华龙一号的主要技术特征中提出了“提高抗商用大飞机撞击能力”的要求,同时增强重要厂用水系统(WES)安全可靠性,福建福清5号、6号机组WES的设计发生了相应的变化,联合泵房(PX)的设计对这些变化进行了充分考虑,对这些变化产生的影响进行分析,并对PX的布置方案比选和设备选型等做出相应优化改进。

　　 在华龙一号机组中,在设计基准条件下核电厂的最终热阱功能由海水承担,即WES,该系统具有安全功能,它是冷却系统的一部分,用于在正常运行和事故工况下将安全有关构筑物、系统和部件传来的热量输送到最终热阱。

　　 为满足设计基准,WES的功能由2条与安全有关的冗余系列来完成,它们用海水来冷却设备冷却水(WCC)系统的板式热交换器。1台机组的WES设置2个安全系列,每个系列设2台WES泵,分单泵运行和双泵并联运行2种工况,每个系列有1条管道向WCC板式热交换器提供冷却水。重要厂用水系统流程简图(单机组),见图1。

　　 与二代改进型核电机组相比,WES的原有设计基准保持不变,依据核安全导则(HAD102/09)及“华龙一号总体技术方案”要求,WES所在的子项还需要考虑抗商用大飞机的撞击。出于安全的考虑,WES在主冷却剂丧失、厂外电源丧失、设备单一故障3种事件同时发生的情况下应仍能确保正常运行,因此系统需要采取以下措施:

　　 (1)实体隔离,WES由2个系列组成,进行多重、隔离、独立设置,由柴油发电机供给应急电源。

　　 (2)抵御各种外部事件,如SL-2地震水平、洪水、极端低水位、极端高水温、生物污染、大型商用飞机撞击、各种飞射物、破坏活动。

　　 (3)抵御各种内部事件,如泄漏、火灾、丧失电源。

　　 (4)提供定期试验和在役检查设施。

　　 (5)分级:安全3级(排放部分除外)。

　　 (6)通行:在要害区设出入口控制;

　　 (7)遵循NB/T 20001标准同时参考RCC-M(2007版),以确保设备的规范等级。

　　 WES的设备和管道布置在PX泵房、重要厂用水廊道(GA)、核岛厂房(NI)3个子项内。单堆布置是华龙一号机组的三大技术特色之一,核岛厂房已经实现单堆布置,对于核电厂配套设施(BOP)子项是否单堆布置需加以分析,就福清5号、6号工程厂址而言,福清1-6号机组存在延续性问题,厂区整体规划受到局限,故福清5号、6号机组合仍以建一座联合泵房为前提进行布置,GA廊道连接PX泵房和NI厂房。

　　 与二代改进型机组相比,WES系统在设计流量约增大10%,对抗商用大飞机撞击的要求,在设计过程中需重点考虑。

　　 PX泵房是一个综合性海水泵房。集循环水泵房、重要厂用水泵房于一身。重要厂用水系统通过重要厂用水泵和必要的管道为核岛提供必要的冷却用海水,PX泵房通过重要厂用水廊道(GA)与核岛连接。循环水系统通过循环水泵和必要的管道向常规岛设备提供必需的冷却海水流量,PX泵房通过循环水廊道(GD)与常规岛连接。因此,联合泵房担负着既保证核设施安全又保证核电厂经济效益的双重任务,是BOP最重要的子项。为了保证冷却水系统中各项设备的正常运行,在泵房内还设有海水过滤装置以及很多辅助系统,因此PX泵房是一个工艺标准高、土建设计复杂、系统繁多的子项,为整体抗震Ⅰ类建筑物。在二代改进型机组中,联合泵房的布置已经充分考虑了重要厂用水系统的设计基准,完全满足重要厂用水系统要求。在华龙一号机组中,抗商用大飞机撞击是联合泵房重点研究的问题。

　　 在二代改进型机组核电站设计中,对于外部极端事件需要考虑小型飞机的撞击,这些飞机质量较小,飞行速度也较慢,对核电站产生的影响也相对较小。在某些国家和地区,核电站的设计中要考虑军用飞机撞击的影响。“911”事件以后,大型商用飞机对核电站的撞击成为一种可能,设计中应当考虑这一极端外部事件。

　　 目前,抗商用大飞机撞击逐渐成为国际第三代核电站的要求。为了使我国自主设计的第三代核电站“华龙一号”安全性达到或优于现有三代核电站的总体安全水平,结合国际上对核电设计抵御商用飞机撞击的最新要求,参考法国第三代核电技术(EPR)等先进技术的设计经验,确定在设计过程中将考虑抗商用大型飞机的撞击影响,避免在此类事故下出现放射性物质大量释放,从而保护人员和环境免受核辐射危害。

　　 华龙一号技术将大型商用飞机撞击作为核电站设计中必须考虑的一种超设计基准事件。在大型飞机撞击时,必须保证:反应堆保持被冷却或安全壳保持完整性;乏燃料保持被冷却或乏燃料池保持完整性。

　　 抗大型商用飞机撞击设计可采用双层结构壳(APC壳)或将冗余系统进行空间隔离来实现保护。

　　 重要厂用水系统作为核电厂最终热阱,在商用大型飞机撞击事故情况下,热阱可能全部丧失,这将直接影响反应堆堆芯及乏燃料水池的冷却,可能的最严重后果是堆芯无法冷却而导致堆芯融化。故重要厂用水系统所涉及的构筑物需采取抗商用大飞机撞击的设计。

　　 联合泵房(PX)作为重要厂用水系统最重要的构筑物,包含2台机组4个独立的重要厂用水供水系列,每个系列包含2台重要厂用水泵,满足冗余设置及实体隔离的要求。

　　 为了抵御商用大飞机的撞击,建构筑物可以采取2种防护措施:结构防护或对冗余设置的系统进行空间隔离。对冗余设置的系统进行空间隔离是通过在系统冗余系列布置时设置足够的距离对系统进行保护,即使遭受飞机撞击也不会失去整个系统,仍然可以保证系统安全可用。这种防护方式不需要对建构筑物结构体进行额外加强,不会增加土建费用,但需要有足够的平面距离。核岛厂房的设计也尽可能采用了冗余系列空间隔离的防护措施,在不具备空间隔离的厂房区域开展结构防护抵御大型飞机撞击的课题研究。

　　 华龙一号抗商用大飞机撞击设计采取包络的方式,进行了商用大飞机撞击荷载时程曲线推导,并建立飞机三维有限元模型计算分析。结合EPR设计经验,采用空间隔离的冗余安全系列的要求对联合泵房4个布置方案进行比较(见表1)。

　　 丧失最终热阱是日本福岛核事故的重要问题之一,华龙一号技术中重要厂用水系统承担最终热阱功能,在汲取福岛经验和教训后,为增强系统的安全可靠性,同时参考NUREG-0800标准审查大纲中9.2.1节的要求:“厂用水系统各部件(泵,热交换器,管道,阀门),审查着重于当系统受不利操作条件影响(水锤)影响时,受到包括寒冷天气不利环境事件影响时,以及系统遇到事故工况,如冷却剂流失事故同时场外电源丧失影响时,这些部件的功能特性。”对WES系统进行了瞬态计算,验证并实现在特殊瞬态运行工况,WES系统设计成能够承受在正常或事故工况时(包括泵启动和停泵水锤)产生的最大瞬时超压。

　　 福清5号、6号机组WES系统瞬态计算,由计算机模拟系统元件的特性参数和水体流态瞬变情况,及在瞬变过程中引起的相关参数变化进行计算。计算软件采用Flowmaster6.5版。

　　 根据计算工况,模拟各种潮位下水泵启动和停运,计算得出,在设计基准低水位下单泵运行停运工况,系统出现最大瞬态压力,出现位置位于停运水泵出口止回阀阀后(见表2)。

　　 二代改进型机组重要厂用水泵出口止回阀形式分为蝶式止回阀、旋启式止回阀和两阶段关闭止回阀。故本次计算分别对使用这3种止回阀的方案进行了分析。

　　 使用蝶式止回阀,由于关阀时间过短,会产生水锤现象,将使得止回阀出口端压力骤升,造成系统内瞬态压力过大,计算过程中提示在管路产生了气穴,并且发生气穴溃灭现象,损毁设备和管路。因此,WES不推荐使用蝶式止回阀。

　　 使用旋启式止回阀,阀门具备一定的单阶段缓闭功能,缓闭时长一旦确定将无法调节,WES介质为海水,海水潮位变化幅度大,单一缓闭时长不能有效避免不同潮位工况下系统瞬态产生的较大的水锤力。因此,WES不推荐使用旋启式止回阀。

　　 使用两阶段关闭止回阀,经计算两阶段关闭止回阀能有效控制各种工况下系统最大瞬态压力,且第一阶段阀门开度关到越小越好,第二阶段阀门完全关闭的时间越长系统最大瞬态压力越小,但当时间延长到一定时间后,系统瞬态最大压力基本保持不变。最终推荐使用两阶段关闭止回阀,关阀方案为:第一阶段4s阀门开度关至10%,第二阶段12s阀门完全关闭,总关阀时间16s。系统瞬态最大压力位0.99 MPa。

　　 根据WES系统瞬态计算结论,重要厂用水泵出口使用两阶段关闭止回阀,该阀门布置于PX泵房WES泵坑内,按照PX泵房相关设计进度,止回阀先期按照蝶式止回阀展开设计,阀门型式的变化,对WES系统管道及PX泵房的整体设计产生了一定的影响。

　　 华龙一号机组与二代改进型机组相比水量要求大约增大10%,WES泵出口管道口径由DN700增大至DN750,止回阀规格也同样增大到DN750,加上两阶段关闭型式所配备的液压机构,该阀门将成为目前国内最庞大的核三级止回阀组。两阶段关闭止回阀见图2。

　　 由于WES介质为海水,蝶式止回阀阀体使用双相不锈钢材质,造价约为36万元/台,如两阶段关闭止回阀也采用双相不锈钢,造价将超过100万元/台。综合考虑造价及耐海水腐蚀性能,两阶段关闭止回阀阀体采用碳钢+乐泰涂料的材质,造价基本与蝶式止回阀相当。

　　 两阶段关闭止回阀相比蝶式止回阀,体积增大近9倍,重量增大了近4倍,对PX泵房WES泵坑内的管道设计、力学计算及支架设计提出了新的要求,在管道设计中尽可能避免止回阀所在区域的纵向管道交叉,为两阶段关闭止回阀预留出足够的操作空间;由于止回阀重量增加,经力学计算,阀门下方90°弯头的支架Y方向受力增大,导致该支架型式由滑动支架(PL)改为Y方向限位支架(PL+BTY),支架的设计及WES泵坑底板预埋件均随之变化,直接影响PX泵房底板模板图的进度。

　　 经多方努力,在保证PX泵房设计进度的前提下,WES系统更换两阶段关闭止回阀的方案顺利实施。

　　 华龙一号重要厂用水系统对联合泵房的影响,主要体现在“提高抗商用大飞机撞击能力”和“增强重要厂用水系统安全可靠性”这两方面要求。

　　 为满足抗商用大飞机撞击要求,综合考虑福清核电厂1-6号机组延续性问题,再加上5号、6号机组厂址条件的限制,PX泵房布置方案优选出对系统冗余系列进行空间隔离的最终方案。这一方案既满足了华龙一号三代核电机组的技术要求,又对重要厂用水系统安全稳定运行提供了坚实保障。在进一步深化设计中,合理规划管道及电缆敷设路径,解决了密集布置的管道阀门的检修困难问题。使PX泵房的设计得到进一步优化。

　　 为满足增强重要厂用水系统安全可靠性,WES进行了瞬态计算工作,为尽可能消除瞬态工况对系统运行造成的影响,推荐WES泵出口使用两阶段关闭止回阀,这一改进可以有效应对失电事故及多种潮位变化等工况,使重要厂用水系统的运行更加安全。WES系统止回阀选型的变化,使PX泵房管道布置、力学计算、支架设计均加以改进,使PX泵房的设计进一步完整。