華龍一號電氣廠房冷凍水系統切換運行邏輯分析及優化

胡靖 鄭仕建

（中國核電工程有限公司華東分公司 浙江嘉興 314000）

1 功能介紹

電氣廠房冷凍水系統（WEC）為一個封閉式的冷凍水運行回路，其正常功能是將電氣廠房中下列通風空調系統冷卻盤管和中、低壓安注泵電機冷卻時所帶回的熱量，通過冷水機組或風冷機組傳遞給設備冷卻水系統或室外大氣，以確保核電機組的主控室、電氣廠房控制柜間內的DCS設備、應急硼注入系統及中、低壓安注泵的正常運行及主控室操作人員的可居留性［1］。

電氣廠房冷凍水系統為電氣廠房的下列通風空調系統的冷卻盤管和中低壓安注泵提供7℃的冷凍水。

VCL：主控制室空調系統。

VEC：控制柜間通風系統。

VMO：安全廠房機械設備區通風系統（033 RF/233 RF）。

RSI：安全注入系統中、低壓安注泵電機（RSI001 MO/002MO/003MO/004MO）。

在喪失熱阱（H1工況）或SBO工況下［2］，風冷式冷水機組（WEC003GF）和相應的冷凍水循環泵（WEC003PO）工作。在喪失全部熱阱工況下，為VCL系統、VEC系統及RSI系統中、低壓安注泵電機冷卻提供冷凍水［3］，以確保主控室、DCS機柜及安全注入系統的正常運行。在SBO工況下，向VCL、VEC系統提供必要的冷凍水，從而保證主控室和DCS機柜的正常運行。

WEC 系統水冷式冷水機組和冷凍水循環泵為2×100%冗余設置，喪失全部熱阱工況是一個超設計基準的事故工況，根據單一故障準則要求，風冷式冷水機組（WEC003GF）、水泵（WEC003PO）、閥門、管線和部件等無冗余設置為非安全級的設備，同時承擔著向中、低壓安注泵提供冷凍水的職能，該系列設備具有抗震1類要求，系統流程如圖1所示［4］。

圖1 WE C 系統流程示意圖

2 系統工況運行及切換

2.1 正常運行工況切換方式

正常運行時，兩臺冷水機組（WEC001GF/002GF）和兩臺冷凍水泵（WEC001PO/002PO）一用一備，當運行冷凍機組因故障停機、電源切換等原因需要切換機組運行時，此時，需運行操作人員在就地或主控對備用冷水機組進行切換運行，切換邏輯如圖2所示。

圖2 正常運行工況切換簡圖

2.2 喪失熱阱工況和SBO工況運行切換方式

當機組喪失全部熱阱時（水冷機組失去冷卻水），冷水機組將自動保護停機，系統功能只能通過供水支管上設置的冷凍水儲罐（WEC002BA），通過冷凍水泵循環使系統功能得到暫時維持，此時，需要運行人員在短時間內啟動風冷式冷水機組（WEC003GF）和相應的冷凍水循環泵（WEC003PO）運行，以維持系統功能，切換邏輯如圖3所示。

當機組觸發SBO 工況時（全廠正常電源和6.6KV柴油發電機不可用），A/B 列水冷機組自動停機，風冷機組（WEC003GF）和冷凍水泵（WEC003PO）由400V小柴進行供電，此時，需要運行人員在短時間內啟動風冷式冷水機組（WEC003GF）和相應的冷凍水循環泵（WEC003PO）運行，以維持系統功能，切換邏輯如圖3所示。

圖3 喪失熱阱和SB O 工況切換簡圖

3 工況切換運行邏輯存在問題

通過圖3可知，當機組觸發SBO 工況和喪失全部熱阱工況時，A/B列水冷機組將全部喪失制冷功能，此時，需要運行人員及時進行干預并按照如下操作流程就地啟動風冷機組運行。

（1）確認A/B 列冷水機組已停運（WEC001/002GF）。

（2）就地或主控停運冷水機組對應冷凍水泵（WEC001/002PO）。

（3）手動切換風冷列冷凍水泵進出口隔離閥狀態。

（4）就地或主控啟動冷凍水泵（WEC003PO）。

（5）就地或主控啟動風冷機組（WEC003GF），水冷機組接收到啟動命令后進行自檢（持續時間2～3min），確認無故障啟動加載，直至機組滿負荷運行。

執行上述（1）～（5）操作步驟，從人員準備至人員到達操作現場，根據過往機組運行經驗，此過程需耗時10～15min 方可切換完成。而此切換時間僅指備用機組處于熱備用且無故障狀態的切換時間，在實際操作過程中，備用機組存在由于各種故障而在短時間內無法啟動的情況，此時，所需時間遠遠大于10～15min。在此功能切換過程中，下游通風系統熱負荷由供水支管上設置的冷凍水儲罐（WEC002BA）進行循環冷卻，以維持主控室、計算機室和DCS相關房間的溫升。

根據某核電廠5、6號機組冷凍水儲罐容量試驗結果可知，從冷水機組停運至下游用戶中房間溫度最快達到限值時所用時間為39min 和55min，具體結果如表1所示。根據結果可知，在備用機組處于正?？捎脿顟B下，冷凍水儲罐容量能夠滿足機組切換所需時間，但此切換過程也會導致熱負荷房間局部溫升。若備用機組由于初始條件不滿足或故障而短時間內無法啟動，則會導致熱負荷房間快速溫升，情況嚴重，則會導致房間結露。由于冷凍水泵、水冷機組與風冷機組之間無法實現自動切換運行，切換前需要當班操作人員去現場進行故障確認和設備狀態確認后手動執行上述（4）～（5）步，既費時，又耗費人力、物力，與實現可控的自動化控制水平存在差距。

表1 冷凍水儲罐容量試驗表

由于WEC 系統是安全相關系統（VCL）的支持系統，對核電機組的安全運行起著關鍵作用［5］，因此，WEC 系統的喪失是不能接受的。為了應對各工況下系統功能的快速切換和系統穩定運行，對控制邏輯進行優化顯得尤為重要。

4 工況切換運行邏輯優化方案

根據WEC水冷機組和風冷機組自身控制邏輯，為實現機組間的自動切換，可以考慮使用冷卻水斷流信號、冷凍水斷流信號和冷水機綜合故障信號來聯鎖風冷機組啟動。

4.1 方案一：冷卻水斷流保護信號聯鎖風冷啟動

設備冷卻水作為將水冷機組熱量最終傳遞至大海的中樞介質，直接影響水冷機組安全運行。按照系統邏輯，當A列觸發冷卻水，斷流保護會自動聯鎖A列冷水機組停運；當B列觸發冷卻水，斷流保護會自動聯鎖B 列冷水機組停運。在機組正常運行期間，若發生單列失去冷卻水故障，則由運行人員啟動備用列冷凍機組運行即可。當機組喪失全部熱阱工況時，A/B 列冷卻水同時觸發斷流保護，則可把兩列冷卻水斷流保護信號作為風冷機組的啟動信號，聯鎖風冷機組啟動，從而試驗邏輯聯鎖。

4.2 方案二：冷凍水斷流保護信號聯鎖風冷啟動

冷卻水作為冷源的傳遞者和下游用戶熱量的回收者，其功能也直接影響冷水機的安全運行。冷凍機組運行期間，出現冷凍水斷流保護的主要原因一般表現為冷凍水泵故障停機、冷凍水泵失去動力和控制電源、冷凍水供水管出現跑水（導致管網壓力低）幾種情況。A/B列任一路冷凍水斷流保護也會自動聯鎖對應列水冷機組停運。當機組觸發SBO 工況時，A/B 列冷凍水同時觸發斷流保護，則可把兩列冷凍水斷流保護信號作為風冷機組的啟動信號，聯鎖風冷機組啟動，從而試驗邏輯聯鎖。

4.3 方案三：冷水機組綜合故障信號聯鎖風冷啟動

引發冷水機組綜合故障報警的原因種類繁多［6］，如表2所示，任何單一故障報警均可聯鎖冷水機組保護停機?？刹捎谩袄渌畽C組綜合故障”反饋信號聯鎖風冷機組（WEC003GF）和冷凍水泵（WEC003PO）啟動［7］。當在運行列和備用列的水冷冷水機組故障停機時，通過故障反饋信號，聯鎖風冷機組和對應冷凍水泵啟動。

表2 冷水機組綜合故障報警匯總表

為防止冷凍機組本體由于冷凍水、冷卻水流表計飄表或瞬時觸發流量低等因素誤產生綜合故障報警信號，采用5s延時對綜合故障進行延時判斷。當故障時間超過5s 后，自動聯鎖冷凍水泵啟動，當冷凍水泵啟動反饋至風冷機組后，延時3s，聯鎖風冷機組啟動進行邏輯控制［8］，具體控制邏輯如圖4所示。風冷機組運行后，可安排當班操作人員進行現場運行狀態確認和檢查，當SBO工況和喪失全部熱阱工況解除后，視情況將風冷機組切換至冷水機組運行。

圖4 工況切換邏輯控制原理圖

4.4 方案比選

通過對上述3 種優化方案的分析比選，形成各自方案的優缺點，詳見表3所示。

表3 方案優缺點匯總表

通過以上方案比較，方案三適用于所有故障引起的機組自動切換運行，能夠大大降低人為手動切換過程中下游房間溫升導致產生溫度梯度，可避免此過程中廠房結露現象發生，可通過設置邏輯延時，判斷和規避水冷機組頻繁切換至風冷機組運行情況發生。目前，該方案已在華龍一號批量化建設機組中進行運用。

5 結語

通過對WEC 系統各工況下的機組切換方式進行分析，提出當機組觸發SBO 工況和喪失全部熱阱工況時，通過兩臺冷水機組綜合故障信號聯鎖并經過延時聯鎖冷凍水泵和風冷機組啟動，從而實現水冷機組與風冷機組的自動切換，可有效避免切換過程中下游負荷房間產生局部溫升的情況，在一定程度上能夠減少運行操作人員干預，同時使系統自動化水平得到有效提升。改進后的電氣廠房冷凍水系統保證了正常運行、SBO工況、喪失全部熱阱工況期間及事故后對相關通風系統的有效支持，為核電廠主控室、DCS機柜間的運行提供可靠保障。