秦山第二核電廠主蒸汽隔離閥故障關閉的事故后果及處理策略

胡 委

（中核核電運行管理有限公司）

一、引言

2013年8月11日國內某核電廠1號主蒸汽隔離閥驅動油回路發生泄漏，所幸運行人員和維修人員及時搶修，避免了機組緊急停堆。

2014年8月5日，美國LaSalle核電廠2號機組在正常運行期間1臺主蒸汽隔離閥意外關閉，之后反應堆由于高功率通量而自動緊急停堆。

2017年7月，國內某核電廠運行人員現場匯報2號主蒸汽隔離閥閥體保溫層處發現明火，當班值長宣布電站啟動應急待命，隨后主控室操縱員執行停機停堆操作。

主蒸汽隔離閥（MSIV）位于壓水堆核電廠主蒸汽系統管道上，其設計依據是在單一故障的假設下，當在安全殼內的或在徑向限位器下游的蒸汽管線破裂后，把失控的蒸汽排放限制到不超過一臺蒸汽發生器的水裝量。事故工況下它能在收到主蒸汽管線隔離信號后5秒內快速關閉。

盡管主蒸汽隔離閥是核安全重要設備，但目前國內核電機組普遍沒有針對主蒸汽隔離閥故障關閉情況下適用的規程，為了在主蒸汽隔離閥故障關閉事故時給主控室操縱員提供一個清晰的處理思路，因此有必要分析主蒸汽隔離閥故障關閉的事故后果。

本文以秦山第二核電廠（以下簡稱秦二廠）3號機組為例進行分析和研究。秦二廠3號機組是雙環路的壓水堆核電機組，每條環路上設置一臺蒸汽發生器和一臺主蒸汽隔離閥，兩個主蒸汽隔離閥下游合并成一根公共的主蒸汽管道通向汽輪機。主蒸汽隔離閥為平行雙閘板閥門，設計壓力為8.6MPa，額定功率下運行壓力為6.66MPa，正常運行工況下閥門全開。

二、主蒸汽隔離閥故障關閉的事故后果

由于兩個環路的主蒸汽隔離閥同時故障關閉的概率極低，同時設計上兩臺主蒸汽隔離閥同時關閉后反應堆緊急停堆，事故后果有限。但單個主蒸汽隔離閥故障關閉情況下隨著反應堆所處工況不同所引發的事故后果也不相同，因此有必要進行深入研究，下文所述均是針對單個主蒸汽隔離閥故障關閉的討論。

（一）主蒸汽隔離閥故障關閉對反應堆兩個環路的影響

故障主蒸汽隔離閥開始關閉以后，故障環路平均溫度逐漸升高，而完好環路平均溫度逐漸降低，兩個環路平均溫度逐漸偏離整定值，呈現出一個環路“偏熱”，另一個環路“偏冷”的現象。由于核電廠控制核功率的手段之一是控制一回路平均溫度（次高選的平均溫度），因此單個主蒸汽隔離閥故障關閉，次高選的一回路平均溫度持續上漲，這將對反應堆的控制方式產生巨大影響。

（二）主蒸汽隔離閥故障關閉對棒控系統的影響

由于棒控系統采集一回路次高選平均溫度，因此控制棒一直接收到下插指令，控制棒連續下插直至以最大棒速下插，核功率逐漸下降，這對事故影響是積極的。但由于控制棒最大棒速僅為72步/分鐘，同時平均溫度變化是個相對緩慢過程，尤其在主蒸汽隔離閥關閉的前半程一回路平均溫度變化并不大，因此在事故進程中因控制棒自動下插導致核功率降低的情況并不多。

（三）主蒸汽隔離閥故障關閉對蒸汽旁路系統（GCT-c）的影響

正常情況下蒸汽凝汽器排放系統（GCT-c）處于溫度模式（T模式）控制，GCT-c開度正比于次高選平均溫度與平均溫度整定值之偏差。在故障主蒸汽隔離閥開始關閉以后，送到GCT-c控制系統的平均溫度并不能代表兩個環路真實的運行情況，GCT-c系統一直接收到正向的開度信號。出現甩負荷或者停機等允許信號后GCT-c閥門立即開啟，導致蒸汽流量瞬間上漲，而此時排放的蒸汽實際上主要來自完好環路蒸發器，進一步加劇完好環路蒸發器的“冷卻”效果，導致完好環路蒸發器的溫度和壓力迅速降低直至平均溫度低低（284℃）信號出現。雖然平均溫度低低信號連鎖關閉GCT-c閥門，但關閉GCT-c閥門需要一定時間，很可能因蒸汽流量高疊加平均溫度低低或者蒸汽壓力低信號觸發自動安注。

（四）主蒸汽隔離閥故障關閉對主給水控制系統的影響

在故障主蒸汽隔離閥關閉過程中，故障環路蒸發器壓力持續上漲，完好環路蒸發器的壓力在逐步降低。由于主給水轉速控制系統中汽水壓差采集信號為主給水母管與主蒸汽母管的壓差，該設計導致在故障主蒸汽隔離閥接近關閉或關閉之后主給水母管與主蒸汽母管的壓差明顯高于整定值，電動主給水泵轉速和出口壓力將急劇下降，最終主給水泵出口壓力低于故障環路蒸發器壓力，故障環路蒸發器供水嚴重不足觸發蒸發器低低水位緊急停堆。此外故障主蒸汽隔離閥關閉之后故障環路蒸發器壓力上漲也會“壓縮”蒸發器水位，但同時故障環路的平均溫度也在快速上漲，對蒸發器水位起到一定的“膨脹”作用，但這兩者相對于主給水泵壓頭降低來講都是次要因素。

三、主蒸汽隔離閥故障關閉的仿真模擬

為了更全面地研究單個主蒸汽隔離閥故障關閉的事故后果，我們利用秦二廠CP660仿真模擬機分析秦二廠3號機組主蒸汽隔離閥故障關閉的事故后果，CP660仿真模擬機是根據秦二廠3號機組1∶1比例仿真制作。試驗中選取夏季工況，對應海水溫度32℃，選取電功率為640MWe（夏季工況滿發水平）、350MWe和200MWe三個平臺進行分析研究。試驗中假定1號主蒸汽隔離閥完好，2號主蒸汽隔離閥故障關閉，試驗過程中假定自動控制系統全部動作正常。分別選取6分鐘、30秒和3秒關閉時間進行測試，其中6分鐘對應正常情況下的關閥時間，3秒對應閥門快關時間，降負荷速率（5%Pn/min）對應反應堆設計最大降負荷速率。測試結果見表1。從測試結果可以看出，在選取的各個功率平臺主蒸汽隔離閥直接關閉都觸發自動緊急停堆，高功率水平下由超功率ΔT產生停堆信號，中、低功率水平下由對應蒸發器低低水位信號停堆。

表1 2號主蒸汽隔離閥故障關閉測試結果

在超功率ΔT計算公式中當平均溫度升高時其整定值降低，平均溫度增加過快時也會導致整定值降低，因此當超功率ΔT整定值下降至與實際值一致時將觸發緊急停堆。此外在超功率ΔT觸發停堆之前會觸發汽輪機RUNBACK信號，但由于超功率ΔT整定值下降過多同時受限于控制棒棒速，反應堆很快自動緊急停堆。而在中、低功率水平下超功率ΔT整定值和實際值偏差很大，即使故障主蒸汽隔離閥全關時也很難上漲到對應停堆定值，因此對于此種功率水平首發停堆信號是蒸發器水位低低。

對于上表測試結果，值得關注的是在多個工況下均會觸發自動安注，安注動作的原因均是蒸汽流量高疊加平均溫度低低信號。由于僅有一個主蒸汽隔離閥處于開啟狀態，反應堆停堆后通過蒸汽凝汽器排放系統（GCT-c）排放的蒸汽流量比正常情況下要小得多。同時GCT-c選取的是次高選平均溫度，其開啟信號與故障主蒸汽隔離閥所在環路的平均溫度有關，因此會造成完好環路“過冷”的現象。當完好環路觸發平均溫度低低信號以后才會閉鎖GCT-c的開啟信號，但如果此時GCT-c閥門開度過大，則很有可能造成蒸汽流量高信號持續存在。以測試2為例，當反應堆緊急停堆時故障蒸發器所在環路和完好蒸發器所在環路的平均溫度偏差接近10℃（從零功率到滿功率一回路平均溫度僅變化約20℃），在停堆瞬間GCT-c要求開度過大，當平均溫度低低信號（284℃）出現時記錄到的蒸汽流量仍高達900t/h以上，超過安注動作定值。在測試5中，當完好環路平均溫度降至低低定值時對應的蒸汽流量高達1100t/h。在CP660仿真模擬機上通過適當延長GCT-c關閉時間，在200MW及以上功率水平時很容易觸發安注動作，而正常情況下200MW功率平臺不會發生安注動作，因此GCT-c系統對事故的進程起到關鍵的作用。

此外在350MW平臺下仍然有發生自動安注的可能（測試6），主要是因為此時一回路平均溫度本身較低，在降負荷過程中實際上完好環路平均溫度更接近低低定值284℃。

然而在測試1中卻并未發生自動安注，其原因在于主蒸汽隔離閥完全關閉之前已經由超功率ΔT觸發停堆，完好環路平均溫度降低幅度不是很大，緊急停堆后在同樣的GCT-c開啟的時間下不會導致平均溫度低低信號出現。

四、主蒸汽隔離閥故障關閉的處理策略

通過以上的分析可知，如果發生單個主蒸汽隔離閥故障關閉，在200MWe以上的功率水平除了觸發反應堆緊急停堆外還有可能觸發自動安注使事故升級。為了有效避免自動安注，同時盡可能避免緊急停堆，可以從以下幾個方面進行考慮。

（一）快速降負荷

當發現主蒸汽隔離閥故障以后（可能這種故障不是立即生效的，比如發生火情），立即以5%Pn/min速率降負荷直至汽輪機打閘，然后手動降低核功率至熱停堆狀態，關閉主蒸汽隔離閥（建議兩個主蒸汽隔離閥都關閉，以減少兩個環路的平均溫度偏差），維持反應堆在長期熱停堆狀態下運行。如果在降負荷期間主蒸汽隔離閥故障全關或者尚未開始降負荷時就發生主蒸汽隔離正在緩慢關閉情況，應當避免將機組維持在較高的核功率水平，當班操縱員和值長應立即將汽機打閘，核功率將很快下降到20%Pn左右，然后按照上述指導原則進行操作。從表1中測試6、7對比可以看出降功率運行對事故處理是有效的，但在滿功率水平下僅靠降功率這個單一手段還是不能避免自動安注的發生。

（二）將蒸汽凝汽器排放系統切至壓力模式控制

正常情況下蒸汽凝汽器排放系統（GCT-c）處于溫度模式（T模式）控制。在主蒸汽隔離閥故障關閉時兩個環路的平均溫度偏差很大，可以考慮將GCT-c切至壓力模式（P模式）進行控制，切斷與一回路平均溫度的聯系，讓GCT-c系統直接控制主蒸汽母管的壓力，防止GCT-c系統過度排放蒸汽造成完好環路平均溫度低低或者蒸汽管道壓力低低信號觸發從而消除安注風險。根據表1中各個測試序列在主蒸汽隔離閥故障關閉前將GCT-c切至壓力模式（遠方整定值）進行控制，發現各個測試序列中均沒有發生自動安注，證明將GCT-c置于壓力模式確實可以有效避免自動安注的發生。

（三）降低故障環路蒸發器壓力

根據前述分析結果，一旦故障主蒸汽隔離閥全關之后，其對應的蒸發器壓力將迅速上漲，如果不及時干預蒸發器將喪失給水從而觸發停堆，同時蒸發器也有超壓的風險，通過主動降低故障環路蒸發器壓力可以有效緩解上述風險。在故障主蒸汽隔離閥尚未完全關閉之前開啟對應的大氣排放系統（簡稱GCT-a）閥門可以降低故障環路蒸發器壓力，開啟GCT-a閥門可以手動直接開啟或者調低整定值方式讓其提前開啟。同時必要情況下對主給水控制系統進行手動干預，調高主給水泵出口壓力，避免故障環路蒸發器因供水不足導致低低水位停堆。

通過CP660仿真模擬機在200MW功率水平進行測試（此時故障主蒸汽隔離閥已經關閉），一方面以5%Pn/min速率快速降負荷，一方面逐步降低故障環路蒸發器壓力，同時調高主給水泵出口壓力，實現僅單個主蒸汽隔離閥開啟情況下將機組過渡到熱停堆狀態，避免反應堆緊急停堆和自動安注的發生。

（四）加強指導和培訓

編寫主蒸汽隔離閥故障關閉情況下的操作規程或指導文件，針對主蒸汽隔離閥故障關閉事件開展主控室操縱員的專項模擬機培訓，提高其對該事件的應急處理能力等。

五、結語

主蒸汽隔離閥是核安全重要設備，在發生漏油、火災等故障情況下，需要主控室操縱員及時采取措施進行干預，否則反應堆將會自動停堆，甚至發生自動安注。

本文以秦二廠3號機組為例，分析了主蒸汽隔離閥故障關閉的事故后果，提出快速降負荷、切換蒸汽凝汽器排放系統控制模式、降低故障環路蒸發器壓力等處理策略，通過仿真模擬機驗證該方法可以有效避免反應堆自動安注，在低功率水平下通過簡單操作甚至可以避免反應堆緊急停堆，為主控室操縱員在處理類似事故時提供了良好的處理思路。