补水进行“充-排”操作，导出堆芯余热以防止堆芯烧毁。此时发生全厂断电情况，导致用于一回路正常补水系统及基于设计基准事故的堆芯应急冷却系统均不可用，将不能通过这些正常的注水途径进行一回路补水，需要采用额外应急补水冷却措施。

2.2 乏燃料水池冷却

在全厂断电情况下，用于乏燃料水池正常补水、冷却系统不可用，在需要向乏燃料水池补水来满足乏池冷却时，将不能通过这些正常的注水途径进行补水，需要采用额外应急补水措施。

综上，在发生全厂断电情况下，应设置二回路或一回路及乏燃料水池应急补水措施以满足堆芯及乏燃料水池的冷却需要。

3 应急补水系统设计

3.1 应急补水流程分析

全厂断电情况下应急补水措施采用在田湾核电站现有应急补水系统管路新增设置额外补水及取水接口，通过软管引至厂房外，利用移动式补水泵（或消防车）连接软管建立应急補水回路以满足在全厂断电情况下堆芯冷却、乏燃料水池冷却。

新增应急补水回路的补水及取水接口上各设置两台手动截止阀，正常工况时，手动截止阀处于关闭状态，不影响机组的正常运行；在发生全厂断电情况时，依据补水工况开启相应补水回路上的手动截止阀，通过软管连接移动式补水泵（或消防车）进行补水。

在新增补水接口上同时设置有止回阀，其目的为当未启动补水泵（或消防车）前防止打开手动截止阀后由于用户压力导致倒灌。

应急补水系统流程如图1所示。

（1）二回路应急补水流程；（2） 一回路应急补水流程；（3）乏燃料水池应急补水流程。

3.1.1 二回路应急补水流程

依据现场勘查，结合田湾现有二回路补水途径，在应急给水系统（LAR）补水管线上设置补水接口，采用软管引至厂房外；同时由LCU水箱出口设置取水接口，采用软管引至厂房外；由移动式补水泵连接补水路径及取水路径，从而建立由LCU水箱至二回路的补水回路，实现对蒸汽发生器进行补水。

在进行二回路应急补水实现对堆芯冷却时，由于采用移动式补水泵对蒸汽发生器应急补水，首先需要对二回路进行泄压操作，采用手动打开大气释放阀的措施进行二回路泄压，泄压流程如下所示：（1）首先关闭大气释放阀；（2）打开大气释放阀前截止阀；（3）缓慢打开大气释放阀，调节开度，以保证泄压速率在允许范围内（事故工况时管线冷却速率不超过60℃/h）。

3.1.2 一回路应急补水流程

依据现场勘查，结合田湾现有一回路补水途径，在高压安注系统（JND）补水管线上设置补水接口，采用软管引至厂房外；同时由JNK水箱出口设置取水接口，采用软管引至厂房外；由移动式补水泵连接补水路径及取水路径，从而建立由JNK水箱至一回路的补水回路，实现对一回路进行补水。

3.1.3 乏燃料水池应急补水流程

依据现场勘查，结合田湾现有乏燃料冷却回路，在乏燃料水池冷却系统（FAK）管线上设置补水接口，采用软管引至厂房外；同时由LCU水箱出口设置取水接口，采用软管引至厂房外；由消防车连接补水路径及取水路径，从而建立由LCU水箱至乏燃料水池的补水回路，实现对乏燃料水池进行补水。

3.2 补水系统流量

根据《田湾核电站1、2号机组严重事故管理导则》[2]中排出长期衰变热所需的注水流量估算，一回路应急补水所需流量选取为125m3/h，二回路应急补水所需流量选取为105m3/h。

参考《T105～T110期间乏燃料水池降低水位热工安全分析》[3]，通过水池热平衡换热计算，补偿乏燃料水池中水蒸发的最低流量为20t/h。

3.3 新增应急补水管道设计

管道内径通过下式计算：

二回路补水设计流量105m3/h，选取管内流速4m/s，根据式（1）二回路补水新增管道公称通径计算结果为96mm，选取为DN100。

一回路补水设计流量125m3/h，选取管内流速3m/s，根据式（1）一回路补水新增管道公称通径计算结果为121mm，选取为DN150。

乏燃料水池新增应急补水管道依据消防车车载消防泵额定流量171t/h进行设计。选取管内流速5m/s，根据式（1）乏燃料水池补水新增管道公称通径计算结果为110mm，选取为DN100。

新增管路壁厚设计依据其所连接原系统的设计压力、设计温度进行选取，壁厚的计算公式：

将设计参数代入式（2）和（3），选取新增管道规格Ф108×5和Ф159×12。具体对应补水回路及相应流速如表1所示。

新增应急补水管道的安全等级、抗震等级及质保等级与对应系统的等级一致。

3.4 系统扬程分析

依据扬程计算公式

其中 h：扬程；D：排出高度；S：吸入高度；hf：沿程阻力；Pd：排出端压力；Ps：吸入端压力。

针对不同的补水工况计算所需扬程如下：

（1）二回路应急补水

采用二回路应急补水措施对堆芯进行冷却时，为保证移动式补水泵有足够的扬程， Pd选取为蒸汽发生器新蒸汽压力，即Pd=6.37MPa（637m H2O）。

LCU系统水箱标高约12.20m，补水泵标高8m，即S=4.2m。

LCU系统水箱内为常压，即Ps=10m H2O；

蒸汽发生器标高约25m，正常液位2.4m，补水泵标高8m，即D=19.4m；

补水管路沿程阻力358kPa，即hf=35.8m H2O；

将以上各参数带入式（4）计算所得h=678.6m，因此二回路应急补水扬程选取700m。

（2）乏燃料水池应急补水

乏燃料水池顶部标高约34.10m，补水泵（或消防车）标高8m，即D=26.10m；

LCU水箱标高约12.20m，消防车标高8m，即S=4.2m。

LCU水箱内为常压，即Ps=10m H2O；

乏燃料水池内压力即为安全壳内环境压力，考虑发生一回路或二回路大破口时极限工况下安全壳压力约0.79MPa，即Pd=79m H2O；

补水管路沿程阻力236kPa，即hf=23.6m H2O；

将以上各参数带入式（4）计算所得h=114.5m，因此乏燃料水池应急补水所需扬程选取120m。

（3）一回路应急补水

排出端压力选取为中压安注箱用完后，应投入低压安注时一回路压力，Pd=2.5MPa（250m H2O）；

补水管路沿程阻力约317kPa，即hf=31.7m H2O；

JNK水箱内压力为常压，即Ps=10m H2O；

JNK水箱标高约为14.0m。补水泵标高8m，即S=6m；

压力容器顶部标高约34m，补水泵标高8m，即D=26m；

将以上各参数带入式（4）计算所得h=291.7m，因此一回路应急补水所需扬程选取300m。

综上，二回路或一回路及乏燃料水池应急补水所需流量及扬程如表2所示。

3.5 补水泵

应急补水系统所用补水泵采用移动式柴油机水泵，柴油机水泵是一个带有柴油机驱动的泵组，驱动设置在同一个轴上。为保证机动性，柴油机水泵安装在挂车或半挂车上。移动式补水泵借助牵引车移动。移动式补水泵挂载燃料储箱作为油料储备，可保证移动式补水泵自持一定时间，超过自持时间需对燃料储箱补充油料以满足堆芯72小时冷却需要。

3.5.1 配置数量

田湾核电站已采购的消防车，其车载消防泵的性能（171t/h，2.0MPa）满足乏燃料水池冷却流量和扬程的要求，可采用此車载消防泵对乏燃料水池进行应急补水。

因此考虑田湾核电站两台机组同时发生全厂断电工况，则1、2号机组分别只需要配置一台移动式补水泵以满足堆芯冷却需要，根据一回路的完整性选择进行二回路或一回路应急补水。

3.5.2 规格

移动式补水泵规格应同时满足表2中二回路或一回路补水工况下的参数要求。

经调研，移动式补水泵选型如表3。

3.5.3 控制与监测

用于二回路应急补水的移动式补水泵的供水流量应根据实际的蒸发器液位进行控制，当蒸发器液位低于正常液位时开启移动式补水泵进行蒸发器的补水操作，当蒸发器液位达到正常液位时可停止补水操作。

移动式补水泵的控制和监测从布置在移动式补水泵上的就地控制盘直接来实现。

3.6 新增接口设计

应急补水系统考虑安全冗余，设置为2×100%安全系列，即在一列补水管路应故障不能补水时，仍有一列补水管路能够实施补水。

根据田湾核电站现场管道布置，新增补水接口位置设置如表3所示，新增取水接口位置设置如表4所示。

3.7 水箱补水措施

当一回路发生泄漏时，首先利用JNK10/40BB001水箱作为水源进行应急补水；当JNK10/40BB001水箱用完后可转为从LCU水箱取水。

当一回路完整性未被破坏时，堆芯及乏燃料水池冷却利用LCU水箱作为水源。

LCU01/02/03/04BB001水箱采用两用两备的方式充当水源；首先利用LCU01/02BB001水箱作为水源进行应急补水；当LCU01/02BB001水箱用完后可转为从LCU03/04BB001水箱取水，在从LCU03/04BB001水箱取水期间可通过打开LCU01/02BB001水箱顶盖采用消防车对其进行补水；当LCU03/04BB001水箱用完后再转为从LCU01/02BB001水箱取水，此时通过LCU03/04BB001水箱顶盖采用消防车对其进行补水；以此循环保证满足至少72小时堆芯及乏燃料水池冷却的水源。

为水箱补水时，首先考虑厂区内可用水源，厂区内可用水源为SGC消防水箱，共2400m3。消防水箱配套有标准的消防车取水接口，可以通过消防车从消防水箱取水，然后输送到LCU水箱，以保证LCU水箱水装量。

当SGC消防水箱用完后，考虑厂区外可用淡水水源，通过采用调集消防车向厂区附近水库取水的方式向厂区运水打入LCU水箱。

4 结束语

依据《通用技术要求》，分析并给出田湾核电站在全厂断电事故工况下的应急补水系统设计：

（1）确定了堆芯及乏燃料水池应急冷却的补水流程，即采用在田湾核电站现有应急补水系统管路新增设置额外补水及取水接口，通过软管引至厂房外，利用移动式补水泵（或消防车）连接软管建立应急补水回路以满足在全厂断电情况下堆芯冷却、乏燃料水池冷却。

（2）针对一、二回路及乏燃料水池应急补水系统的补水参数进行了分析，确定了应急补水管路及补水泵的设计参数要求。

（3）应急补水系统考虑安全冗余，设置为2×100%安全系列，以保证其可用性。

（4）对应急补水系统的补水实施措施及水源进行了分析，保证了水源的可用性。

参考文献

[1]国家核安全局.福岛核事故后核电厂改进行动通用技術要求（试行）[S].2012.

[2]中国核动力研究设计院.田湾核电站1、2号机组严重事故管理导则-排出长期衰变热所需的注水流量估算，A版[S].2012.

[3]田湾核电站1、2号机组最终安全分析报告，B版[P].

[4]中国核动力研究设计院.T105～T110期间乏燃料水池降低水位热

工安全分析，A版[S].2011.

作者简介：王涛，男，硕士，副研究员，主要从事反应堆热工水力与安全和先进核能系统的研究。

唐明，男，江苏核电有限公司，主要从事核电站技术改造设计管理工作。