AP1000消防水系统在机组事故工况下的运行特点分析

杨润

摘要：AP1000消防水系统在组成与运行上与国内的核电站有很大不同，除了支持消防外还承担缓解机组事故功能，本文对AP1000消防水系统在各种事故工况下的运行特点和运行中需关注的问题进行了分析和探讨。

关键词：消防水系统；事故运行；运行特点与对应思考

1.概述

AP1000采用第三代压水堆技术，采用了大量的非能动设施和水源，AP1000机组消防水系统在设计和运行上也与传统压水堆的消防系统有很大不同，AP1000消防水系统不仅在火灾事故中承担消防作用，并且在可在机组其他事故工况下提供SFP补水、RNS冷却、安全壳喷淋等缓解严重事故的能力，起到缓解事故的作用，本文对AP1000消防水系统的设计和运行特点，特别是事故情况下的运行特点进行分析。

2.AP1000消防水系统系统组成

2.1能动的消防供水系统

能动消防水源采用两个主副消防水箱，实际消防水容量为1390m3的消防水箱、一台电动消防泵、一台柴油机消防泵、二台消防稳压泵、消防管网及管网末端的自动喷淋灭火装置和手动灭火装置等组成。自动灭火装置包括干管、湿管、预作用阀、水喷雾阀；手动灭火装置包括消火栓和立管。水源）补水。系统流程如图1：

图1能动消防水系统

2.2非能动的消防供水系统

其设计上用于保护SSE下安全停堆设备执行其安全停堆功能，免受火灾影响。其保护的安全相关设备安全壳内的有PXS、RCS、SGS、安全壳隔离阀，安全壳外的有PMS、1E级IDS和反应堆安全壳隔离阀。该系统的消防水储存于抗SSE的PCCWST中，容量为68.1m3，储水量足够供应两个消火栓，每一个消火栓流量为17.03m3/h，同时使用2小时，该系统由PCCWST的静水头维持系统压力。安全壳冷却辅助水箱（PCCAWST）内也有消防专用水，由PCS系统的辅助水泵向消防系统供水，具有同样的流量。

3.消防水系统在机组事故工况下的运行

3.1火灾情况下系统反应

3.1.1非SSE火灾情况

火灾发生后，火灾探测器动作，在主控室MFPP和LFACP就地消防盘产生火灾报警，并联动相应的自动喷淋设备，包括干式噴头，湿式喷头，预作用喷淋阀，雨淋阀或水喷雾阀；没有自动灭火系统的区域通过手动灭火系统，包括消火栓和消防立管，由人工进行喷淋灭火。当消防水动作后，前期的消防水流量由稳压泵提供，随着消防管网压力持续下降，电动消防泵的出口压力降到一定值时，将启动电动消防泵。若电动泵故障启动不成功或启后管网压力继续降低时，柴油消防泵根据压力信号启动，当火灾扑灭后，操纵员手动停运电动泵和柴油驱动泵。

AP1000自动灭火系采用了干式，湿式，预作用喷淋阀，雨淋阀或水喷雾阀等灭火装置，其中干式和湿式运行原理较为简单，预作用阀和雨淋阀比较复杂，预作用阀的运行原理集合了其他三种阀门的特性。

3.1.2在SSE情况下火灾

当发生SSE时的火灾，能动消防水系统被视为不可用，通过PCCWST的静压头向具有安全停堆功能的系统设备供水。若发生在安全壳内，此时，PCCWST中的最低消防水位为168m，安全壳内需要其供水的最不利标高点为105m，静压差最低为63m，即通过这一不少于63m的静压头，使PCCWST水箱中的抗震水源通过常开手动阀门PCS系统向安全内立管和消火栓供水。若火灾发生在安全壳外，则PCCWST水箱中的抗震水源通过常开手动阀门分别向核岛厂房三个不同区域的的手动和自动灭火系统供水。在发生安全停堆地震的设计基准事故时，如果PCS启动，则PCCWST内的消防专用水会被安全壳喷淋消耗掉，如果紧接着发生火灾，PCS再循环泵从PCCAWST水箱吸水，利用PCCWST的充水管道为抗震立管系统提供专用消防水。

3.2缓解严重事故的安全壳喷淋

在超设计基准事故时，堆芯降级从而导致大量的放射性物质释放到安全壳大气中。这个放射性的活度由惰性气体、微粒和少量的元素碘和有机碘，大部分的碘将以微粒形式存在组成。气载活性的去除由自然过程（即沉降，离子扩散，热迁移）来完成，大量的非气态气载活性将最终沉降在安全壳地坑溶液内。从而降低严重事故后的安全壳空间内的剂量。如下图（图2）：

图2安全壳喷淋

安全壳的喷淋集管和喷嘴：安全壳的喷淋集管包含一个流向两个置于安全壳环吊上方的环形集管的集管。安全壳的喷淋环形集管和喷淋管嘴被布置成使得安全壳覆盖体积最大。一个下部的环形集管被置于电厂标高260英尺（148.77m）处，包含44个喷淋管嘴。一个上部的环形集管被置于电厂标高275英尺（153.34m）处，包含24个喷淋管嘴。消防系统集管在安全壳背压为（0.138MPa）时为每个喷淋管嘴提供3.45m3/hr的设计流量，从而整个安全壳喷淋流量约为234.85m3/hr的喷淋流量。

安全壳喷淋的运行除了因为来自于消防水箱的喷淋水造成的消防系统的装量的减少外，对该系统的可用性无影响。为了维持灭火的装量，第二消防水箱在安全壳喷淋运行期间被隔离。因为消防系统运行在管道是充满和加压的这样一种能动备用状态下，所以FPS-V050和FPS-V701被打开则这个系统将会执行其安全壳喷淋功能。当因为喷淋造成的消防主管网中的水压开始下降时，电动泵在收到一个低压信号后自动启动，如果电动泵失效无法启动，则柴油机泵在收到低压信号后启动，打开水箱之间的连接管线上的手动阀，泵将会持续运行直到手动关闭为止。

3.3失去全部CCS时RNS换热器的冷却

AP1000在设计上考虑在汽轮机厂房发生大面积火灾，正常安全停堆设备的停堆功能由于火灾丧失时，安全相关的非能动堆芯冷却系统PXS和安全壳喷淋系统PCS可在不需操纵员干预下在72小时内冷却反应堆并维持反应堆安全停堆状态。对于AP1000，由于火灾导致CCS或SWS全部换热器失去时，在火灾扑灭后，在停堆后72小时由FPS系统消防水实现反应堆的冷停堆并维持冷停堆工况。FPS通过CCS管道向RNS换热器的一列提供冷却水，导出堆芯余热。

FPS设置一个与CCS系统固定连接接口，通过一个常闭的手动闸閥和CCS系统热交换器出口的供水集管相连，正常时处于常关状态，当需要消防水供应冷却水时，需要操纵员手动关闭CCS供水集管和回水集管上的隔离，防止冷却水旁通RNS换热器，就地打开附属厂房的消防水集管向CCS的供水阀，打开向RNS换热器和泵供冷却水的阀门，FPS消防水通过RNS换热器冷却一回路冷却剂后流经贯穿附属厂房和废物厂房的管道排向厂房外的雨水排放槽。

3.4严重事故为乏池补水

AP1000的乏池系统为SFP设计了喷淋功能，该功能为缓解超设计基准事故下，乏池蒸干的后果起到重要作用。其喷淋方式与传统核电厂的安全壳喷淋相似，都是将水从顶部喷下，起到降温和限制放射性物质扩散的作用。SFP设置两组喷淋管线，一组来自FPS系统，另外一组来自PCS系统。每组包括16个喷淋支管和喷淋头，分别布置在SFP的西侧和东侧墙体上，喷淋头的布置稍低于操作平台，标高约为134英尺。该喷淋管线接自厂区消防管网，该管线上设置有一个手动隔离阀，该阀位于核辅助厂房12361房间，需要运行时，操纵员手动打开该阀，将辅助厂房消防管网的消防水供到尺寸3英寸的喷淋集管上，共提供约为54m3/h的流量用以SFP喷淋。

4.各种运行工况下的分析与思考

4.1火灾时消防水系统运行的思考

目前设计的消防仪控系统为非抗震级，不具备抗震能力，当发生SSE，考虑其不可用，需要运行人员现场确认火情，并利用抗震立管和消防栓手动灭火。而在发生SSE时必须可用以确保安全停堆的系统设备包括PXS、RCS、SGS、安全壳隔离阀，PMS、1E级IDS等，一旦这些设备区域发生火灾，在无消防仪控报警的情况下需要操作人现场确认，这在实际过程会增加运行工作量，实施起来难度也较大，不利于火灾的及时扑灭。

4.2严重事故进行安全壳内喷淋运行的思考

在停堆时为了保证安全壳内的消防，安全壳隔离阀V050由运行人员手动打开，为安全壳内立管供消防水，此时安全壳内消防管网处于充压状态，而喷淋管线上只有气动阀V701保持关闭，一旦发生失去压缩空气V701失效打开或V701泄漏时，消防水就经过喷淋管线和喷头向安全壳内喷淋，对于正在进行换料的换料水池，会产生误稀释，导致换料水池内的硼浓度降低。为了防止这种可能发生的误喷淋，造成对换料水池的误稀释，在打开安全壳隔离阀V050之前可以手动关闭V701上游的手动阀V700，进行隔离，但V700阀门位于安全壳内，操作时需进入安全壳建议将V701上游的手动阀V700设置成电动阀，正常保持打开状态，在停堆换料或安全壳内发生火灾需要打开安全壳隔离阀V050时，由操纵员主控室手动关闭电动阀，保证喷淋管线的可靠隔离既可保证正常运行时安全壳喷淋的可靠隔离，又可保证在堆芯降级的严重事故后期，安全壳喷淋的可靠运行。

4.3CCS两列全部丧失时为RNS换热器补水运行工况的思考

FPS向RNS换热器供应的冷却水流量最初设计为600gpm（138m3/h），因无法满足AP1000在停堆后的堆芯衰变热导出要求，最终西屋将数据变更为1100gpm（250m3/h），堆芯余热导出所需水量与停堆后时间关系如图3，1100gpm的流量在停堆后72小时可保证将反应堆从安全停堆模式4工况冷却到冷停堆模式5工况并维持在冷停堆状态。单台消防泵的容量为454m3/h，可满足流量要求，但是为FPS水箱补水的RWS系统的补水能力只有625gpm（141m3/h），无法维持RNS换热器1100gpm的冷却流量要求，从停堆后72小时到冷态后的210小时内，RWS水量不足以保持冷停堆状态（如表1），西屋设计中并没有设置另外的补水水源，只是使用移动式空气冷却器通过RNS换热器的FPS供水管道供水和排水口的消防软管与RNS换热器相连，进行冷却，但是在堆芯余热导出的最初阶段由于热负荷较大导致的移动式冷却器尺寸较大，不便移动并无法在换热器房间内布置，只有在FPS对堆芯冷却到一定阶段，衰变热降低时才使用容量较小、尺寸较小的移动式冷却器。对于使用多少容量和尺寸的移动式换热器，具体何时投入使用设计中并没有说明。建议此时采用临时泵和接管从其他水源取水为消防水箱补水，如PCCAWST水箱和DWS除盐水箱，或使用消防水车对消防水箱补水。

5.总结和建议

以上对AP1000消防水系统的各种工况下的运行特点及思考，从中可以看出AP1000的消防水系统相比国内其他核电站不论是在系统布置和系统运行上都有较大不同，AP1000消防水事故工况下作为一种备用水源，系统功能较多，与其他系统的接口也比较多，运行中出现问题的几率也相应增加，因此在今后的运行中应该注意和可以改进的几点有：

1）日常运行中首先要保证消防水的水质，因为消防水系统在机组正常运行时处于备用，管网里面的水为“死水”，容易腐蚀生成杂质，使消防水质恶化，因消防水事故工况下作为一种备用水源，系统功能较多，因此在正常运行时除了进行加药保证水质外，还应定期打开末端的手动阀，进行排水，避免水质进一步恶化。

2）与各系统之间的接口较多，包括安全壳喷头、SFP喷头、CCS换热器的相连，正常运行处于备用时应做好在线及相应隔离措施，避免不必要的误动作。针对消防水系统的各种事故运行工况下的规程还不是很完善，今后应进一步完善针对以上几种事故下运行规程。

3）建议配置气体稳压系统，气体稳压在国内其他核电站中使用较多，并且经验表明运行良好。气体稳压系统包括稳压罐和为其补水补气的补水泵、空压机、缓冲罐，维持在备用状态，满足火灾初期的灭火要求；相比于电动稳压泵，在日常运行的经济性较好。

4）建议将安全壳内喷淋管线上在V701的上游手动阀V700设为常开的电动隔离阀，保证正常运行时安全壳喷淋的可靠隔离，特别是停堆换料期间防止对换料水池的误稀释。

参考文献

[1]SMG-FSAR-GL-700（三门核电一期工程1&2号机组最终安全分析报告）[S].2017.7

[2]SMG-FPS-M3-101（三门核电一期工程常规岛及其BOP消防系统说明书）[S].华东电力设计院，2011.3