压水堆主系统抽真空风险分析及控制

压水堆主系统抽真空风险分析及控制

李兆保

中核电运行管理有限公司  浙江嘉兴

摘要：

压水堆主系统抽真空操作是核电机组在大修后重新启动过程中进行的重要操作。本项操作的目的是通过抽走蒸汽发生器倒“U”形管结构中的气体，对蒸汽发生器倒“U”形管结构进行充水。对蒸汽发生器倒“U”形管结构充分的抽真空对减少一回路封闭后的含气量至关重要，对主泵的安全运行具有重要影响。本文通过分析压水堆主系统抽真空过程中的风险，梳理关键出关键控制点并提出了合理有效的控制策略，以期为今后安全完成该项操作提供指导。

关键字：抽真空；大修；控制策略

前言

压水堆核电厂一回路系统中的压力边界通常包括压力容器、主泵、蒸汽发生器、主管道、稳压器以及与反应堆冷却剂系统相连的隔离阀，正常运行中一回路为满水状态，因此在一回路水压试验、热态功能试验前或机组大修后启动过程中，均需要对一回路进行充水排气。对于采用倒“U”形管结构的蒸汽发生器，无高点排气点，因此通过简单的静态充水排气，无法将其中的大量空气排出。

传统的一回路排气过程是通过多次启停主泵进行动态赶气，但多次启停主泵会增加设备损坏风险。通过在一回路充水排气过程中增加抽真空装置，用于机组大修期间一回路充水排气，缩短大修主线时间。

主系统抽真空操作是核电机组大修工作中的重大高风险工作，其过程涉及主控室、控制区和非控制区多方位同时操作，需运行值、运行专工、机械、仪控、辐射防护等多专业配合。因此，一回路抽真空操作的安全高效完成，对大修工作的顺利推进至关重要。

本文对压水堆主系统抽真空操作的原理和方法进行了简单介绍，并结合往届大修抽真空操作过程中遇到的问题进行归纳分析，有针对性的提出了控制策略，以期提供有效的操作经验，安全高效完成该项操作。

1. 一回路抽真空操作原理及过程
   1. 抽真空的目的及原理

图1 一回路抽真空流程示意图

采用倒“U”形管结构的蒸汽发生器，无高点排气点，因此通过简单的静态充水排气，无法将其中的大量空气排出。传统的一回路排气过程是通过多次启停主泵进行动态赶气，但多次启停主泵会增加设备损坏风险。因此，在一回路充水排气过程中利用抽真空装置，将蒸汽发生器倒“U”形管中的空气抽出，避免多次启动主泵。

图2 破坏真空过程原理示意图

如图2所示，在破坏真空阶段，蒸汽发生器、压力容器/稳压器与换料水箱三个容器之间相当于一个连通器，水体的传输由三个容器间的压差（气压差+水位差）决定。初始，蒸汽发生器与压力容器/稳压器的气压、水位均相同，换料水箱的气压和水位最高，但通过低压安注系统隔离阀与一回路系统隔离。破坏真空时，开启换料水箱与一回路之间的隔离阀对一回路进行充水。为了保证压力容器/稳压器水位在基本不变，需打开真空破坏阀，提高压力容器/稳压器的气空间压力，与蒸汽发生器之间产生静压差，使换料水箱充入一回路的水仅进入蒸汽发生器倒“U”形管。随着蒸汽发生器水位上升，气空间被压缩，气压上升，蒸汽发生器整体压力上升，同时换料水箱液位下降，蒸汽发生器与压力容器/稳压器、换料水箱的压差均减小。这时一方面为了维持压力容器/稳压器与蒸汽发生器之间的静压差，需要逐渐开大真空破坏阀；另一方面为了保证一定充水流量，需要逐渐开大安注系统隔离阀。当该阀全开后，仍不能保证补水流量时，需投入化容系统上充管线，利用容控箱的进行充水。当容控箱液位低时，由硼和水补给系统补给。最终直到真空破坏阀全开，主系统水位稳定，标志着破坏真空操作结束。

1.2主系统充水至主管道中心线

本阶段由换料水箱通过低压安注系统热管段小流量注入管线向一路重力充水至主管道中心线附近。水位不能太高，否则淹没主管道上沿后，会使蒸汽发生器倒“U”形管、稳压器、压力容器隔开，无法对蒸汽发生器倒“U”形管抽真空。水也不宜过低，否则其空间体积过大，加长抽真空的时间。

1.3主系统抽真空至17KPa.a

开启抽真空装置入口压空阀，启动抽真空装置，将压力容器顶部、稳压器及使蒸汽发生器倒“U”形管的空气通过，压力容器顶部和稳压器顶部的排气口抽走。在此期间，若换料水箱液位较低，可通过硼回收系统中间储槽向换料水箱补水，以保障此后向一回路补水的要求。

1.4主系统充水至淹没主系统管道

当一回路气空间的压力降至17KPa.a后，再次由换料水箱通过低压安注系统管线向主系统重力充水，使主系统水位上升至淹没主系统管道，使蒸汽发生器与稳压器、压力容器隔离。

1.5破坏真空

在本阶段，通过打开抽真空装置上的真空破坏阀，使压力容器和稳压器内上压力上升，从而将其中的水压入蒸汽发生器倒“U”形管内。在此过程中需保证主管道处于满水状态，否则，压力容器和稳压器内的空气通过主管道进入蒸汽发生器倒“U”形管，使蒸汽发生器倒“U”形管内的压力上升，抽真空失败。因此，破坏真空需缓慢进行，同时用换料水箱向一回路补水，保证一回路水位基本稳定。水位不能过高，否则沾湿压力容器假顶盖，造成设备沾污。

当真空破坏阀已全开，一回路水位保持稳定后，蒸汽发生器倒“U”形管充水完成，一回路抽真空操作结束。

2. 抽真空过程中注意事项及应对策略
   1. 抽真空前需将余热排出系统与主系统隔离

主系统充水至主管道中心线的过程中，同时也对余热排出系统充水。抽真空时，若余热排出系统不与主系统隔离，随着主系统压力的降低，余热排出系统中的水将被压入主系统，使主系统水位上升，有浸湿假顶盖的风险。

启动抽真空装置前，将余热排出系统与主系统的连接管线隔离，保证主系统的严密性。抽真空过程中保持对主系统水位的严密监视，如各液位计指示出现偏差，需分析其原因；如一回路水装量增加，需检查与其相连已充水系统的隔离是否严密。

2.2破坏真空过程中主系统液位计指示存在偏差

由于压力容器顶部气空间体积小，且与抽气接管管径大，因此其压力变化比稳压器气空间快。若破坏真空速率比较快，将导致压力容器压力上升速度比稳压器快，压力容器中的一部分水被压到稳压器内，导致稳压器液位指示上升，压力容器液位指示下降。

控制破坏真空的速率，减小压力容器和稳压器的液位偏差，必要时，暂停操作，等待液位稳定，液位计指示偏差消失。

2.3抽真空阶段相关控制策略

2.3.1抽真空时对主压空系统的影响及应对措施

抽真空装置由压缩空气系统驱动，用气量较大，使压缩空气管网压力下降，进而导致备用主空压机相继启动。为确保主压空系统正确响应，需运行专工现场保驾。

2.3.2抽真空装置停运时机的分析与改进

当主系统压力降至17KPa.a后，开始向主系统补水。为了达到更好的抽真空效果，此时可保持抽真空装置运行，当主系统水位达到淹没主管道后再停止抽真空。一方面可抽出更多的空气，达到更好的抽真空效果；另一方面，可避免主系统不够严密时，停止抽真空装置后主系统压力上升。

2.3.3抽真空阶段主系统充水控制

本阶段对主系统充水时，由于主系统与换料水箱间压差大（换料水箱压力为大气压：100KPa.a，主系统压力:17KPa.a，且换料水箱液位大于主系统水位），仅通过开启低压安注管线对主系统充水即可满足充水要求。

另外，在主管道被充满前，充水截面积较大，水位上升缓慢，当主系统管道被充满后仅对蒸汽发生器倒“U”形管、稳压器、压力容器进行充水，充水截面积变小，水位上升速率变快[4]。

2.4破坏真空阶段相关控制策略

2.4.1真空破坏阀与补水补水隔离阀控制策略

破坏真空是抽真空操作成败的关键，在破坏真空过程中，为维持压力容器/稳压器液位稳定，需同时配合操作真空破坏阀与安注系统隔离阀。这两个阀门均需现场手动操作（真空破坏阀在控制区阀门本体操作，安注系统隔离阀在380V配电柜用试验盒控制），在破坏真空过程中，主控室与现场保持热线联系，以便及时控制，防止压力容器/稳压器水位失控。

2.4.2通过容控箱对一回路充水时风险控制

通过上充管线利用容控箱对一回路进行充水时，需关注容控箱容控箱液位，正确设定上充流量和硼酸泵流量，保证硼酸泵流量大于等于上充流量与主泵轴封注水流量的和，同时小于硼酸泵额定流量，避免容控箱被排空。

3. 结论

压水堆主系统抽真空操作是一项高风险工作，涉及多系统系统联动，多参数监控，多专业配合，要求执行本操作的责任人对本项操作具有深刻理解，清楚各阶段的目标及控制原理，提前提前做好准备措施，确认各专业配合人员就位，对重要系统参数建立趋势组跟踪监视，遇到异常情况时，保守决策，严格控制操作风险。

虽然抽真空操作具有很高的风险，但只要掌握其原理，抓住关键控制点，采取合理有效的控制策略，保持对关键参数的严密监视和精确控制，在各专业/岗位的协作配合下，能够安全高效的完成本项操作。

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