核电厂冷源异常控制研究

童奇侠，曾军初

(国核示范电站有限责任公司，荣成 264312)

0 引 言

根据多基地冷源风险调查专项报告及冷源风险日历，近些年随着气候、海洋生态的变化，海生物入侵引起核电厂冷源丧失风险不断增加，国内核电厂已发生多次取水口堵塞事件，见表1。海生物(毛虾、水母、鱼群、棕囊藻、海地瓜)随着电厂取水水流大量涌入电厂取水口以及进水明渠，引起旋转滤网堵塞，压差上涨，可能导致循环水泵和厂用水泵跳闸，影响机组取水，进而导致核电厂冷源的部分丧失或全部丧失，直接影响核电机组的安全稳定运行。

1 冷源组成和冷源异常的影响

核电厂冷源主要包括循环冷却水系统、开式冷却水系统和厂用水系统。机组正常运行时，循环水系统和开式冷却水系统为凝汽器、闭式冷却水系统以及真空泵密封水热交换器提供冷却水，厂用水系统为设备冷却水系统热交换器提供冷却，带走凝汽器和热交换器产生的热量，并将热量带至循环水系统排水渠，最终排入大海。

表1 因海生物入侵导致机组停机停堆的事件

图1 国内核电厂冷源示意图

目前国内各核电厂冷源系统配置设计稍有不同，但系统功能和运行方式基本相同，见表2。

表2 国内核电厂冷源系统配置

核电厂冷源出现异常，如海生物入侵，将严重影响鼓网、循环水泵和厂用水泵的运行，严重威胁核电机组的安全运行。如果导致循环水泵跳闸，机组将无法维持满功率运行，需降功率至机组设计的功率平台，厂用水系统的可用对保证核电厂安全具有重要意义，在循环水系统出现异常时，机组需要优先保证厂用水系统的正常运行，如无法保证，则机组控制将进入异常或事故规程，以保证核安全。

2 冷源防御和监测设施

针对核电厂取水口冷源威胁情况，国内各核电厂主要通过以下防御和监测措施应对冷源风险：

(1)多道正式拦污网和临时拦污网：采用合金网和不同尺寸的细网对海生物进行拦截，需要定期维护。临时拦污网，可根据机组状态和需求临时增加，降低相邻机组件的冷源干扰风险；

(2)气幕装置：用于水母拦截，同时气幕对鱼群、虾群有驱离作用；

(3)水下机器人：利用水下高清摄像头和多波束成像声纳，定期对进水渠海生物或拦污网进行巡检，应急情况下可在取水口区域执行定向监测任务；

(4)大型捕捞平台和捕捞船只：通过捕捞、抽吸、驱离海生物，大幅度增加了应对各项冷源风险的能力；

(5)高压反冲洗装置：改造增加鼓网高压冲洗水泵，增强鼓网的清理能力；

(6)海水水质自动监测浮标系统：利用水质监测仪和气象传感器，运用信息传感先进技术及GPS卫星定位，探测海水PH值、温度、浊度、叶绿素、蓝绿藻、溶解氧、盐度等参数，对赤潮的爆发进行预测；

(7)海生物实时检测系统：水上/水下高清摄像头和多波束声纳系统，全方位监控观测进水渠主流道海生物情况(包括鱼群、虾群、水母和藻类等)和海面漂浮物(水草、泡沫、溢油)等，在海生物涌入前进行预警，以提前启动冷源应急预案，防止海生物涌入，保障机组冷源安全；

(8)赤潮遥感监测及预报预警：通过卫星遥感监测等技术手段，预测、预报核电厂周边海域赤潮/溢油等海洋灾害情况，并对悬浮泥沙分布、黄色溶解有机物分布进行常规遥感监测，以保证核电厂取水口冷源用水安全。

3 冷源异常核电机组控制策略

在海生物入侵可能导致取水口堵塞的情况下，核电厂按照海域突发事件采取处理行动，运行人员按照核电厂冷源突发事件执行机组控制行动并通知冷源小组和相关专业采取行动。冷源预案的启动，当班值需通知相邻机组做好观察和响应。

3.1 循环水泵跳闸机组控制

(1)一列循环水泵跳闸

当机组发现大量海生物入侵满足冷源预案启动条件或接到冷源小组建议，鼓网压差上涨，运行值通过调整鼓网转速，以提前控制鼓网压差，避免堵塞恶化，现场操纵员就地待命，必要时手动启动鼓网高速运行，通知机械、电气专业检查厂用水泵、循环水泵和鼓网等相关设备运行情况，后续根据鼓网压差状态、鼓网前后水位差及厂用水泵、循环水泵运行情况进行机组控制。当压差达到循环水泵跳闸定值，运行人员可启动消防水泵，以便使用消防水冲洗堵塞鼓网。

机组正常运行时，一列循环水泵跳闸，操纵员应集中精力去维持机组的稳定，防止汽机效率下降引起反应堆超功率，防止跳机、跳堆，确保运行中的循环水泵正常运行，根据异常规程、控制导则和凝汽器真空，快速降低汽机负荷至目标平台(功率水平取决于海水温度)，以维持凝汽器真空在限值内，期间持续监视厂用水泵运行参数、鼓网压差、蒸汽发生器水位、冷凝器真空及控制棒动作情况，根据真空变化情况启动真空泵以降低凝汽器背压，机组稳定后，检查循环水泵跳闸的原因。如果真空无法维持，则对汽机降负荷至停机状态。如果冷源情况好转，具备重新启动循环水泵的条件，则启动失去的循环水泵。

一列循环水泵跳闸致使冷凝器失去一列冷却，真空度恶化，失去海水列钛管温度升高，内外压差增加，增加破损几率，低压缸排汽温度升高，引起低压缸末级叶片温度升高，根据国内核电机组实际运行数据和模拟机数据，一列循环水泵跳闸配合降功率操作，冷凝器真空仅升高4.5 kPa，对冷凝器影响较小且远低于汽机跳闸定值，并且可及时启动备用真空泵来维持冷凝器真空。

(2)失去全部循环水泵

海生物入侵时，受取水口管道布置、海生物数量等多种因素的影响，两列鼓网压差升高存在一定时间间隔，主控操纵员在第一台循环水泵跳闸后开始根据规程要求进行降负荷操作。

若全部循环水泵失去，开式冷却水系统失去，闭式冷却水系统失去冷却，通常情况下闭式冷却水系统不能运行，常规岛热交换器由于失去冷却无法运行，导致主发电机系统和汽轮发电机辅助系统(发电机定子冷却水系统、发电机密封油系统、主机润滑油系统、汽轮机液压油系统、凝汽器除气系统等)无法运行。由于常规岛泵失去冷却，最终将导致凝结水系统、主给水系统及疏水系统必须停运。此时机组控制策略为操纵员执行应急规程，进行机组控制，尽快停运二回路水系统和汽轮发电机相关系统并根据停堆规程控制在热停堆工况。其主要风险是二回路系统设备停运不及时，影响设备性能甚至导致设备损坏。

在特定情况下，若限制时间和热负荷，闭式冷却水系统可以暂时无循环水运行。通过采取非常规手段减缓或降低闭式冷却水系统水温保证不超过极限运行温度，避免主给水系统、凝结水系统、发电机等二回路重要设备损坏，维持凝结水系统和主给水系统运行，便于后续机组启动，缩短机组启动时间。采取非常规手段，其主要方法和注意事项如下：

①减少二回路热负荷：停运不必要的主给水泵和凝结水泵，通过大气释放阀控制温度；若机组维持热停堆，尽早转至启动给水供水，停运所有主给水泵。

②减少闭式冷却水系统用户并反冷：尽快使用除盐水系统对闭式冷却水冷却器进行反冷，结合闭式冷却水换水能有效控制闭式冷却水系统水温。

③对闭式冷却水系统进行换水操作：需提前开启头箱补水阀保证闭式冷却水头箱液位不低，补水和排水操作保持一致，防止闭式冷却水补水不及时闭式冷却水泵跳闸。

④开启汽机厂房的大门、必要时手动启动汽机厂房全部风机或临时风扇进行对闭式冷却水管道进行吹扫降温散热。

⑤根据核电历史数据，凝结水水温在未采取相应控制措施后最高温度可达到98℃，影响凝汽器本体、凝结水泵运行。为控制凝结水水温，需通过除盐水补水并开启疏水阀进行大量换水。大量换水操作，对于多机组基地影响较大，需提前通知化学部门保证除盐水的制水能力。主控操纵员需持续关注凝结水水温趋势及凝汽器水位变化并予以控制，从而保证设备安全和避免凝结水泵跳闸。

二回路初期热负荷过剩，需限制热负荷。根据经验，后期因余热减少，停机大约16-18小时后，常规岛热负荷大幅减少，辅助蒸汽供应不足，为保证除氧器除氧需求，必要时可以重新启动一台主给水泵。

为便于机组控制，在条件允许的情况下，可考虑重新启动循环水泵，但冷源事故下重新启动循环水泵需要严格评估，召集相关专业部门，评估冷源状况后方能执行，同时在启动过程中需要严密监视厂用水系统运行情况，制定紧急停泵预案。重新启动循环水泵后，主控操纵员需持续监视循环水泵和厂用水泵参数，监视鼓网压差和水位差，机械/电气专业现场检查循环水泵和厂用水泵的运行情况。

3.2 厂用水泵丧失机组控制

取水口海生物入侵或其他异物聚集可能造成鼓网压差高导致循环水泵停运，一般不会威胁到厂用水系统，但极端情况下鼓网破裂、厂用水系统热交换器或过滤器堵塞而存在丧失厂用水系统的可能性，从而引起核电厂冷源部分或全部丧失。正在运行的一列厂用水泵失去，可通过进行厂用水系统的切列并对相应符合进行切列以达到机组的控制，此时应持续跟踪鼓网压差变化和厂用水泵电流、压力、流量等运行情况。

设备冷却水系统的热惯性使得设备冷却水用户及其功能不会立即丧失，但是在厂用水不能恢复的情况下，设备冷却水终将失去。二代核电机组，由于设备冷却水系统和厂用水系统为核安全相关系统，考虑使用换料水箱的热惯性达到退防模式，三代核电机组则考虑非能动方式保证机组安全。失去全部厂用水系统引起设备冷却水水温升高的主要风险：

①主泵无法正常运行，需执行停堆事故规程；

②化容系统下泄热交换器冷却无法保证，可能导致下泄温度高而隔离；

③电气厂房和核岛通风通风无法得到冷却，程序要求投运风冷冷冻机组，如果预计设备冷却水失去，可以考虑提前启动风冷冷冻机组；

④乏燃料水池冷却受到威胁，得不到有效冷却，需关注乏池水温和液位；

⑤余热排出泵和冷却器无法保证冷却，一回路余热导出受到威胁。

在全部失去厂用水的情况下，总的原则是减少设备冷却水的热负荷以保持设备冷却水系统的运行：

①及时停运不必要的负荷，例如主泵、乏池冷却泵、水冷冷冻机组等；

②及时启动风冷冷冻机组保证DCS可用；

③下泄隔离后需要关注PZR的水位，通过调节上充流量维持PZR液位在要求范围内；

④一回路余热需要通过SG或者余热排出系统带出，通过必要手段保证冷却能力：如AP1000机组通过消防水替代保证余热排出系统的冷却功能；CPR1000机组设备冷却水系统冷却功能通过换料水箱和安全壳喷淋热交换器的反向冷却来实现。

在执行异常或事故程序，需要控制节奏，明确程序干预要点和关键步骤，保守决策，保护核安全和重要设备安全，避免机组状态进一步恶化。对于多机组核电基地，机组控制需统筹规划，建立完成管理机制和管理程序，明确机组控制要求。

4 不足之处及改进建议

根据近期核电厂由于冷源异常导致机组跳堆事件，反映目前国内核电厂在冷源和机组控制方面主要存在以下不足之处：

(1)多机组联动响应机制不完善，海生物入侵对多机组安全运行的影响具有共同性，实际响应过程中，没有明确统一的各机组控制要求。

(2)面对突发的重要冷源异常，机组控制过程中不能严格遵守程序的要求，机组控制策略的选择判断不当，决策不保守，电站冷源状况未充分评估，根本原因分析不够全面和深入。

(3)冷源应急响应与协调机制不完善。国内核电厂当前的海域突发事件未建立完善的政府沟通协调机制。冷源应急捕捞作业调度无法满足紧急突发状况。

(4)冷源相关设施设备运维管理存在不足，冷源拦截、捕捞设备的管理重视程度不高，设施设备没有完善的维护策略和程序，设备状态的巡视缺乏明确的标准。

(5)电厂冷源对行业良好实践反馈落实的时效性不足。海生物监测未形成有效纵深，现有监测系统探测能力有限，事件发生时电厂的海生物监测、拦截系统仍然无法有效预警和防御大规模海生物入侵。

为降低取水口堵塞概率和保证冷源正常运行，结合当前各核电厂采取的冷源预防措施，明确核电厂冷源取水口防堵塞及机组控制优化建议如下：

(1)增加最终冷源的保障措施：主控和现场连续监视厂用水泵运行情况；增加手动冲洗厂用水贝类捕集器的频度；维修部门加强厂用水泵的监视、厂用水热交换器效率评估、贝类捕集器的清理准备；遵守主动停运循环水泵保护厂用水取水准则。

(2)增加冷源异常工况模拟机培训频率，确保运行人员熟悉各运行工况机组冷源丧失下的主要风险及事故规程中机组控制关键步骤，组织运行人员学习并熟悉相关机组控制导则和管理程序。

(3)核电厂应重视辅助蒸汽产生系统(电锅炉)的可用性和冗余性。海生物入侵可能导致同一厂址多台机组同时跳堆，辅助蒸汽产生系统可用为优化多台机组安全稳定后撤提供有效保证。

(4)采用高强度拦污网并加固，优化取水口围油栏的管理方法，完善临时拦污网监测体系，加强预警并定期清理和更换；针对细小海生物(如毛虾)入侵，增设拦污网前后水位监测和报警，在拦污网之间增加全断面细目网和全断面拦截兜网，并在电厂内部留有备件，在出现异常情况能及时更换。

(5)制定完善的环境监测大纲，全面评估更新核电厂环境条件变化信息，定期在周边海域进行监测性捕捞，提前预知海生物的涌入，建立并完善与外单位合作机制，包括与政府相关主管部门建立信息互通机制，签署合作协议，在发生海生物入侵的第一时间从外部合作单位调用专业捕捞船进行清理捕捞。

(6)营运单位应制定并优化相关程序，综合考虑核电厂各机组面对相同海生物入侵时的联动应急响应和控制策略，降低发生共模故障的风险，保守决策，严格按预案要求控制机组，保障机组安全稳定运行及冷源安全。

(7)设立冷源小组领导层和执行层，冷源小组以月会、专题会的方式运作；并设立冷源小组执行层以周会的方式运作，每周汇总冷源信息，预测下周的冷源风险并制定针对性的预防措施。定期(每季度)组织冷源保障专项行动演习，全面检验核电厂冷源保障专项行动相应流程的合理性、预案的可执行性及冷源应急设备的可靠性，提高冷源小组及电厂各专业人员应对毛虾、棕囊藻、球型侧腕水母等海生物入侵时应急响应的速度及处置能力，验证冷源相关系统、设施的可用性。

5 结束语

尽管核电厂针对海生物入侵采取了多项措施和制定了相应预案，但是海生物入侵对核电厂运行依旧构成严重的威胁，仍有诸多改进之处。冷源预防设施的优化改进以及运行人员的培训是核电厂应对冷源异常的主要手段，运行人员应严格执行机组控制策略，保证机组安全、稳定运行。