AP1000消防水冷却作用的设计功能改进

张保国

（山东核电有限公司，山东 海阳 265116）

AP1000消防水冷却作用的设计功能改进

张保国

（山东核电有限公司，山东 海阳 265116）

福岛核事故处理过程中大范围使用消防水手段作为最终冷源的经验反馈表明，核电厂的后备热阱有必要进一步在及时性与充足性方面加强。对于AP1000核电厂，FPS系统设计也为核岛厂房及设备提供消防水源和备用冷却水源，YFS仅为厂前区的办公环境和控制区外的部分生产厂房提供消防手段，两个系统互相独立。文章在实施倒送电临时消防措施的基础上，提出了用物理连接加行政控制措施使得YFS成为FPS正式备用水源的设计思想，对YFS成为FPS的正式备用，并使YFS系统进一步通过FPS成为主厂房后备热阱的可行性进行了初步讨论。

福岛核事故；消防系统；AP1000备用冷却水源；后备热阱

福岛核电站在事故处理阶段因丧失了电源和水源，而大量使用了消防水手段对厂址和设备进行冷却，为场外电源恢复争取了时间，但福岛核事故处理后期发现，因为开式冷却导致大量废水无法回收储存。

YFS（厂前区和BOP的消防系统）在标准的AP1000核电厂并没有统一的标准设计，需要具体到厂址条件。但FPS（厂区消防水系统）就是作用于1台机组的标准设计。FPS（原设计为核安全相关的系统，相关设计在福岛核灾发生之前就已经基本固化，随着设计的不断深入，技术设计单位目前将其定性为非核安全相关系统，仅仅将核岛安全壳内部的FPS管线定性为核安全相关抗震级别管线。

为了降低管理上的不到位而引起技术上的不充分，而降低核电厂的固有安全系数，有必要在结合AP1000非能动的基础上，引入YFS的长效持久能动，进一步提升FPS的纵深防御。

1 系统设计功能

对于AP1000核电厂，厂用水系统（SWS）是非安全相关系统，但丧失该系统会导致设备冷却水系统（CCS）失效。对于功率运行工况，CCS丧失将导致主泵因丧失冷却而停运，进而触发核电厂停堆。对于停堆运行工况，CCS丧失将导致正常余热排出系统（RNS）丧失热阱，进而导致堆芯衰变热移出功能丧失。因此，从提高核电厂安全性和经济性角度考虑，保障相应工况下SWS的可靠运行就显得非常重要。而FPS在物理上作为CCS的一路备用。

AP1000安全性提高的一个重要原因，是由于起到最终热阱作用的PCS的创新，PCS由1台与安全壳屏蔽构筑物结构合为一体的储水箱，以及从水箱经由水量分配装置将水输送至安全壳壳体的管道共同组成。

目前，FPS设计本身除了灭火功能外，还具有给极端情况下的余热排出提供冷源和工质功能。在发生地震加全堆失去交流电源情况下，从乏燃料水池自身热容量、补水手段及补水水源方面分析，在抗震厂房及相关管道仍然完好的情况下，从设计上可以实现乏燃料水池的补水打开阀门或闸门，进行补水管线连接等操作，但由于事故时要考虑PCCWST（非能动安全水箱）内所储存的水并不是专门为乏燃料水池设计使用，因此，需要尽快采用外部的非安全相关水源为乏燃料水池进行补水，一是通过PCS系统的抗震管线的临时接口，从外部注水；二是通过FPS系统设置在乏燃料厂房进行喷淋补水；对于乏燃料水池的补水操作，在规程中有支持文件指导进行操作，对其可达性也作了简要说明。

1.1 FPS设计特性[2]

1）系统为汽轮机房内的MCCs-ECSEC-122和ECS-EC-222保安设备提供灭火手段，以维护火灾发生后冷态停堆的能力。

2）通过水喷雾系统保护汽轮机房内的主给水泵，实现AP1000机组的冷停堆，实现非安全相关的纵深防御。

3）在安全停堆地震后，向含有安全停堆设备的区域的消火栓提供消防水，用以人工消防。

4）在失水事故后，如果消防系统还可以用，消防系统可以作为另一水源湿润安全壳穹顶或重新灌满非能动安全壳冷却系统水箱，满足非能动安全壳冷却系统的要求。

5）在失去正常设备冷却水系统功能时，如果消防系统还可以用，为正常余热排出系统的热交换器提供另一冷却水源。

6）在严重事故时，提供非安全相关的安全壳喷雾功能。

7）在消防系统可用的情况下，消防系统可以为乏燃料水池补水和乏燃料水池喷雾系统的备用水源。

1.2 YFS设计特性

1）YFS泵房与FPS泵房和机组相比更远离海岸线，被水淹的概率较低。

2）泵房和机柜远离控制区，更容易匹配和实施备用电源。

3）管网面积大，运行灵活；任何一支远端消防栓可接驳消防车，向场内消防水注入场外水源。

4）具有2台机组的可自动切换供电电源支持，具有比较可靠的后备电源。

5）供2组不同类别的5台主泵（消火栓3台和喷淋2台系统；出口压力相同），并可以用过联络管并列。

6）与FPS水质一致的水源；从水源的容量来说YFS消防水箱具有2×1 500 m3的水池，具有更多的水装量。

YFS和FPS作用于覆盖不同的区域，设计如图1所示。

图1 YFS和FPS的覆盖区域Fig.1 Different coverage areas between YFS and FPS

2 系统改进

事故后，PCS根据专设的安全信号投入运行，事故72 h不需要人员干预。事故72 h后，位于厂区的非能动安全壳冷却辅助水箱可通过PCS再循环泵同时为乏燃料水池和安全壳提供4～7 d的冷却。FPS为一回路应急补水和正常余热排出系统的热交换器冷却水源的恢复争取时间窗口，直接通过正式连接的管线为FPS提供压头和蓄水量。

为了防止FPS向YFS倒流，可在控制区之外布置一道行政隔离的手动阀，设置止回阀，并设置反冲洗手段保持水质的清洁备用。防止一旦发生管道破裂事件，泵将被隔离或不可用。

系统改进后，如图2所示。

图2 YFS和FPS并联Fig.2 Parallel connection between YFS and FPS

3 系统改进后的初步试验

海阳核电1号机组辅助变喷淋的正式消防水原设计为FPS提供，FPS现场施工进展远不能满足倒送电的需要，但YFS预期可投，调试队规划了将YFS与FPS用临时管线并列的倒送电临时消防水方案，并跟踪直至实施。实践证明，该消防临时措施充分可靠、施工方便，满足了消防验收要求，提高了辅助变压器区域临时消防系统的可靠性，提升了主厂区本身的固有安全系数。FPS系统设计为PCCWST提供水源，该方案也对YFS通过FPS进一步成为主厂房后备热阱的可行性进行初探。

3.1 路径示意

在YFS下游靠近FPS的管线开三通，用一只DN300的临时管道经过一只临时阀门直接接在常规岛FPS入口管上，在靠近变压器区域时，在临时管线上接三通接一支临时消火栓，管道走向尽量减少流动阻力。管道深埋0.5 m，确保可靠防冻。

变压器消防水流程如下:

YFS消防系统→临时管线→FPS汽轮机厂房内消防环管→辅助变压器雨淋阀组→辅助变压器水喷雾喷头。

3.2 输水管线的水力计算

水力计算公式如下：

式中:i——每米管道的水头损失，MPa/m；

v ——管道内水的平均流速，m/s；

dj——管道的计算内径，m，取值应按管道的内径减1 mm确定。

长距离输水管线的局部损失按沿程损失的5%计算，计算结果汇总如表1、表2所示。

主要投入情况如表3所示，所增加的设备投资主要是属于固定投资增加，后续运行维护量也不大。

根据消火栓泵的特性曲线，在特性曲线下限工作点0.7 MPa时，除去各管段总水头损失共计0.075 818 1 MPa，到达雨淋阀入口时仍有0.624 182 MPa的压头，满足辅助变雨淋阀入口0.59 MPa的设计要求，并且还具有第三台消火栓泵或者喷淋泵（通过再循环）的后备裕量。

调试在YFS具备使用条件前，连续向除盐水原水池（消防水源）注水冲洗，保证在移交后及时进行YFS系统调试，保证了在倒送电操作前的YFS系统投运。YFS调试过程中创造条件进行了辅助变喷淋试验，两次试验效果展现了良好的包覆性，初步证明YFS在FPS不可用的情况下给予了充分的支持（见图3、图4）。

表1 输水管线水力计算表Table1 Hydraulic calculation of feedwater pipeline

表2 输水管线水力计算表（续）Table2 Hydraulic calculation of feedwater pipeline（continue）

表3 增加设备表Table3 List of additional equipments

图3 辅助变喷淋试验Fig.3 Spray test for auxiliary transformer

图4 辅助变喷淋试验（续）Fig.4 Spray test for auxiliary transformer（continue）

4 改进方案的概率风险分析

根据设计说明，AP1000的堆芯损伤频率和安全壳放射性废物释放概率分别达到了堆芯损坏频率小于5.1E-7和放射性物质早期释放频率小于5.9E-8。极端工况下，如发生FPS消防泵组也不可用，如果大量人员进入安全壳附近进行操作，如切换电源、切换水源，安装应急电源等，必将增加应急人员的辐射量。

在进行风险评估的实际工程，不需要假定单一失效还是一个争议议题。根据不完全统计，全世界大约有442座核电机组，其中福岛和切尔诺贝利发生了消防水不可用的情况，所以假设FPS消防泵组不可用而YFS消防泵组可用的概率在0.45%（排除各种权重因子），则降低堆芯损坏频率和放射性物质早期释放频率的程度在99.55%。

事故发生后，2号机组可以给消防控制柜供电，并在控制区外打开YFS至FPS手动阀使FPS重新充水，给余热排出系统提供开式冷却和乏燃料水池提供喷淋。

CDF通过以下公式计算得到：

其中，PIEi指的是某一个初因事件的频率；Psysj指的是某一系统的失效频率。

假设FPS需要时涵盖了所有的初因高概率，FPS不可用YFS可用的概率在0.45%。

得到CDF=5.1E-7×99.55%=5.077E-7，同理放射性物质早期释放频率小于5.9E-8也会进一步下降至5.873 45E-8。

5 总结

为实现倒送电须将消防水投入备用，已将YFS通过临时管道引入常规岛FPS到达辅助变喷淋，为进一步实现YFS和FPS的并联（对于用户而言）做了一定的基础准备。

从计算的结果上得到的数据并不明显，目前我国正在研发CAP1000机组，该方案若能够进一步成为CAP1000的固有设计，将产生以下效果：

增加了设备检修的灵活性、增加了设备纵深防御的多样性，对CDF增量的贡献可以延长到大修周期，进一步完善事故管理导则。

降低控制区内柴油消防泵的柴油储备量，降低了可燃油的防火间距，降低控制区内火灾后果。

最终进一步降低堆芯损伤频率以及安全壳放射性废物释放概率的数量级，进而提升核电厂的固有安全系数，增强社会大众的信心，促进核电事业发展。

总之，该方案结合核电厂的实际情况并利用现有设备，在不违反设计原则的基础上加强纵深防御功能，从而达到提升AP1000核电站固有安全系数的目的。

[1] 羽佳. 调查称福岛核事故是人为原因所致[N]. 新浪财经讯，2012-07-05.（YU Jia. Investigation says Fukushima nuclear accident is due to human error[N], Sina Financial News，2012-07-05.）

[2] 西屋电气公司. 西屋公司的AP1000先进非能动型核电厂[J]，现代电力，2006，5（23）.（Westinghouse designed AP1000 advanced passive nuclear power plant[J], Modern Electric Power, Westinghouse, 2006, 5(23).）

Improvement of Design Function of AP1000 Fire Water Cooling Effect

ZHANG Bao-guo
(Shandong Nuclear Power Co.，Ltd.，Haiyang of Shandong Prov. 265116，China)

Experience feedback of wide use of fire fighting water means as the ultimate cooling source in the process of Fukushima accident treatment proved that the backup heat sink needs to be further strengthened in terms of timeliness and adequacy. The design of FPS system (NI and CI fire protection system) also provides fire fighting water and backup cooling water for nuclear island building and equipment. YFS (yard fire water system) only provides fire protection measures for the office buildings in the front zone of the plant and part of the production buildings outside the control zone. The two systems are independent from each other. Based on temporary fire protection measures for reverse power transmission, the design concept of physical connection plus administrative control measures to make YFS become the formal backup water source of FPS was put forward. The feasibility of making YFS become the formal backup water source of FPS and making YFS further become the backup heat sink of the main building was preliminarily discussed.

Fukushima nuclear accident；FPS；AP1000 spare cooling water；backup heat sink

TL37 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)03-0212-06

TL37

A

1674-1617(2014)03-0212-06

2014-05-17

张保国（1979—），男，山东莱芜人，工程师，本科，从事核电厂调试工作。