“华龙一号”应急柴油发电机维修窗口研究

卢 放，陈 石，胡凌生，羊本林，赵鑫樾

“华龙一号”应急柴油发电机维修窗口研究

卢 放，陈 石，胡凌生，羊本林，赵鑫樾

（华龙国际核电技术有限公司，北京 100084）

应急柴油发电机（EDG）作为核电厂重要安全设备，主要用于应对丧失厂外电事故。为确保EDG的可靠性，应制定维修计划并定期进行各种预防性维修。鉴于EDG维修时间较长，应考虑由于维修造成的不可用给“华龙一号”核电厂带来额外的安全风险，这成为“华龙一号”核电厂EDG数量配置的重要考虑因素之一。根据最新的核安全要求，将导出乏燃料贮存设施所贮存燃料的热量上升为基本安全功能，相比于国内的二代堆型，“华龙一号”考虑了乏池冷却相关设计基准工况，这直接导致2×100%EDG配置方案难以找到合适的EDG维修窗口。本论文的主要目的就是利用确定论和概率论安全分析方法对EDG的维修窗口进行详细分析，另辟蹊径为EDG提供允许维修时间。分析结果表明，2×100%配置下EDG允许维修时间能够满足维修实际需要。因此，HPR1000采用2台应急柴油发电机的配置方案下能够开展维修。

应急柴油发电机；维修窗口；“华龙一号”；乏燃料水池

应急柴油发电机主要用于在核电厂丧失厂外电源时为其提供必要的动力供应。应急柴油发电机应具备与需要其提供动力支持的安全系统需求相匹配的可靠性。同时，为保证EDG的可靠性和可用性，需要对其开展定期维修。而在EDG维修期间，考虑到处于维修中的一台EDG将处于不可用状态，如果此时叠加发生了丧失厂外电事故，那么可供投入的EDG将减少一台，这将造成安全系统可靠性降低。所以，为了保证EDG的可靠性，应合理计划EDG的维修时间窗口。

根据最新的核动力厂设计安全规定（HAF 102—2016）可知，将导出乏燃料贮存设施所贮存燃料的热量上升为基本安全功能。根据国内二代堆型设计可知，“华龙一号”增加考虑了乏池冷却相关设计基准工况，这是对EDG的功能设计提出了进一步的要求，这直接导致目前的2×100%EDG配置方案难以找到合适的EDG维修窗口。

基于此，本文将结合“华龙一号”的设计，通过利用确定论和概率论的安全分析手段，找到“华龙一号”EDG适当的维修窗口。如果不能找到EDG合适的时间窗口，将尝试给出“华龙一号”较为合理和经济的、并能够开展应急柴油机维修的配置方案。

1　设想方案

“华龙一号”为三环路压水堆核电厂，其设计为每台机组设两台高压厂用变压器，从主变压器低压侧和发电机出口断路器之间引接。每台机组设一台带有有载调压开关的辅助电源变压器，其高压侧接至辅助电源变电站的220 kV母线上。

根据核电厂的运行要求，及电源故障情况下须采取的安全措施，厂用电系统设置实体上独立的连接高压输电网的厂外电源。其中，500 kV电网电源作为核电厂的主电源，220 kV电网电源作为核电厂的辅助电源。每台机组设置两台独立的10 kV应急柴油发电机组作为厂内应急电源，其能动部件和电气的冗余度均为2×100%。每个柴油发电机组安装在独立的厂房内，在实体上是隔离的。它们分别给对应的A列和B列10 kV应急母线供电，在电气设计上同样是独立的。

出于经济性的考虑，国内部分三代核电厂采用不配置厂址附加应急柴油发电机的设计，“华龙一号”融合方案也拟采用该种设计。本文将以不配置厂址附加应急柴油发电机的设计作为“华龙一号”设想方案展开论述。

2　安全要求

2.1　EDG设计安全要求

目前，国内二代加核电厂的设计为，设置两组应急安全母线，并各自配置一台100%容量应急柴油发电机。应急柴油发电机考虑的设计基准工况为丧失厂外电源（LOOP）[1]。在事故分析中考虑LOOP发生后导致包括反应堆冷却剂系统主泵、凝结水泵和给水泵等辅助设备失去电源，引起一、二次侧过热，进而对堆芯的影响。由此可见，当核电厂制定应急柴油发电机的试验维修计划时，应考虑核电厂安全运行对应急柴油发电机的需求影响。

对于国内二代加核电厂，在各个正常运行模式下，即反应堆功率运行模式（RP）、蒸汽发生器冷却正常停堆模式（NS/SG）、余热排出系统冷却正常停堆模式（NS/RHR）、维修停堆模式（MCS）、换料停堆模式（RCS）和反应堆完全卸料模式（RCD），EDG开展维修的情况分析见表1所示。

表1　二代加核电厂EDG在不同运行模型下可开展维修情况的分析表

对于二代加核电厂，当发生丧失厂外电源事故后，通过缓解手段的投入，可以避免事故进一步恶化，维持堆芯稳定状态，达到事故缓解的目的。对于堆芯完全卸料状态（RCD），丧失厂外电对反应堆堆芯安全运行的风险影响已因卸料而排除，所以可将应急柴油发电机的维修计划安排在RCD模式下开展。

由于日本福岛核事故的发生，暴露了乏燃料水池安全的重要性，事故后各国加强了对乏燃料水池的安全监管。我国也迅速做出了响应，并明确规定将导出乏燃料贮存设施所贮存燃料的热量上升为基本安全功能[2]。特别是对于新堆型的设计，考虑乏燃料水池相关的设计基准工况成为安全需要。“华龙一号”作为三代先进型反应堆，其设计基准工况中增加了LOOP对乏燃料水池安全运行的影响，事故分析中考虑了因LOOP而导致的乏池冷却系统的泵和支持系统的停运，引起乏池冷却丧失。由此，“华龙一号”EDG在各窗口下可开展维修的情况分析如表2所示。

表2 “华龙一号”EDG在不同运行模型下可开展维修情况的分析表

核电厂在RCD模式下，堆芯燃料已从反应堆转移到乏燃料水池，乏燃料此时仍有衰变余热，需要进行持续冷却。为避免乏燃料水池因LOOP而无法导出乏燃料衰变热，应急柴油发电机在此模式下仍需维持备用状态。参考二代加核电厂的分析方法，RCD模式不能作为“华龙一号”EDG的维修窗口。

2.2　EDG维修安全要求

核电厂设备的定期维修虽然是保证核电厂安全运行和维持系统可靠性的必要手段，但因维修带来的短期安全风险也是不可忽略的，应对其进行充分的评估。对于核电厂的重要安全物项，维修导致安全列的不可用所带来影响不应使安全系统执行安全功能的可靠性显著降低[2]。对应急柴油发电机而言，不应因维修而导致其在事故工况下供电功能的可靠性显著降低。

3　确定论准则

确定论安全分析要求应满足核电厂设计的单一故障准则。核电厂在发生某一设计基准事故后，需根据核电厂事故响应进行事故缓解，这主要是通过投入安全系统来实现。对于这些安全系统，在分析中，除需考虑其随机故障失效外，还应考虑因设备维修而导致的维修列停运而带来的其可靠性降低的风险影响。

对于“华龙一号”核电厂设计，根据单一故障准则，配置两台100%容量EDG。假设发生丧失厂外电事故时，一台柴油发电机因维修而不可用。对于堆芯而言，在RP、NS/SG、NS/RHR、MCS和RCS模式下不能满足单一故障要求，故在这些模式下不能进行维修，仅能在RCD下开展维修。对乏燃料水池而言，所有电厂状态下均需维持冷却，尤其在RCS和RCD模式下（热负荷更高），所以在所有电厂状态下均不能进行维修。

根据确定论分析，“华龙一号”EDG的2×100%配置无法找出应急柴油发电机的维修窗口。如果增设1台EDG，达到3×100%的EDG配置时，则可满足在电厂的所有运行模式下均满足单一故障准则，即在所有电厂状态下均可以开展维修。

但是，对于应急柴油发电机，其运行可靠性要求较高，运行工作环境条件恶劣等现实情况，导致一台EDG的造价达到亿元量级。如果为“华龙一号”每台机组增设一台EDG，将对“华龙一号”的经济性带来直接影响。

4　概率论可靠性分析

4.1　分析方法

通过概率论分析方法，可量化因维修活动带来的EDG可靠性降低的影响。对于设备而言，可维修的前提是，维修期间系统的可靠性应不低于不维修时系统可靠性的一定比例，不会对核电厂的安全运行带来明细的影响。即，在维修期间系统不可用率的最大值Rmax不得大于在规定时间内该系统不进行维修的最大不可用率max的倍[3]，

由此可以得到最大允许维修时间Rmax。只要维修时间不超过Rmax，因开展维修造成的可靠性降低将是可接受的。

4.2　系统可靠性

安全系统通常由冗余的若干列构成，事故工况下，根据事故缓解的需求，投入其中的一列或几列便可将电厂带入安全状态。对于应急柴油发电机系统而言，丧失厂外电后，一台100%容量的EDG成功启动便可执行向安全系统供电的安全功能。对于不同配置的EDG系统，其成功准则和失败准则如表3所示。

表3　不同配置下EDG系统成功和失败准则

考虑单台EDG启动失效概率为(t)时，不同配置下不开展维修的系统不可用率F和开展维修时系统不可用率R如表4所示。

表4　不同配置下EDG系统不可用率F和FR

4.3　设备可靠性

设备可靠性的传统定义是在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力[4]。可靠性用可靠度衡量。

可靠度()的通用表达式为：

此时可靠度和失效概率随时间的关系曲线如图1所示。

图1　设备失效概率和可靠度

对于定期维修的设备，可靠度和失效概率将以维修时间间隔I为周期进行变化。

在考虑维修周期的情况下，失效概率随时间的关系曲线如图2所示。

图2　定期维修下设备失效概率分布

4.4　允许维修时间

根据核电厂的维修计划安排可知，在根据维修计划对某一安全系统的一列进行维修时，在该列维修前，通常会对其他列进行启动试验，只有在其他列能够顺利启动（即，确认完好）的情况下，该列才会进入维修状态。基于此可知，对于某一安全系统一列进行维修时、其未维修列的失效概率()为：

式中：0——维修列进入维修状态的时刻。

前文提到，应急柴油发电机平均启动失效概率为5.54×10-3，“华龙一号”设计的定期维修间隔为18个月。

由此，根据公式（1），可计算得到不同配置下应急柴油发电机最大允许维修时间Rmax，如表5所示。

表5　不同配置下EDG TRmax

根据国内二代加核电厂运行维修经验，应急柴油发电机根据维修项目的不同分为4种耗时不同的维修活动。基于此，可给出“华龙一号”在EDG不同配置下，其可开展维修活动的情况，具体如表6所示。

表6　不同配置下EDG维修活动开展情况

注：C代表换料周期

综上，根据上述基于概率论安全分析方法计算得到的结果可知，“华龙一号”采用2×100%EDG容量配置方案可满足其所有项目的维修需求。对于不同维修活动对于维修时间的需求，在考虑一台EDG维修活动对剩余EDG可用率影响的情况下，根据维修期间EDG不可用率允许最大值得到的最大允许维修时间均低于四类维修活动的维修时间需求。

对于“华龙一号”采用3×100%EDG容量配置方案，其可允许维修时间明显高于需求维修时间，不利于“华龙一号”经济性的提升。

由此，建议“华龙一号”EDG采用2×100%容量配置方案，并可将试验维修时间窗口仍安排在RCD工况，为避免影响乏燃料水池安全运行和满足单一故障准则的考虑，可通过增设一台厂址附加应急柴油发电机，以进一步确保在RCD工况进行维修时核电厂的安全性。

5　结论及建议

根据本论文中分别采用确定论和概率论安全分析方法得到的结果可知：

（1）对于“华龙一号”，采用2×100%EDG容量配置方案可满足其所有项目的维修需求。

（2）通过EDG维修时间窗口的计算可知，EDG的4种维修活动的计划时间均低于最大允许时间。

（3）均衡安全性和经济性的考虑，在开展维修时，建议将厂址附加应急柴油发电机连接到将维修EDG对应的应急母线上，此时相应机组除去维修的一台EDG外，仍有2台EDG可用。EDG仍可满足单一故障准则，且机组在功率运行和停堆情况下均可开展应急柴油发电机的在运维修。由此，建议将EDG的维修窗口仍安排在RCD工作。此时需要注意的是，在厂址内制定EDG维修计划时，应避免出现两台应急柴油发电机同时维修的情况。

［1］ 王继东，等. 压水堆核电厂工况分类：NB/T 20035［S］．2011．

［2］ 核动力厂设计安全规定：HAF 102［Z］．北京：国家核安全局，2016．

［3］ 单一故障准则的应用手册和为保证系统可靠性的有关考虑：HAFJ0006［Z］．北京：国家核安全局，1991．

［4］ 蔡自刚，等．设备可靠性可靠性评估方法：GB/T 37079［S］．2018．

［5］中国核电厂设备可靠性数据报告［R］．北京：国家核安全局，2019．

Study on the Maintenance Window of the Emergency Diesel Generator of HPR1000

LU Fang，CHEN Shi，HU Lingsheng，YANG Benlin，ZHAO Xinyue

（Hualong Nuclear Power Technology Co.，Ltd，Beijing 100084，China）

As an important safety equipment in nuclear power plant，the emergency diesel generator（EDG）is mainly used to deal with the loss of offsite power accident. In order to ensure the reliability of EDG，the maintenance plan must be made，and the preventive maintenance must be carried out regularly. In view of the long maintenance time of the EDG，the unavailability caused by maintenance must be considered to bring additional safety risks，which becomes one of the important considerations for the quantity allocation of the EDG in HPR1000. According to the latest safety requirements，the function of removing heat of the fuel from the spent fuel storage facility is upgraded to the basic safety function. Compared with the domestic generation Ⅱ reactor，the HPR1000 takes into account the design basis conditions related to the spent fuel pool cooling，which made the 2×100% EDG configuration scheme difficult to find a proper EDG maintenance window. The main purpose of this paper is to analyze the maintenance window of the EDG in detail by using the deterministic and the probabilistic safety analysis methods，and find a new way to provide the allowable maintenance time for the EDG. The analysis results show that the allowable maintenance time of the EDG with 2×100% configuration can meet the actual needs of maintenance. Therefore，the HPR1000 can be maintained under the configuration scheme of two emergency diesel generators.

Emergency diesel generator；Maintenance window；HPR1000；Spent fuel pool

TL48

A

0258-0918（2022）01-0064-06

2020-08-17

卢放（1986—），女，辽宁大石桥人，高级工程师，硕士研究生，现主要从事核安全分析方面研究