AP1000发生堆芯补水箱CMT出口阀非预期开启事故分析及响应策略

AP1000发生堆芯补水箱CMT出口阀非预期开启事故分析及响应策略

冯兴健

山东核电有限公司，265100

摘要：国内四台AP1000机组进入商运以来，出现过气动阀因定位器或电磁阀故障而失效导致安全系统误动作的事件。这提醒我们AP1000非能动安全系统气动阀误动作的风险是真实存在的。因此，有必要详细分析堆芯补水箱CMT出口阀误开启后的系统响应、风险，并制定缓解措施。结合AP1000非能动安全系统中依靠气动阀动作来实现其安全功能的设计特点，本文对AP1000发生CMT出口阀误开启事故的现象及关键参数的变化情况进行分析，从而给出事故瞬态响应的最佳策略。

关键词：AP1000；非能动安全系统；CMT出口阀误开启；瞬态响应；

1.AP1000核电站CMT运行原理和特点

1.1堆芯补水箱CMT简介

AP1000堆芯补水箱CMT隶属于非能动堆芯冷却系统PXS系统。PXS系统主要设备有：2个堆芯补水箱（CMT）；2个蓄压箱（ACC）；1个安全壳内置换料水箱（IRWST）；1台非能动余热导出热交换器（PRHR HX）；4个pH值调节篮；两台RCS卸压喷淋器； 相关的管道、阀门及仪表和其他相关设备组成。两个CMT是具有上下半球封头的立式圆柱型水箱。由碳钢制成，并在内表面衬一层不锈钢。CMT是A级设备，满足抗震I类要求。CMT位于安全壳内，二次屏蔽墙的外面，这样布置方便维修和监测。CMT A位于2号SG隔间西北侧的维修平台上，CMT B位于2号SG隔间西南侧的维修平台上，CMT没有保温，也没有加热，因此CMT内的硼水温度与安全壳内环境温度大致相同。

1.2 CMT运行原理

正常运行期间，CMT充满冷的硼水，入口隔离阀开启，保持备用状态。在压力平衡管线的最高处设有排气管线，同时连续监测不凝气体。当发生概率很低的气体聚集情况时，可以手动排气。出口管线由两个并联的常关气动隔离阀进行隔离，隔离阀在丧失仪用压空或者电源、或者控制信号动作时开启。异常情况下，一旦接到安全保护动作信号，出口管线上两个并联的隔离阀就会打开，两个CMT同时向冷却剂系统注水。根据不同的RCS工况，CMT在两种模式下运行：

再循环模式：冷段满水，CMT在水再循环模式下运行；

蒸汽补偿注入模式：LOCA后冷段排空，则CMT在蒸汽补偿注入模式下运行。当CMT触发后，经一定延时后主泵停运来实现RCS内的汽水分离，从而实现蒸汽补偿模式注入。主泵停运用来增强安全注入并避免潜在的对注入的不利影响。

2.CMT出口阀非预期开启事故分析

2.1 CMT出口阀非预期开启的现象

主控会出现 CMT 出口气动阀非预期开启的报警，CMT入口以及CMT本体温度会快速上升，CMT浓硼水注入一回路，引入负反应性，二回路设定负荷不变，导致一回路平均温度温低，很快就会低于288.4℃。虽然CMT注入，但是由于RCS温度是降低的，由于收缩效应，RCS的压力和稳压器液位都是缓慢降低的，RCS 温度降低导致DT功率降低，TAVG-TREF负偏差增大，控制棒自动上提，汽轮机调阀开大，TAVG-TREF偏差达到-5.56℃时，ALR退出，汽机调阀不再开大，当冷管段温度降至 263℃时，S信号触发，反应堆停堆，汽轮机停机，根据E-0响应。初始一回路硼浓度不同，以上数据变化速率也不同，根据模拟机演练，如果不干预，RCS硼浓度871ppm，3分钟左右即能触发S信号。多个CMT出口气动阀失效开，如果不干预，结果与上述相同，但进程会更快速。

2.2 CMT出口阀非预期开启原因

有如下四种原因导致CMT出口阀非预期开启：一、误信号触发：PMS或DAS误触发；

二、气源管线泄漏或者堵塞；三、CMT出口气动阀失效，包括PMS电磁阀失效和DAS电磁阀失效；四、失电：PMS ILC机柜失电或者供电端IDS失电。

2.3 CMT出口阀非预期开启失效模式

一个CMT的一个出口阀失效打开

两个CMT的四个出口阀均失效打开（4个阀门由同一气源管供气）

其余失效模式由上述两种失效模式包络

3.CMT出口阀非预期开启的响应策略

3.1 如果任一CMT出口气动阀非预期开启的响应策略

如果出现CMT出口气动阀的阀门控制状态报警，则执行DCS1-ARP-404，尝试关闭该气动阀。若出口气动阀无法关闭，则关闭相应CMT进口电动阀PXS-V002A/B。参考技术规格书：3.5.2（堆芯补水箱(CMT)–运行）和3.5.3（堆芯补水箱(CMT)–停堆，RCS压力边界完整）。如果没有相应的报警信号，通过CMT及机组参数综合判断，CMT出口阀非预期开启，则操纵员需立即执行异常响应规程AOP，将控制棒置于手动，并根据平均温度偏差降低汽轮机负荷，也可手动提棒或者降低汽轮机负荷（建议在出现这种情况时，由支持操纵员立即执行降功率）。此时如果ALR OUT，需通过LL或GOV降功率。在降功率前需注意DT功率，在DT功率小于70%前，需控制降负荷速率，避免RPR 动作（如果RPR动作，瞬间引入负反应性，可能加快一回路冷却速率，导致Tcold低于263℃，S信号触发），最终通过降低汽轮机功率，使一二回路平衡，防止Tcold进一步下降，降功率期间继续推进AOP，关闭CMT出口气动阀，如果出口气动阀无法关闭，则关闭CMT的入口阀。当CMT终止注入后，硼化终止，根据降负荷程度，平均温度缓慢回升，如果功率降得较多，最终可能导致旁排开启，当平均温度缓慢回升后，需要关注 PZR 液位。后续根据规程指导稳定机组工况。在稳定机组状态后， 需要立即联系维修处理缺陷，并提前对 RCS 进行稀释，在缺陷处理完毕后，及时对CMT进行降温。如果不能在技术规格书（TS）要求时间内恢复CMT 可运行，在机组后撤降温降压过程中，需要关注CMT的温度，防止温度过高导致RCS压力降低时，CMT内蒸汽闪蒸。

3.2 针对单列CMT 出口阀失效的维修处理以及机组控制的响应策略

单列CMT的1个或者2个出口阀失效开启，可以根据报警响应规程进行干预，关闭该列CMT入口阀，以终止CMT注入。对CMT出口阀误开启的判断应该准确迅速，然后快速执行相应ARP，避免多个CMT参数超限偏离技术规格书。关闭CMT入口阀后，立即偏离技术规格书，如果之前ACC参数没有超限，则要求8小时恢复CMT可运行，如果ACC参数已超限则要求1小时恢复。运行值立即通知机械、电气、仪控专业对失效的阀门进行检查处理。对于PMS 或电磁阀失效、气源管堵塞，由于4个CMT出口气动阀共用一个气源管线和电磁阀，在执行隔离措施（断开电磁阀电源和气源）时会导致4个气动阀全部失效开启，所以需要在故障确定后，机组有序后撤至模式5且RCS排气。对于气源管泄漏，需要维修专业确认故障，如果在8小时内能够完成带压堵漏，则机组无需后撤。如果8小时无法处理完成，则需后撤至模式4且投入RNS冷却。对于IDS失电，则根据IDS故障程度和处理方案，如果在8小时内能够恢复IDS供电，则机组无需后撤。如果8小时无法处理完成，则需后撤至模式4且投入 RNS冷却。

4.总结和讨论

对于 CMT 出口阀非预期开启，最关键也是需要尽快响应的就是需要确保没有 CMT 触发信号的情况下，将CMT入口阀关闭，越早关闭对于机组稳定以及后续的CMT恢复越有利。对于降低汽轮机功率来稳定RCS平均温度也是重要操作，防止触发S信号，以及减少对于反应堆安全的挑战。同时对于缺陷，需要立即联系维修处理，及早恢复设备可用。

参考文献：

[1]郭东海,花雨超.山东海阳核电一期工程1&2号机组最终安全分析报告第16章,技术规格书.

[2]谢安,徐辉.《AP1000高级运行教材》.