主蒸汽隔离阀误关的可能原因和瞬态分析

主蒸汽隔离阀误关的可能原因和瞬态分析

范继勋

福建福清核电有限公司  福建 福清  350318

摘要：主蒸汽隔离阀（MSIV）是核电厂主蒸汽系统中最重要的组成部分，其主要功能是实现主蒸汽的隔离。本文主要分析可能导致主蒸汽隔离阀误关的原因，并对反应堆功率运行模式下一个主蒸汽隔离阀误关造成的机组瞬态进行分析，并得出结论为主蒸汽隔离阀误关的最严重潜在后果为主蒸汽系统安全阀开启后不能回座。并针对误关后机组状态的控制给出合理的处理思路。

关键字：主蒸汽隔离阀；误关；人因失误；停堆

Possible causes and transient analysis of main steam isolation valve shutdown by mistake

Fan Ji-xun

（Fuqing Nuclear Power Co., Ltd.Second operation department FuqingFuJian Province）

Abstract:The main steam isolation valve (MSIV) is the most important component of the main steam system of a nuclear power plant, and its main function is to achieve the isolation of the main steam. This paper mainly analyzes the reasons that may lead to the misclosing of the main steam isolation valve, analyzes the transient of the unit caused by the misclosing of one main steam isolation valve under the reactor power operation mode, and concludes that the most serious potential consequence of the misclosing of the main steam isolation valve is that the main steam system safety valve cannot be returned after opening. And for the control of the unit state after the accidental shutdown, a reasonable treatment idea is given.

Keywords: Main steam isolation valve; Error close; human error; reactor trip

1.前言

1997年和2016年某核电厂都曾发生过人员误碰主蒸汽隔离阀关限位导致阀门误关并最终导致停堆的事件。为尽量避免类似事件发生，我们需要对导致主蒸汽隔离阀误关的可能原因进行分析，并通过对停堆事件的分析，讨论单个主蒸汽隔离阀误关对机组瞬态的影响和主要潜在后果以及操纵员应该如何进行干预。

2.主蒸汽隔离阀误关可能分析

根据主蒸汽隔离阀的机械动作原理和仪控开关逻辑，可以分析有以下几种可能导致主蒸汽隔离阀被误关。

2.1阀门本体设备原因

主蒸汽隔离阀之所以能保持开启，是因为液压缸内油压高于阀杆自重和氮气压力之和。阀杆自重和氮气压力这两者一般情况下是不会变化的，所以阀门误关一般是油压下降导致的。分析可能导致油压异常降低的原因，正常运行时油压一般仅随环境温度变化而变化，且当由于环境温度过低导致油压低于整定值时气动泵会启泵升压以防止主蒸汽隔离阀关闭，当环境温度过高导致油回路安全阀起跳后泄压且泄压后安全阀故障无法回座则可能导致油压降低，启动泵启动升压，油从安全阀处漏出，最终由于油量不足导致油压无法维持，主蒸汽隔离阀关闭。这种随环境温度变化而变化的压力波动变化是比较缓慢的，且日常运行和维修均有专项巡检氮气压力和油压。301大修已实施技改增设DVW004/005/006ZV进行阀门冷却。当夏季环境温度过高，还可通过增设临时风机进行降温以维持油压，但由于空间所限，增设风机的数量最多三到四台，如果油压仍然居高不下，则可通过在主蒸汽隔离阀局关试验中调小221VA（以001VV为例），从而减小气动泵供气通量使启动泵启动后能达到的油压峰值降低，则在主蒸汽隔离阀局关泄油后重新建立阀门新的相对较低的油压。

除此之外，阀门密封不严导致渗油也会导致油压的下降，如3VVP002VV曾由于3VVP312VH的渗油而油压降低。在渗油量较小的情况下，可通过机械评估，若完全可通过气动泵的自动启动提升油压则只需加强日常巡检。

所以通过对油压的日常巡检和控制手段基本能够保证日常不会出现阀门在无人因因素的情况下突然因油压降低而误关的情况。

2.2人因误动导致阀门误关分析

2016年某核电厂曾发生过清洁人员误碰主蒸汽隔离阀关限位SM5导致阀门误关并最终导致停堆。阀门全开时就地误碰关限位相当于发出了慢关信号。所以当执行局关试验过程中若误碰了关限位，则也相当于局关试验过程中发出慢关信号，前文已经说明，慢关信号优先于局关信号。所以会出现阀门直接慢关，局关试验失败。

主蒸汽隔离阀的两列电磁阀互为冗余，一列失效时不影响阀门的关闭功能。但气动泵供气电磁阀211EL不存在冗余，当由于设备老化等原因使211EL不可用时。将使气动泵无法升压。

讨论一种特殊情况，在主蒸汽隔离阀局关试验期间且在阀门开始局关后，气动泵的供气隔离阀被误关，则气动泵在需要启动时无法启动。此时阀杆达到中间限位或试验20S后局关信号复位，251DR关闭，211EL得电，但气动泵无法启动升压，从而主蒸汽隔离阀会继续关闭，即使主控立即发出开启的指令也无法使主蒸汽隔离阀重新开启，直到随着阀门的关闭氮气压力降低而油压被压缩升高并最终达到一个平衡后阀门停止继续关闭。具体阀门关闭的程度受油压和氮气压力的影响，处于90%-0%之间的某一开度。这种情况下会导致蒸汽发生器水位波动，严重时可能导致停堆。

2.3逻辑错误导致阀门误关分析

根据RPR逻辑图，参与主蒸汽隔离的逻辑信号均存在冗余，一般情况下不会由于单一通道的故障导致主蒸汽隔离，且主蒸汽隔离信号会直接导致3个主蒸汽隔离阀的快关，不在本文讨论范围值内。故不再进行详细分析。

3.主蒸汽隔离阀误关对机组的影响分析

3.1主蒸汽隔离阀误关的现象

主蒸汽隔离阀误关将导致蒸汽发生器的蒸汽压力迅速上升，在上升通道中，部分蒸汽被凝结成水，使得汽泡产生的量和尺寸减小，使循环流动阻力减小，循环流量增加，从而使下降通道的水位下降。另外，蒸汽发生器（SG）蒸汽流量突然减小，被分离出来的再循环流量也会减小，也使下降通道水位下降。所以，在过渡过程中的第一阶段我们观察到的水位是迅速下降的。通常把这一现象称作“水位收缩”现象。[3]它在水位调节器作用之前到来。过渡过程之后，由于蒸汽流量小于给水流量，水位将上升如图1所示。

图1：蒸汽流量降低导致的SG水位变化

根据某核电厂机组功率500MW，核功率52.5%的初始条件下VVP001VV误关的事报告的时间序列：

10:30:48 VVP001VV关限位被误碰；

10:31:56  VVP001VV完全关闭。在关闭过程中，SG1的压力持续上升， GCT131VV开启，且由于“水位收缩”使得SG1 的水位降至低液位以下

10:32:15机组SG1的压力上升至最大值82.7bar.g，安全阀VVP103VV 开启，触发SG1 低水位叠加汽水失配保护信号，反应堆自动停堆。

从关限位被误碰到停堆整个过程仅有88秒。

1997年某核电厂满功率002VV误关导致停堆的事件序列为：

10:22:13  VVP002VV关闭；

10:23:7   SG2水位低低；

10:23:7   停机停堆。

期间4个安全阀起跳5秒后回座，整个过程不到1分钟时间。

在这种瞬态下操纵员应遵循不干预原则，让反应堆保护信号自动生效。之后执行I1规程稳定机组状态。

这两起事件都导致了VVP安全阀的开启。此时GCTA也已全开。

根据阀门设计流量：

GCTA在7.6MPa.a,292℃为324t/h。在8.6MPa.a,316℃为450t/h。

VVP安全阀在8.6MPa.a,最大486t/h最小369t/h。

根据图2可以看到，在停堆前，SG1的给水流量一直降低。分析受两方面影响。一方面SG1蒸汽流量的迅速下降，此时GCTA尚未开启，即便开启，蒸汽流量也远小于正常产生的蒸汽量。SG水位调节的汽水失配信号此时汽-水为负值，相当于给出一个给水流量调节阀关小的信号。使给水流量调节阀不会第一时间开大。另一方面，随着SG1压力的上升，高于APA泵出口压力，使ARE给水无法进入SG。

APA泵出口压力的整定值是由二回路总蒸汽流量来确定的，由于SG1流量的突然降低，导致二回路总蒸汽流量的下降，从而使汽水母管压差整定值减小，直到安全阀开启，蒸汽流量突然增大后，整定值增大，APA泵出口压力也有了一个瞬间的上升。但仍低于SG1的压力。

给水流量近乎为0，而当一个安全阀开启时，总蒸汽流量变为：

最大：486+450=936t/h

最小：369+450=819t/h

从而触发汽水失配信号（汽-水>=775.24 t/h）&SG水位低而停堆。

3.2满功率时主蒸汽隔离阀故障关闭的风险

对于某核电满功率时一个主蒸汽隔离阀误关，导致4个VVP安全阀开启，若不能正常回座，相当于蒸汽管道破口，将导致一回路不受控的冷却。

故主蒸汽隔离阀的故障关闭，最大的风险在于VVP安全阀开启后无法回座。

4个VVP安全阀开启和GCTA开启时，最大蒸汽流量为：

486*4+450=2394t/h<2442t>

即仍未触发蒸汽流量高的信号。所以即便最恶劣的情况，4个VVP安全阀均无法回座，导致蒸汽管线压力低或一回路平均温度低低信号触发，理论上仍不会引起安注。但可能导致蒸汽管线压差高信号而使安注启动。

若4个VVP安全阀无法回座，此时根据技术规范要求要6小时内向NS/RRA模式后撤。

3.3低功率主蒸汽隔离阀故障关闭后的处理思路

根据GCTA排放量324/1936*100%=16.7%，即在该功率水平下，一个GCTA的开启理论上足以维持SG的压力。则在低于此功率水平下，一个主蒸汽隔离阀的关闭可能不会导致VVP安全阀的开启，甚至可能不会导致停堆。此时可立即进行降功率操作，进一步降低蒸汽流量。同时调整GCTA的压力定值，使3个环路SG压力尽可能一致。并最终可以在0.5%Pn左右重新开启主蒸汽隔离阀。根据D15规程中在此时执行主蒸汽隔离阀快开试验和重新打开对机组的扰动来看，此时开启一个主蒸汽隔离阀对机组扰动较小。

4.总结

导致主蒸汽隔离阀误关的因素有设备因素和人因因素，设备因素可以通过巡检来提前发现，对人因陷阱的有效识别有助于杜绝类似人因事件的重复发生。若一旦出现主蒸汽隔离阀误关事件，则在高功率水平下，操纵员应关注主蒸汽安全阀是否正常回座。在低功率水平下，可尽快降功率后重新开启阀门。建议坚持落实以上的工作建议，共同努力，避免核电厂发生主蒸汽隔离阀误关的事件。

参考文献

[1]郑雪，核电站主蒸汽隔离阀部分关闭的验证方法，科协论坛，2012年第10 期（下）：53-54页

[2]3、4号机主蒸汽系统手册

[3]福建福清核电厂高级运行

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