全厂失电工况下PRHR冷却分析及运行风险

郭恩良

三门核电有限公司 浙江台州 317112

福岛事故主要是地震海啸使电厂失去所有交流电源（SBO），衰变热无法排出，先后发生氢气爆炸和核泄漏。事故发生后，安全分析对核电厂在SBO事故下安全性能提出了更高的要求。AP1000设计中通过重力、自然循环等非能动的自然驱动力，将堆芯余热和安全壳热量排出。主冷却剂系统的PRHR是非能动系统的重要组成部分，事故时通过PRHR自然循环导出衰变热，确保安全。

1 系统介绍

非能动余热排出系统包括非能动余热排出热交换器（PRHR HX）、管道、阀门和仪表。PRHR HX布置在安全壳内换料水箱（IRWST）中，以水箱的水作为冷却介质。PRHR HX和反应堆之间存在位差和温差，由此产生反应堆冷却剂的自然循环压头[1]。

2 事故场景模拟

采用三门核电一号模拟机模拟SBO事故下，PRHR投入及失效两种进程的动作序列、瞬态响应及堆芯冷却分析。

场景一：PRHR投入

假设电厂事故前100%功率水平运行，一、二回路运行参数及设备正常。其事故变化及进程如下：

发生SBO后，主泵转速降低使反应堆停堆，一回路由蒸汽发生器带出的热量减少，且蒸汽发生器内的液位快速下降。一回路平均温度上涨，导致一回路的压力也上升，随着蒸汽发生器内的窄量程水位持续下降到低2（21%），由于失电导致启动给水泵无法启动，触发PRHR动作。

PRHR投入对一回路有很明显的冷却效果，由于传热管内积存的冷却剂温度较低，初始流量较大。之后随着自然循环的注入，流量减小并趋近于较小的流量值，IRWST的水温稳步上升，一回路温度和压力逐渐减小，进入较稳定的冷却阶段。

随着PRHR投入，IRWST内的水将沸腾，蒸汽排入安全壳，安全壳内的压力达到高2（42.75kPa）时，触发PCS动作，大气作为最终热阱。

模拟场景小结：SBO事故下，PRHR有效投入的工况，与安全分析中丧失正常给水叠加失去交流电源工况相似。事故发生后，PRHR排热功率与堆芯衰变热可以相互匹配，使一回路进入长期冷却过程，最终保持在安全停堆状态。

场景二：PRHR失效

假设电厂在事故前运行在100%功率水平上，一、二回路运行参数及设备正常，但PRHR出口阀门不能正常开启。其事故变化及进程如下：

初始阶段趋势及进程与场景一相同，但PRHR触发后由于PRHR出口阀无法开启，PRHR未投运。一回路热量主要依靠蒸汽发生器及大气释放阀排出。随着SBO时间延长，仪用空压机无法启动，压空压力降低导致CMT动作，CMT内大量较冷的含硼水靠重力注入堆芯，使温度和压力降低，稳压器的液位和堆芯功率降低，堆芯进入较稳定的冷却过程。但由于丧失热阱，在CMT内冷水注入后，一回路平均温度和压力将回升，直至触发ADS，对一回路泄压，最终在ACC、IRWST等安注水源共同作用下维持堆芯淹没。

场景小结：SBO事故下，PRHR失效的工况对比正常投运，一回路的压力和温度都显著升高，DNBR降低，使运行工作点更加靠近PTLR限制的曲线，给安全运行带来挑战。稳压器内的水位长时间保持在较高水位，给稳压器的安全阀运行带来风险，一旦系统波动，可能出现安全阀带水排放，导致稳压器安全阀回座不严密，给后续恢复操作带来严重影响[2]。

3 PRHR 运行风险

从上可知PRHR的投运对事故发展有十分重要的缓解作用。而PRHR出口气动隔离阀的故障成为了运行中不可忽视的风险点，应尽量将故障风险降至最低，而定期的预防性维修是降低阀门故障概率的关键。当前存在以下风险点，具体如下：

3.1 工作频度的分级

目前三门核电预防性维修是按照设备可靠性平台来执行。PRHR HX出口气动阀按照当前设备可靠性平台中设备分组为CLS，即设备分级为关键设备（C），工作频度低（L），工作环境恶劣（S）。对于两个出口阀门，是调节类型的阀门，按照气动阀频度定义，这两个阀门应定为工作频度高。另外虽然阀门处于常关状态，但是在应急停堆时可作为调节阀操作，不能简单的只依据阀门处于常关状态定义为工作频度低（L）。

设备分级决定维修策略，工作频度低L与工作频度H的预防维修周期分别为3C（3个燃料循环）和2C（2个燃料循环）。按照3C维修策略，则近五年才对阀门进行一次维修或更换，如按照2C标准，则三年进行一次维修或更换，而标准的不同将导致故障概率的不同。

3.2 PM 模板的使用

目前三门核电采用统一的PM模板进行预防性维修划分，没有根据核安全、技术成熟度、工业安全及重要经济性予以相应的等级提升。PRHR出口气动隔离阀为制造厂家首次制造，该公司无前例可循。而该阀门故障误开将直接导致反应堆误停堆，在需要阀门开启时故障将导致电厂瞬态得不到缓解，极大的增加了运行风险，该阀门属于极其重要的地位。

基于以上分析，建议对于PRHR出口气动隔离阀的预防性维修按照1C（一个燃料循环）进行预防性维修，可大大降低PRHR出口阀的故障概率，即降低PRHR失效的风险，提升电厂核安全，保证电厂经济效益[3]。

4 结语

在SBO工况下PRHR投入能在发生全厂失电时有效的缓解一回路参数的恶化，建立稳定的冷却过程，对堆芯安全十分关键。通过分析三门核电对于PRHR预防性维修的工作存在的风险点，提出了改进建议，从工作频度分级及PM模板两方面讨论提出提高PRHR出口阀的预防性维修频率，以降低阀门失效概率，提高PRHR的正常投运可靠性。