EPR一回路水压试验超压保护方案设计

靳 津，肖安洪，曾 辉，陈俊杰，郭 文，王永康

(中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041)

根据RCC-M(2007)标准要求，核电站役前必须进行水压试验，以验证高压条件下一回路设备和管道承压能力以及边界完整性[1]。核电站正常和事故工况下，压力控制保护范围仅覆盖设计压力，未覆盖水压试验最终压力，导致一回路水压试验存在超压风险，因此有必要针对欧洲先进压水堆(EPR)一回路水压试验升压过程，设计一回路水压试验超压保护方案，并对方案中控制逻辑设计、临时装置及仪表选型、风险分析及应对措施进行可行性分析，确保方案正确、可靠。

1 一回路水压试验压力

根据RCC-M(2007)标准要求，水压试验最终压力应大于整个回路设计最大压力的1.3倍[2]。EPR机组一回路最大设计压力为175 bar，则一回路水压试验最终压力应在228 bar以上。该超压保护方案以228 bar作为最终压力进行设计及分析，各核电机组可根据现场实际情况选择压力系数确定最终压力，相关设计与分析方法同样适用。

2 一回路水压试验压力控制

一回路压力小于24.5 bar时，由上充泵与低压减压站控制压力，一回路超压由安注系统第3/4列安全阀保护(超过55 bar动作)。在2 bar时接入超压保护系统进行预验证试验，试验后保持系统在线，设定一回路压力超过172 bar报警作为备用保护。

一回路压力由24.5 bar升压到165 bar过程中，在24.5 bar时，低压减压站切换到高压减压站，压力由高压减压站控制，一回路超压仍由安全阀保护。在32 bar时，断开安注系统连接，此后一回路压力仅由超压保护系统来保护，超过172 bar时报警。

一回路压力在165 bar时，由上充泵升压切换为水压试验泵。水压试验泵从容控箱取水，通过主泵轴封注入一回路，将压力升至228 bar。EPR水压试验泵选型不同于CPR(中国压水堆)机组，泵流量不可调，为防止升压过快，一回路压力和升压速率由高压减压站通过手动调节开度控制。一回路压力由超压保护系统来保护，设定一回路压力超过229 bar报警，230.2 bar停泵，232 bar打开泄压阀门。

3 超压保护方案设计

超压保护系统连接到稳压器第4列冷凝罐顶部排气口，在升压至24.5bar前投用，相应阈值见表1。

在水压试验泵(RBS4220PO)启动前，设计一回路压力超过172 bar时报警。水压试验泵启动后，通过泵开反馈闭锁压力超172 bar的报警，避免升压至228 bar过程中产生误报警。一回路压力升至228 bar期间，设置压力超过229 bar将报警，以提醒操纵员增大高压减压站开度。压力超过230.2 bar将导致水压试验泵停泵，防止压力进一步升高。压力超232 bar后自动打开泄压阀，以避免误操作导致一回路意外快速升压造成管道破裂。为防止水压试验泵停泵后泄压过快，导致一回路压力低于最终压力，设计停泵自动关闭高压减压站(RCV1314VP)。同时，为避免水压试验泵启动前，因水压试验泵开反馈导致高压减压站一直存在关命令而无法控制，设计防快速泄压逻辑投用/切除手动控制人机接口，在水压试验泵启动后由切除切换为投用。

图1 超压保护总体方案

表1 超压保护阈值设定

4 方案可行性分析

4.1 超压保护控制逻辑

一回路压力升压至165 bar前，设置压力超过172 bar触发声光报警，以提醒操纵员压力意外升高接近设计压力，需加大控制力度。该阶段未设置设备自动控制，主要考虑上充泵升压过程中，出现高压减压站自动关闭或上充流量调节阀全开等意外情况导致一回路升压过快时，操纵员可通过手动打开另一路高压减压站(RCV1324VP)或停泵的方式迅速控制一回路压力，从而避免设备损坏。

一回路压力升压至228 bar期间，设置压力超过229 bar触发声光报警，超过230.2 bar触发水压试验泵停运，超过232 bar触发泄压阀打开，以限制一回路压力，确保设备安全。阈值选择主要考虑整个信号通道不确定度以及高压减压站开度微调导致的压力波动。不同于CPR机组，EPR机组在水压试验泵停泵后，因高压减压站具有开度而快速泄压，导致一回路压力将无法维持在最终压力上。而在高压下重新建立上充下泄动态平衡并升压至最终压力，需执行大量复杂手动操作，存在较大人因风险。因此，需采取措施预防高压下水压试验泵停泵造成的快速泄压风险。

一回路压力在达到最终压力后，假设出现意外升压导致自动停泵，考虑此时升压速率约为0，则一回路体积改变也为0，可知上充和下泄流量一致。由水压试验泵出口流量为12 m3/h，可知此时下泄流量为12 m3/h。高压减压站阀门流量系数CV计算公式如下：

(1)

式中：q为阀门流量，在停泵状态下为12 m3/h；Gf为流体相对水的密度，在230.2 bar压力下，一回路水温60 ℃时，Gf约为0.98；ΔP为阀门压降，在背压设置为20 bar情况下，ΔP压降为210.2 bar。由式(1)可计算出停泵时阀门流量系数CV约为0.95。

由阀门全开时CV为17.5，可计算出阀门相对流量系数CV%约为5.44%。根据阀门流量系数与开度对应曲线(图2)可知[3]，此相对流量系数下，阀门开度约为17%。

图2 高压减压站阀门(RCV1314VP)开度与相对流量系数CV%曲线

一回路压降速率θP计算公式如下：

(2)

式中：阀门流量q取值为-12 m3/h；V为一回路水装量容积，取值为413 m3；XT为水等温压缩系数，在230.2 bar压力下，一回路水温60 ℃时，XT约为4.17×10-10m2/N。由式(2)可计算出一回路压降速率约为-11.6 bar/min。

根据高压减压站设计要求，全关行程时间小于40 s，考虑自动控制响应时间为0.5 s，可知在最终压力上升触发停泵后，阀门关闭过程中泄压将不超过1.41 bar，一回路压力可稳定在最终压力228 bar上。停泵后通过手动关闭高压减压站则会因操纵员较长的反应时间，导致泄压后一回路压力低于最终压力。因此，需设计自动逻辑来预防停泵后快速泄压无法维持最终压力的风险。

4.2 超压保护装置

超压保护装置主要包含管道支架与仪表阀门，通过将超压保护装置接入一回路，实现水压试验过程中一回路压力监控。管架上预留接口用于充水排气以及预验证试验。不同于CPR机组，EPR机组未采用自重式活塞压力计，而是采用临时仪表EHP02MP(160～260 bar)来实现最终压力监控。根据RCC-M(2007)标准，用于水压试验压力采集的直读型压力计精度必须优于1%，仪表量程必须在所测压力1.5倍到3倍之间[4]。由此可知，水压试验压力可接受的不确定度为3.42 bar。该超压保护装置所采用仪表的精度为0.1级，结合数字化控制系统模拟量输入卡件不确定度0.2%，可知该压力测量通道的不确定度仅为0.22 bar，满足水压试验不确定度要求。

在CPR机组中，超压保护装置设置自重式活塞压力计，其作为压力参考与一回路分别接入小量程(±50 kPa)差压型仪表的正负压侧，以实现一回路压力在最终压力时的精确监控。但自重式活塞压力计负压侧为毛细管，在挂有警示标牌的情况下，各机组仍多次发生毛细管被严重踩弯事件，由此带来的修复和再验证问题都会增加额外工作量。同时，采用自重式活塞压力计需在各试验压力下增减砝码，由于砝码大小不同，需制定严格的砝码放置和收取顺序，人员需24 h全程值守，任何操作失误将会导致一回路超压，大大增加了人因失效风险。

因此，对于EPR机组，超压保护装置无需设置自重式活塞压力计和小量程差压表。简化后超压保护装置可满足压力监控要求，操作更加方便，并能节约成本。装置相关仪表设备见表2。

4.3 超压保护控制平台

第三方数字化平台虽可实现超压保护控制逻辑与人机界面[5]，却提高了机组建设成本。新数字化平台将会引入大量临时电缆端接和查线工作，试验人员需在较短时间内掌握第三方数字化平台组态以及日常必要维护方法，额外工作量较大，且存在较大人因失效风险。而本方案采用机组正式数字化控制系统作为超压保护控制平台，通过添加测量与控制相关试验组态逻辑，搭建压力监控画面以及将压力测量信号分配至正式测量通道等方式，减少了临时电缆和继电器，提高了测量及控制通道的可靠性，更好地保障了超压保护系统运行的正确性和稳定性。

4.4 风险分析及措施

压力测量通道出现超量程或者断线故障时，将误触发报警和设备动作，导致一回路压力失去监控。该风险可通过在控制系统中设置信号故障缺省值为上一有效值方式消除。在水压试验泵启动前，若误投用防快速泄压逻辑，将导致高压减压站关闭，一回路压力意外升高。通过在水压试验泵启动前，将控制系统中手动投用信号(EHP01CG)强制为0，在水压试验泵启动后，再取消该强制，可消除防快速泄压逻辑误投用的风险。

表2 装置相关仪表设备

5 结束语

EPR机组超压保护方案在CPR基础上，根据机组技术特点，通过自动控制逻辑的合理设计，消除了一回路水压试验过程中的各项超压风险。通过采用机组正式数字化控制系统作为超压保护系统实现平台，保障了系统稳定性。通过合理简化超压保护装置，在节约人力和成本的同时，也降低了人因失效风险。经方案分析以及实际应用表明，该EPR超压保护方案正确可行，可为后续同类型核电站一回路水压试验超压保护设计提供一定参考。