许 磊，周国华，陈 鹏

（1.中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300；2.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082）

新型应急补水装置在核电厂的应用

许 磊1，周国华1，陈 鹏2，*

（1.中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300；2.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082）

本文介绍了秦山核电基地针对日本福岛核事故后我国核电厂安全改进行动设计的一种应急补水装置；通过对核电厂严重事故状态下的应急补水要求所做的技术分析，进行了装置的整体方案设计及专用设备选型，并做了相应的创新设计。经过核电厂现场的试验测试，验证了该装置满足设计要求，可以在丧失交流电源情况下为核电厂提供应急补水从而为在严重事故情况下核电厂的安全提供保障。

核电厂；福岛核事故；应急补水；移动式装置

在2011年3月日本福岛核电厂发生核事故后，各国对运行核电厂的安全性进行了重新评估，并针对性提出了安全改进措施［1］。在我国，为汲取日本福岛核事故的经验和教训，进一步提高核电厂的运行安全水平，国家核安全局 （National Nudear Safety Administration，简称NNSA）对国内各核电营运单位也提出了安全改进要求［1，2］，并发布实施了 《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求》（以下简称 《技术要求》）。《技术要求》的第二条规定，运行和在建核电厂应设置应急补水装置，以实现在核电厂部分或全部安全系统功能丧失的情况下，通过向二回路和/或一回路补水，及向乏燃料水池补水以带出余热［1，3］。根据国家核安全局对运行核电厂提出的安全整改行动要求［4］，秦山核电基地增设了两台移动泵，以满足核电厂在发生事故状态下的应急补水要求。

1　核电厂严重事故状态下的应急补水要求技术分析

《技术要求》提出，应急补水流量应能满足停堆6 h后堆芯余热排出的需要［4］。秦山核电基地共有9台核电机组，堆型包含300 MWe压水堆机组、650 MWe压水堆机组、700 MWe重水堆机组以及1000 MWe压水堆机组。根据各堆型的《严重事故管理导则》中关于堆芯余热的冷却要求来看，其中700 MWe重水堆机组和1000 MWe压水堆机组的堆芯余热冷却要求较高，两种堆型在停堆6h后余热排出所需的注水流量大约分别是21.6 m3h-1和36 m3h-1［5，6］，其余300 MWe压水堆机组和650 MWe压水堆机组的堆芯余热冷却要求均低于上述值。因此，额定的注水流量高于36 m3h-1，即可满足要求，同时考虑到管线损耗和一定的安全裕度，应急补水装置的注水流量建议设计为65 m3h-1。图1、图2分别为700 MWe重水堆机组和1 000 MWe压水堆机组的停堆余热排出与注水流量曲线［7，8，9］。

应急补水装置是在核电厂发生严重事故时用于向反应堆一回路或二回路以及向乏燃料水池补充冷却水，来带走堆芯或乏燃料水池余热，需要具备一定的机动能力，并且应满足在丧失全部交流电源情况下可以启动的要求。因此，应急补水装置必须是可移动的，而且无需交流电源即可启动。为了满足这些要求，我们提出了移动式柴油机驱动泵的解决方案［10，11］。

图1　700 MWe重水堆机组停堆余热排出所需注水流量曲线图Fig.1 Curve of water addition required to remove decay heat in 700MWe HWR

图2　1 000 MWe压水堆机组停堆余热排出所需注水流量曲线Fig.2 Curve of water addition required to remove decay heat in 1 000 MWe PWR

2　应急补水解决方案——移动式柴油机驱动泵的设置

2.1设备功能

移动式柴油机驱动泵的功能是在核电厂丧失全部交流电源 （包括厂址附加柴油发电机）时，通过临时补水管线向反应堆一回路或蒸汽发生器注水以及向乏燃料水池补水，以此满足应急情况下堆芯及乏燃料的冷却要求［12，13］。

2.2设备使用环境

移动式柴油机驱动泵属于应急设备，没有固定的运行工位，应急状态下在室外启动运行，且没有冷却水接入。现场环境温度一般在-10.8℃～40℃之间，最大相对湿度为100%，空气含有盐分并夹带沙尘［14］。

2.3设备技术参数

表1　移动泵的技术参数Table 1 Parameter of remote pump

泵入口管线取水最低位置在泵水平位置下方3 m处，即要满足从低于泵水平位置3 m处的水池取水。

2.4对设备的功能要求

移动式柴油机驱动泵需要实现应急状态下在室外，机组就近位置，且无交流电源条件下启动运行，考虑到部分厂区的应急水源为地面下的应急水池，因此泵应具备一定的自吸能力，可以满足从低于泵水平面的水池位置取水。泵入口管线取水的最低位置在泵水平位置下方3 m处，满足功能要求的设计基准为5 m。

3　应急补水装置设计

根据以上的技术要求，应急补水装置设计包括：采用柴油机驱动，以满足在丧失交流电源情况下启动运行；采用新型专用水箱，与多级离心泵配合实现自吸功能；采用专用车辆底盘改装，将设备安装在专用车辆上，构成应急设备车，满足灵活机动的要求。

如图3所示，移动式柴油机驱动泵系统由柴油机 （1）、车载柴油机驱动泵 （2）、专用水箱（3）、专用车辆 （4）、出口入口接管 （5）、流量压力表 （6）等主要部分组成。

水箱 （3）、水泵 （2）、柴油机 （1）三个主体部件，依次放置在车厢内，柴油机和水泵之间通过带加长节的膜片联轴器联接驱动，水箱进水口通过接管与外部水源连接，水箱底部出口接至水泵入口，水泵出口连接管线至车厢外，预留法兰接口，便于安装延长管线向核电厂指定位置区域注水［15］。

水泵的入口及出口处分别安装有温度和压力监控装置，并在出口管线上设有流量表，根据流量的变化、水箱的液位指示、泵入口压力，控制柴油机和水泵的转速，达到调节出口流量的目的。

图3　系统结构图Fig.3 Structure chart of system

3.1水箱

为了实现水泵的自吸和低位取水功能，系统中采用了创新设计的新型水箱，该水箱的设计特点是：运行时取水供水的进、出口分别设置在水箱的底部；在水箱内部，分别从进、出口处连接管道至水箱顶部，并在水箱顶部设有腔室和注水口 （用于首次启动使用时向水箱加水）；水箱底座安装在整车操作平台上；水箱的容量为2 m3，采用优质不锈钢卷制而成；水箱外部设置有液位显示仪，用于监测内部的水容量，内部安装加热器防止在零度以下因水结冰而损坏水箱。其内部结构如图4所示。

图4　水箱结构图Fig.4 Structure chart of water tank

在第一次启动使用泵前，打开排气孔，从顶部水箱注水口给水箱注满水，这样就把水箱内的空气基本排尽。当启动泵运行时，外部注入水从进口1进入内部管线，再从出口1进入水箱，同时，溶解在水中的空气一并进入水箱，空气在压力的作用下在水箱内析出并上升聚集在腔室处，并从进口2经排气管路到达出口2，与水一同从管路排出。这样就在腔室处形成真空产生虹吸，不断抽取水池内的水，实现了水泵的低位取水功能，保证了水泵5 m的自吸能力。

3.2水泵

装置内的水泵选用卧式多级离心泵，泵的吸入口轴向和吐出口水平，水泵主要由进水段、中段、水力部件 （叶轮、轴、轴套）、机械密封等组成。结构形式如图5所示。

图5　水泵结构图Fig.5 Structure chart of the pump

吸入口法兰：DN125，PN16，排出口法兰：DN65，PN25。该泵共5级叶轮，叶轮为单吸结构，采用成熟的平衡鼓结构平衡轴向力，安全可靠；叶轮材质选用抗冲刷耐腐蚀性能优良的不锈钢材料316L，首级叶轮为抗汽蚀性能设计，在最小流量工况点到最大流量工况点下连续运行，均保证车载柴油机移动泵不发生汽蚀。轴封选用单端面、平衡型、集装式机械密封，为通用的成熟产品，便于检修维护。泵性能按GB/T 3216-2005回转动力泵水力性能试验2级验收，水泵与柴油机功率匹配和转速选择合理。泵体有排气管，能够防止内部聚集不可凝气体。转子及叶轮结构如图6、7所示，图8为水泵性能曲线。

3.3柴油机

柴油机选用东风康明斯DFL5160XXYB型柴油机，符合 GB1147.1的标准要求。柴油机的油箱容量为300 L，能够满足水泵8 h连续运行要求。油箱安装在整车操作平台下，油箱上设置有加油、排油、排气等接口以及油位监测装置，在低油位时，能够自动报警，加油、排油、排气接口高于1 m，满足在厂区水淹深度1 m的情况下不影响对油箱的供油。油箱上设置的补油接口，方便实现在线补油功能。柴油机自带冷却系统，能够满足运行要求。

图6　转动部件结构图Fig.6 Structure chart of the rotor component

图7　叶轮结构图Fig.7 Structure chart of the impeller

图8　水泵性能曲线Fig.8 Performance graph of the pump

柴油机启动蓄电池容量能够保证机组启动6次而不需要再充电，其蓄电池寿命不低于5年，保证了设备启动运行的可靠性。充电器选用智能充电器，可根据电池电压的不同状况，分别采用恒流快充，涓流浮充，充满时自动停充等方式，大大延长了电池寿命。

3.4车辆

专用车辆底盘改装：采用了国内业绩较好的东风天锦专用底盘改装，该底盘采用有限元分析优化，降低自重；底盘改装采用强度好、自重轻的新材料；纵梁上下翼面采用无孔设计，有效地提升了整体刚度；车架的结构形式与欧Ⅱ车型基本相同，采用直通车架。

底盘高度为1.2 m，管路及仪表均安机装操作平台上，以方便工作人员在事故情况下的接管和启停操作，包括对设备的日常检修维护等操作。车外身蒙皮平整，圆弧过渡平滑，车上装配有2个干粉灭火器。

4　设计创新点

本设计方案具有以下创新点：采用柴油机驱动水泵，解决了在丧失交流电源情况下即可启动运行水泵的问题；同时配置了专用水箱，通过新型水箱的设计，实现了水泵的自吸功能，可以满足从水泵水平位置以下5 m处的水源吸水；将补水装置安装在专用车辆的底盘上，实现了补水装置的灵活机动功能。

5　试验及测试结果

在完成设备的制造及组装后，进行了设备的出厂前性能试验，水箱的进口接管放置于室外的水池中，柴油机启动前将水箱内的空气排尽，并确保水箱注满水。柴油机启动时的转速在1 000～1 500 r·min-1间，启动时转速从低往高，缓慢升高。转速在2 200 r·min-1附近时，流量稳定在65m3/h。

表2　性能试验记录表Table 2 The record of performance test

6　结语

新型移动泵在运抵核电厂现场后，按照实际运行操作要求和环境条件进行了试验验证。结果表明，系统运行稳定，压力、流量均满足相关技术要求，可在无交流电源条件下启动运行。在电厂就近位置为机组反应堆提供应急补水，达到了在应急状态下对核电厂进行应急补水的功能要求。应急补水系统通过了国家核安全局组织的现场检查，同时，系统车辆的灵活机动性能，可以为相邻核电厂提供支持，有利于应急救援队的建设。

柴油机驱动、新型水箱设计、专用车辆底盘改装这三大创新设计，使得应急补水装置真正成为了核电厂的 “消防车”，满足 “招之能来、来之能战”的要求，可为以后更多核电厂应急救援设备的设计制造提供参考。

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XU Lei1，ZHOU Guohua1，CHEN Peng2，*
（1.CNNP Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd Zhejiang Haiyan 314300，China；2.Nuclear and Radiation Safety Center，MEP，Beijing 100082，China）

An emergency water-supply device in nuclear power plant，including technical requirement，scheme design，is introduced in this paper.The device is used in Qinshan NPP for safety improvement after Fukushima nuclear accident.And it has been tested at nuclear power project site，realizing that the emergency water can be supplied for nuclear power plant in case of nuclear emergency condition without AC power supply，meeting the design requirement to guarantee the safety of reactor.

nuclear power plant；Fukushima nuclear accident；emergency water-supply；mobile device

TM623

A

1672-5360（2016）03-0042-06

2016-03-08

2016-03-16

环保公益项目，课题编号 201309054

许磊 （1982—），男，安徽凤阳人，工程师，现主要从事核电站设备管理工作

陈鹏，E-mail：chenpengnsc@163.com