故障树法在压水堆一回路功率波动原因分析中的应用

吴建如 段贻杰

摘要：压水堆核电站在正常运行过程中，维持反应堆核功率的稳定，对保证电站的核安全至关重要。文章在核电站实际运行经验的基础上，利用故障树理论对各种可能导致反应堆一回路功率异常波动的原因进行了分析，绘制了故障树，并提出了处理方案。研究有助于电厂技术人员更快更准确地定位设备故障原因并及时处理。

关键词：故障树;压水堆;功率波动

压水堆核电站在功率运行期间，维持反应堆一回路功率稳定对核安全至关重要，功率的异常波动会引起堆芯反应性等一系列参数的波动，严重时会威胁到反应堆的安全。因此，有必要对压水堆核电站一回路功率波动的原因进行系统分析和总结。故障树分析法（FTA）是一种将故障形成的原因由整体到部分按树状结构进行逐级细化划分的分析方法，是核动力行业重要的安全分析方法之一。

1 构建故障树

功率运行过程中造成压水堆核电站一回路功率波动的原因，结合核物理关于反应性的影响因素，主要有以下几个方面：（1）一回路冷却剂硼浓度的变化;（2）反应堆控制棒的插入或提出;（3）一回路温度的异常变化;（4）反应堆燃料毒物（主要是指燃料中氙浓度）的变化。故障树选取反应堆功率波动作为顶事件，故障树图如下所示。

2 故障原因分析及应对措施

结合故障树，下面分别从四个方面对造成功率波动的原因进行分析。

2.1 反应堆一回路硼浓度的变化

压水堆核电站一回路冷却剂中选择加入硼10用于补偿燃耗，因此冷却剂中硼浓度的改变将直接影响着反应堆的中子通量，进而影响功率。引起冷却剂中硼浓度改变的原因主要有以下几种：①低硼浓度水进入一回路造成硼浓度降低，可能情况主要有误稀释、设备冷却水向一回路泄漏、树脂净化单元意外投入、管道残水进入一回路。②高硼浓度水进入一回路，可能情况有误硼化、安全注入系统意外动作、管道残留硼酸进入一回路、换料水箱高浓度硼水进入一回路。③新配置的硼酸不合格导致硼10丰度发生改变。对于此类故障的诊断，通常可以通过在线硼浓度监测仪表读数的变化进行甄别。如果出现此类情况，建议立即根据一回路功率的变化情况，先通过稀释或硼化的方法维持反应堆功率稳定，然后再根据故障原因，逐个消除。

2.2 反应堆控制棒的插入或提出

压水堆核电站设置有控制棒，用于堆芯反应性改变的快速响应，主要分停堆棒、功率棒和温度棒。任何棒组棒位的改变均会引起堆芯反应性的改变，而且速度较快。出现故障的原因有以下几个方面：①弹棒/落棒事故，此类情况为反应堆设计基准事故，事件发生后可能导致一回路破口或停堆等事故，由专用的事故规程进行处理。②控制棒自动控制系统异常，可能导致控制棒非预期地上提或下插，这类情况可以通过控制棒棒位监测系统快速发现异常。此类故障处理较为简单，将控制棒转为手动控制即可。③人为误操作。

2.3 一回路温度的异常变化

压水堆核电站在实际运行过程中，反应堆功率的异常变化，其绝大多数情况均是由于一回路冷却剂温度的变化所致，进而导致一回路功率的波动。因此，对一回路温度变化原因的分析，是整个故障树的重点。

（1）蒸汽发生器给水温度降低。蒸汽发生器给水温度降低，直接会影响蒸汽发生器传热管的二次侧温度。其主要原因有高压/低压给水加热器加热不足、除氧器压力下降、备用主给水泵意外启动等。

（2）二回路蒸汽量突然变化。蒸汽量增加的主要原因有汽轮机蒸汽调节阀意外开大、汽轮机热效率降低（疏水阀意外开启、回热抽汽失去、冷凝器真空异常等）、汽轮机负荷意外增大、蒸汽旁路排放系统意外投入、其他蒸汽用户的突然投入和退出。蒸汽量减少的原因主要是由于汽轮机主汽门的瞬间关闭，但随后由于效率变差，其他主汽门又会逐步开大。

（3）蒸汽發生器二次侧蒸汽的异常泄漏。主要分反应堆厂房内给水管道/蒸汽管道的泄漏、反应堆厂房外蒸汽管道的泄漏。对于此类故障，反应堆设计时已将其作为基准事件进行了考虑，由专用的故障规程进行处理。但对于微小的泄漏，则必须做进一步的分析。而对于此类故障最明显的特征则是二回路水装量的减少。

（4）汽轮发电机组负荷突变。汽轮发电机运行过程，由于外电网等外部因素及汽轮发电机自身的原因，导致其负荷快速变化。在这种情况下，由于反应堆功率变化相对较为滞后，通常会引起一回路温度的异常变化。

（5）一回路冷却剂的意外流失。这类故障会引起其他更重要参数的变化，此处不做进一步分析。

对于此类的故障，尤其二回路汽轮发电机相关异常引起的一回路温度变化，控制策略首先应该是控制一回路功率以防止反应堆超功率，而非故障本身的处理。常用的处理方法即改变二回路汽轮发电机组的出力，或者限制二回路蒸汽流量。

2.4 反应堆毒物的变化

压水堆核电机组，在燃料毒物方面主要考虑Xe毒。在机组功率变化或者氙振荡试验等工况后的一段时间内，会发生局部的氙振荡引起功率的变化，尤其在最初的24h内。对于这种情况，只需要根据反应堆一回路温度变化趋势，通过稀释/硼化或者控制棒加以干预即可。

3 结语

本文应用故障树的分析方法，对某大型商用压水堆核电站反应堆一回路功率异常变化的原因进行了分析，绘制了功率异常变化的故障树，有助于电厂运行人员更快、更准确地定位故障原因并及时处理机组瞬态。

参考文献：

[1]张晓东，等.基于故障树的某型船主冷凝器真空偏低原因分析.船舶工程，2016，增刊2.

[2]濮继龙.大亚湾核电站运行教程.原子能出版社，1999.