秦山第二核电厂主蒸汽隔离阀故障关闭的事故后果及处理策略

胡 委

（中核核电运行管理有限公司）

一、引言

2013年8月11日国内某核电厂1号主蒸汽隔离阀驱动油回路发生泄漏，所幸运行人员和维修人员及时抢修，避免了机组紧急停堆。

2014年8月5日，美国LaSalle核电厂2号机组在正常运行期间1台主蒸汽隔离阀意外关闭，之后反应堆由于高功率通量而自动紧急停堆。

2017年7月，国内某核电厂运行人员现场汇报2号主蒸汽隔离阀阀体保温层处发现明火，当班值长宣布电站启动应急待命，随后主控室操纵员执行停机停堆操作。

主蒸汽隔离阀（MSIV）位于压水堆核电厂主蒸汽系统管道上，其设计依据是在单一故障的假设下，当在安全壳内的或在径向限位器下游的蒸汽管线破裂后，把失控的蒸汽排放限制到不超过一台蒸汽发生器的水装量。事故工况下它能在收到主蒸汽管线隔离信号后5秒内快速关闭。

尽管主蒸汽隔离阀是核安全重要设备，但目前国内核电机组普遍没有针对主蒸汽隔离阀故障关闭情况下适用的规程，为了在主蒸汽隔离阀故障关闭事故时给主控室操纵员提供一个清晰的处理思路，因此有必要分析主蒸汽隔离阀故障关闭的事故后果。

本文以秦山第二核电厂（以下简称秦二厂）3号机组为例进行分析和研究。秦二厂3号机组是双环路的压水堆核电机组，每条环路上设置一台蒸汽发生器和一台主蒸汽隔离阀，两个主蒸汽隔离阀下游合并成一根公共的主蒸汽管道通向汽轮机。主蒸汽隔离阀为平行双闸板阀门，设计压力为8.6MPa，额定功率下运行压力为6.66MPa，正常运行工况下阀门全开。

二、主蒸汽隔离阀故障关闭的事故后果

由于两个环路的主蒸汽隔离阀同时故障关闭的概率极低，同时设计上两台主蒸汽隔离阀同时关闭后反应堆紧急停堆，事故后果有限。但单个主蒸汽隔离阀故障关闭情况下随着反应堆所处工况不同所引发的事故后果也不相同，因此有必要进行深入研究，下文所述均是针对单个主蒸汽隔离阀故障关闭的讨论。

（一）主蒸汽隔离阀故障关闭对反应堆两个环路的影响

故障主蒸汽隔离阀开始关闭以后，故障环路平均温度逐渐升高，而完好环路平均温度逐渐降低，两个环路平均温度逐渐偏离整定值，呈现出一个环路“偏热”，另一个环路“偏冷”的现象。由于核电厂控制核功率的手段之一是控制一回路平均温度（次高选的平均温度），因此单个主蒸汽隔离阀故障关闭，次高选的一回路平均温度持续上涨，这将对反应堆的控制方式产生巨大影响。

（二）主蒸汽隔离阀故障关闭对棒控系统的影响

由于棒控系统采集一回路次高选平均温度，因此控制棒一直接收到下插指令，控制棒连续下插直至以最大棒速下插，核功率逐渐下降，这对事故影响是积极的。但由于控制棒最大棒速仅为72步/分钟，同时平均温度变化是个相对缓慢过程，尤其在主蒸汽隔离阀关闭的前半程一回路平均温度变化并不大，因此在事故进程中因控制棒自动下插导致核功率降低的情况并不多。

（三）主蒸汽隔离阀故障关闭对蒸汽旁路系统（GCT-c）的影响

正常情况下蒸汽凝汽器排放系统（GCT-c）处于温度模式（T模式）控制，GCT-c开度正比于次高选平均温度与平均温度整定值之偏差。在故障主蒸汽隔离阀开始关闭以后，送到GCT-c控制系统的平均温度并不能代表两个环路真实的运行情况，GCT-c系统一直接收到正向的开度信号。出现甩负荷或者停机等允许信号后GCT-c阀门立即开启，导致蒸汽流量瞬间上涨，而此时排放的蒸汽实际上主要来自完好环路蒸发器，进一步加剧完好环路蒸发器的“冷却”效果，导致完好环路蒸发器的温度和压力迅速降低直至平均温度低低（284℃）信号出现。虽然平均温度低低信号连锁关闭GCT-c阀门，但关闭GCT-c阀门需要一定时间，很可能因蒸汽流量高叠加平均温度低低或者蒸汽压力低信号触发自动安注。

（四）主蒸汽隔离阀故障关闭对主给水控制系统的影响

在故障主蒸汽隔离阀关闭过程中，故障环路蒸发器压力持续上涨，完好环路蒸发器的压力在逐步降低。由于主给水转速控制系统中汽水压差采集信号为主给水母管与主蒸汽母管的压差，该设计导致在故障主蒸汽隔离阀接近关闭或关闭之后主给水母管与主蒸汽母管的压差明显高于整定值，电动主给水泵转速和出口压力将急剧下降，最终主给水泵出口压力低于故障环路蒸发器压力，故障环路蒸发器供水严重不足触发蒸发器低低水位紧急停堆。此外故障主蒸汽隔离阀关闭之后故障环路蒸发器压力上涨也会“压缩”蒸发器水位，但同时故障环路的平均温度也在快速上涨，对蒸发器水位起到一定的“膨胀”作用，但这两者相对于主给水泵压头降低来讲都是次要因素。

三、主蒸汽隔离阀故障关闭的仿真模拟

为了更全面地研究单个主蒸汽隔离阀故障关闭的事故后果，我们利用秦二厂CP660仿真模拟机分析秦二厂3号机组主蒸汽隔离阀故障关闭的事故后果，CP660仿真模拟机是根据秦二厂3号机组1∶1比例仿真制作。试验中选取夏季工况，对应海水温度32℃，选取电功率为640MWe（夏季工况满发水平）、350MWe和200MWe三个平台进行分析研究。试验中假定1号主蒸汽隔离阀完好，2号主蒸汽隔离阀故障关闭，试验过程中假定自动控制系统全部动作正常。分别选取6分钟、30秒和3秒关闭时间进行测试，其中6分钟对应正常情况下的关阀时间，3秒对应阀门快关时间，降负荷速率（5%Pn/min）对应反应堆设计最大降负荷速率。测试结果见表1。从测试结果可以看出，在选取的各个功率平台主蒸汽隔离阀直接关闭都触发自动紧急停堆，高功率水平下由超功率ΔT产生停堆信号，中、低功率水平下由对应蒸发器低低水位信号停堆。

表1 2号主蒸汽隔离阀故障关闭测试结果

在超功率ΔT计算公式中当平均温度升高时其整定值降低，平均温度增加过快时也会导致整定值降低，因此当超功率ΔT整定值下降至与实际值一致时将触发紧急停堆。此外在超功率ΔT触发停堆之前会触发汽轮机RUNBACK信号，但由于超功率ΔT整定值下降过多同时受限于控制棒棒速，反应堆很快自动紧急停堆。而在中、低功率水平下超功率ΔT整定值和实际值偏差很大，即使故障主蒸汽隔离阀全关时也很难上涨到对应停堆定值，因此对于此种功率水平首发停堆信号是蒸发器水位低低。

对于上表测试结果，值得关注的是在多个工况下均会触发自动安注，安注动作的原因均是蒸汽流量高叠加平均温度低低信号。由于仅有一个主蒸汽隔离阀处于开启状态，反应堆停堆后通过蒸汽凝汽器排放系统（GCT-c）排放的蒸汽流量比正常情况下要小得多。同时GCT-c选取的是次高选平均温度，其开启信号与故障主蒸汽隔离阀所在环路的平均温度有关，因此会造成完好环路“过冷”的现象。当完好环路触发平均温度低低信号以后才会闭锁GCT-c的开启信号，但如果此时GCT-c阀门开度过大，则很有可能造成蒸汽流量高信号持续存在。以测试2为例，当反应堆紧急停堆时故障蒸发器所在环路和完好蒸发器所在环路的平均温度偏差接近10℃（从零功率到满功率一回路平均温度仅变化约20℃），在停堆瞬间GCT-c要求开度过大，当平均温度低低信号（284℃）出现时记录到的蒸汽流量仍高达900t/h以上，超过安注动作定值。在测试5中，当完好环路平均温度降至低低定值时对应的蒸汽流量高达1100t/h。在CP660仿真模拟机上通过适当延长GCT-c关闭时间，在200MW及以上功率水平时很容易触发安注动作，而正常情况下200MW功率平台不会发生安注动作，因此GCT-c系统对事故的进程起到关键的作用。

此外在350MW平台下仍然有发生自动安注的可能（测试6），主要是因为此时一回路平均温度本身较低，在降负荷过程中实际上完好环路平均温度更接近低低定值284℃。

然而在测试1中却并未发生自动安注，其原因在于主蒸汽隔离阀完全关闭之前已经由超功率ΔT触发停堆，完好环路平均温度降低幅度不是很大，紧急停堆后在同样的GCT-c开启的时间下不会导致平均温度低低信号出现。

四、主蒸汽隔离阀故障关闭的处理策略

通过以上的分析可知，如果发生单个主蒸汽隔离阀故障关闭，在200MWe以上的功率水平除了触发反应堆紧急停堆外还有可能触发自动安注使事故升级。为了有效避免自动安注，同时尽可能避免紧急停堆，可以从以下几个方面进行考虑。

（一）快速降负荷

当发现主蒸汽隔离阀故障以后（可能这种故障不是立即生效的，比如发生火情），立即以5%Pn/min速率降负荷直至汽轮机打闸，然后手动降低核功率至热停堆状态，关闭主蒸汽隔离阀（建议两个主蒸汽隔离阀都关闭，以减少两个环路的平均温度偏差），维持反应堆在长期热停堆状态下运行。如果在降负荷期间主蒸汽隔离阀故障全关或者尚未开始降负荷时就发生主蒸汽隔离正在缓慢关闭情况，应当避免将机组维持在较高的核功率水平，当班操纵员和值长应立即将汽机打闸，核功率将很快下降到20%Pn左右，然后按照上述指导原则进行操作。从表1中测试6、7对比可以看出降功率运行对事故处理是有效的，但在满功率水平下仅靠降功率这个单一手段还是不能避免自动安注的发生。

（二）将蒸汽凝汽器排放系统切至压力模式控制

正常情况下蒸汽凝汽器排放系统（GCT-c）处于温度模式（T模式）控制。在主蒸汽隔离阀故障关闭时两个环路的平均温度偏差很大，可以考虑将GCT-c切至压力模式（P模式）进行控制，切断与一回路平均温度的联系，让GCT-c系统直接控制主蒸汽母管的压力，防止GCT-c系统过度排放蒸汽造成完好环路平均温度低低或者蒸汽管道压力低低信号触发从而消除安注风险。根据表1中各个测试序列在主蒸汽隔离阀故障关闭前将GCT-c切至压力模式（远方整定值）进行控制，发现各个测试序列中均没有发生自动安注，证明将GCT-c置于压力模式确实可以有效避免自动安注的发生。

（三）降低故障环路蒸发器压力

根据前述分析结果，一旦故障主蒸汽隔离阀全关之后，其对应的蒸发器压力将迅速上涨，如果不及时干预蒸发器将丧失给水从而触发停堆，同时蒸发器也有超压的风险，通过主动降低故障环路蒸发器压力可以有效缓解上述风险。在故障主蒸汽隔离阀尚未完全关闭之前开启对应的大气排放系统（简称GCT-a）阀门可以降低故障环路蒸发器压力，开启GCT-a阀门可以手动直接开启或者调低整定值方式让其提前开启。同时必要情况下对主给水控制系统进行手动干预，调高主给水泵出口压力，避免故障环路蒸发器因供水不足导致低低水位停堆。

通过CP660仿真模拟机在200MW功率水平进行测试（此时故障主蒸汽隔离阀已经关闭），一方面以5%Pn/min速率快速降负荷，一方面逐步降低故障环路蒸发器压力，同时调高主给水泵出口压力，实现仅单个主蒸汽隔离阀开启情况下将机组过渡到热停堆状态，避免反应堆紧急停堆和自动安注的发生。

（四）加强指导和培训

编写主蒸汽隔离阀故障关闭情况下的操作规程或指导文件，针对主蒸汽隔离阀故障关闭事件开展主控室操纵员的专项模拟机培训，提高其对该事件的应急处理能力等。

五、结语

主蒸汽隔离阀是核安全重要设备，在发生漏油、火灾等故障情况下，需要主控室操纵员及时采取措施进行干预，否则反应堆将会自动停堆，甚至发生自动安注。

本文以秦二厂3号机组为例，分析了主蒸汽隔离阀故障关闭的事故后果，提出快速降负荷、切换蒸汽凝汽器排放系统控制模式、降低故障环路蒸发器压力等处理策略，通过仿真模拟机验证该方法可以有效避免反应堆自动安注，在低功率水平下通过简单操作甚至可以避免反应堆紧急停堆，为主控室操纵员在处理类似事故时提供了良好的处理思路。