核电厂安注系统和安全壳喷淋系统的再循环控制

本发明属于控制领域，具体涉及一种核电厂安注系统和安全壳喷淋系统的再循环控制。

压水堆核电厂由压水反应堆(堆内轻水加压至155巴左右)、一回路系统和二回路系统三个主要部分组成。核裂变是在压力容器内由核燃料组成的反应堆堆芯里进行的。压水堆以低浓缩铀为燃料、轻水为冷却剂和慢化剂。核裂变放出的热量由流经堆内的一回路系统的高压水带出堆外并在蒸器发生器里将热量传递给二回路的水。水受热后产生的蒸汽推动汽轮机，汽轮机则带动发电机发电。堆芯内装载的燃料组件是由一根根的燃料棒(装载量达数万根)组成的。燃料棒的包壳是由锆合金制成的，二氧化铀陶瓷芯块装在包壳管里边。包壳管两端由焊接端塞封住，管内充以氦气。压水堆核电厂在正常运行时放射性物质被包容在二氧化铀陶瓷芯块或芯块和包壳之间的气隙中，不会有放射性物质跑出来，即使有少量的燃料棒的包壳破损，也可以通过净化系统除去释放到冷却剂中的放射性物质。正常运行时产生的热量或停堆后产生的衰变热由正常冷却手段(包括余热排出系统)移出，燃料元件始终得到充分冷却。

对压水堆核电厂，一旦一回路系统的高压水发生破口时，反应堆内的轻水冷却剂将从破口流失，发生失水事故。这时如果一回路的正常补水能力不能弥补漏失的冷却剂时，堆芯内的核燃料将逐渐失去冷却，可能导致燃料包壳因过热而烧毁，甚至导致二氧化铀芯块融化的事故。为此，在核电厂的设计中，除了设置正常的冷却手段之外，还特别设置了一套专门用于对付失水之类事故的冷却系统。这套冷却系统称为专设安全设施。它包括高压安全注入系统、低压安全注入系统(统称为安注系统)和安全壳喷淋系统等。安全壳喷淋系统是在失水事故之后，冷却包容整个安全壳内的空间环境的，不使安全壳因大量水汽进入而过压，使之在事故期间仍保持其完整性。在安全壳保持完整性的前提下，即使发生失水事故，甚至造成燃料元件包壳破损或堆芯融化时，也不会发生大量放射性释放到环境中去的情况。一旦发生失水事故时，正常冷却系统失去了作用，安注系统和安全壳喷淋系统接到相应的信号后就投入工作。专设安全设施如果设计得不完善，它们就不能正确发挥设计功能，有可能使堆芯得不到充分冷却，造成燃料元件包壳破损、甚至燃料芯块融化的事故。一旦出现这种情况，将造成千万、上亿、甚至几十亿的经济损失，严重时不但整座核电厂报废，还会对环境造成放射性污染。三里岛事故就是因为在处理事故中运行人员的误操作导致堆芯融化、造成数十亿美元损失的失水事故。

压水堆核电厂安注系统的工作状态可分为两个阶段：1.直接注入阶段——在这个阶段内，安注系统的安注泵从换料水储存箱吸水并把水注入堆芯，箱中的水在换料时用来充满堆坑，使换料操作始终在水下进行，防止燃料过热；2.再循环阶段——在失水事故时，箱中的水作为安注系统和喷淋系统的水源，当箱中的水达到低低水位时表示箱中的水快用完了，安注系统则切换到从安全壳的地坑中取水，该水是直接注入阶段通过破口和喷淋系统流出的水汇集到安全壳地坑里的，使该系统进入再循环阶段，对堆芯进行长期冷却。安注系统的直接注入方式由安注信号触发。安注系统一接到安注信号，安注泵和有关阀门就按设计要求打开或关上，使换料水储存箱中的水直接注入到芯堆里。当换料水储存箱中的水达到低低水位时，则发出再循环信号。此信号将安注泵与换料水储存箱之间管道上的隔离阀关上，并将安注泵与地坑之间管道上的隔离阀打开，使地坑中的水通过安注泵(低压安注泵或低压安注泵与高压安注泵串接起来)把地坑中的水注入到堆芯里，实现再循环安注，进入安注系统的再循环阶段。

安全壳喷淋系统的工作情况与安注系统类似，只是该系统把换料水储存箱中的水在直接喷淋阶段喷淋到安全壳的空间里，在再循环阶段则把地坑中的水喷淋到安全壳的空间里。

目前国内压水堆核电厂安注系统和安全壳喷淋系统的自动再循环设计存在以下几个问题：1.再循环信号的可靠性不高。目前国内设计的压水堆核电厂安注系统和安全壳喷淋系统的自动再循环信号的发出部分，也就是换料水的储存箱的液位指示，在设计上设置四只液位计，由两台不间断电源、每台为两只液位计供电，采用2/4逻辑输出，该设计对电源来说没有冗余性，一台电源发生故障，就使两只液位计因失去电源而失去指示，从而发出低低液位信号，依照2/4逻辑输出关系就会送出再循环信号，所以这个系统产生再循环信号部分的可靠性不高；2.国内设计的压水堆核电厂，原设计是自动再循环的，后来把自动再循环改为手动再循环，这样就引进了人为干预因素，有可能导致误操作使安全注入系统和安全壳喷淋壳系统在再循环阶段不能正常发挥作用，将自动再循环改为手动再循环降低了自动化程度；

3.将自动再循环改为手动再循环仍然没有解决阀门之间联锁关系不正确的问题。如前所述，对安注系统和喷淋系统来说，在再循环阶段，安注泵和喷淋泵与换料水储存箱之间的隔离阀应当关闭，但其设计中此联锁不完善，实际上安注泵和喷淋泵与换料水储存箱之间的隔离阀在再循环阶段除受再循环隔离信号控制之外，仍受安注信号控制而没有最终关闭，有些安注信号在事故过程中一直是存在的，所以这几个阀门在再循环阶段如不采取另外措施，它们仍会处在某种开闭的交替状态之中，原因是这些阀门此时受两个信号控制：直接安注信号令其开，而再循环安注信号令其关，所以只靠再循环信号关闭这些隔离阀是不可能完全关住的，因此使安注泵和喷淋泵因汽蚀而不能发挥其正常作用，后果是可想而知的；4.如果再循环信号不能正确给出时，可能发出虚假的再循环信号；而阀门之间的联锁关系不正确，很可能使这两个系统在再循环阶段不能为堆芯和安全壳提供所必需的冷却水和喷淋水，其后果可能是很严重的。

本发明的目的是提供一种核电厂安注系统和安全壳喷淋系统的再循环控制。

该核电厂安注系统和安全壳喷淋系统再循环控制，包括隔离阀、能测量换料水储存箱低低液位的液位计、能控制隔离阀由直接安注切换到再循环安注或由直接安全壳喷淋切换到再循环安全壳喷淋的门电路，其中，三支或四支液位计通过2/3或2/4逻辑电路有两路输出，一路输出通过非门NOT与与门AND2的一个输入端相连接，与门AND2另一个输入为安注信号，在正常运行情况下与门AND2没有输出，只有当安注信号存在且不存在低低液位信号时与门AND2才有输出，该信号使安注系统和安全壳喷淋系统进入直接安注和直接喷淋阶段，打开安注泵和安全壳喷淋泵与换料水储存箱之间的直接安注和直接喷淋隔离阀，同时关闭安注泵和安全壳喷淋泵与地坑之间的再循环安注和再循环喷淋隔离阀，实现直接安注和喷淋；换料水储存箱液位计的2/3或2/4逻辑电路的另一路输出与与门AND1的一个输入端联接，而与门AND1还接受安注信号或手动安注信号，在正常运行情况下和直接安注、喷淋阶段与门AND1没有输出，只有在换料水储存箱发出低低液位信号和安注或手动安注信号同时存在时与门AND1才有输出，该信号使安注系统和安全壳喷淋系统进入再循环阶段，打开地坑与安注泵和喷淋泵之间的再循环安注和再循环喷淋隔离阀，关闭安注泵和喷淋泵与换料水储存箱之间的直接安注和直接喷淋隔离阀，实现再循环安注和再循环喷淋。

安注系统的再循环控制，它包括隔离阀V1A/B、V2A/B、V3A/B、V4A/B、液位计、与门AND1、AND2、非门NOT、自保持单元Z、延时单元S，其中，能测量换料水储存箱低低液位的液位计通过2/3或2/4逻辑电路有两路输出，一路输出通过非门NOT与与门AND2的一个输入端相连接，而与门AND2另一个输入为安注信号，在正常运行情况下与门AND2没有输出，只有当安注信号存在且非门NOT没有输入而有输出即不存在低低液位信号时与门AND2才有输出，由与门AND2输出一个电信号打开安注泵与换料水储存箱之间的直接安注隔离阀V1A/B和V2A/B，同时关闭安注泵与地坑之间的再循环安注隔离阀V3A/B和V4A/B，实现直接安注；另一路输出与与门AND1的一个输入端联接，手动或自动安注信号经自保持单元Z与与门AND1的另一个输入端联接，在正常运行情况下和直接安注阶段与门AND1没有输出，只有在换料水储存箱发出低低液位信号和安注或手动安注信号同时存在时与门AND1才有输出，该信号使安注系统进入再循环阶段，使地坑与安注泵之间的再循环安注隔离阀V4A/B打开进而控制隔离阀V3A/B打开，使安注泵与换料水储存箱之间的直接安注隔离阀V1A/B和V2A/B经延时单元S关闭，实现再循环安注。

安全壳喷淋再循环切换控制，它包括隔离阀V4A/B、V5A/B、V6A/B、液位计、与门AND1、AND2、非门NOT、自保持单元Z、延时单元S，其中，能测量换料水箱低低液位的液位计通过2/3或2/4逻辑电路有两路输出，一路输出通过非门NOT与与门AND2的一个输入端相连接，而与门AND2另一个输入为安注信号，在正常运行情况下与门AND2没有输出，只有当安注信号存在且非门NOT没有输入而有输出即不存在低低液位信号时与门AND2才有输出，由与门AND2输出一个电信号打开安全壳喷淋泵与换料水储存箱之间的直接喷淋隔离阀V5A/B，同时关闭安全壳喷淋泵与地坑之间的隔离阀V4A/B和V6A/B，实现直接安全壳喷淋；另一路输出与与门AND1的一个输入端联接，安注或手动安注信号经自保持单元Z与与门AND1的另一个输入端联接，在正常运行情况下和直接安全壳喷淋阶段与门AND1没有输出，只有在换料水储存箱发出低低液位信号和安注或手动安注信号同时存在时与门AND1才有输出，该信号使安全壳喷淋系统进入再循环阶段，使地坑与喷淋泵之间的再循环喷淋隔离阀V4A/B打开进而控制隔离阀V6A/B打开，使喷淋泵与换料水储存箱之间的直接喷淋隔离阀V5A/B经延时单元S关闭，实现再循环喷淋。

该控制系统测量低低液位的液位计由3～4支组成，由3～4台不间断电源分别为其供电。

还可以在该系统中不加入非门NOT和与门AND2，而在安注信号线路上置一继电器J，当进入再循环安注和再循环喷淋时手动操作继电器J，使继电器接点J1-1断开，从而切断安注信号对各隔离阀的控制。

本发明的优点是：1.换料水储存箱的液位计采用三台或四台不间断电源，每支液位计都由独立的不间断电源供电，当采用三支液位计，由三台不间断电源分别为其供电，且采用2/3逻辑输出，当采用四支液位计，由四台不间断电源分别为其供电，且采用2/4逻辑输出，所以总可以保证有两台液位计随时提供低低液位信号，这样配制的指示系统具有很高的可靠性，使安注系统和安全壳喷淋系统的有关阀门在接到再循环信号后能正确开闭；2.安注系统和安全壳喷淋系统从直接注入阶段切换到再循环阶段的过程可以是自动完成的，从而减少了人为误操作的可能性，提高了安注系统和安全壳喷淋系统的可靠性；3.解决了安注泵和喷淋泵与换料水储存箱之间的隔离阀及地坑与安注泵和喷淋泵之间的隔离阀在再循环阶段除受再循环隔离信号控制之外，仍受安注信号控制而没有彻底关闭的问题。

下面结合附图对本发明作进一步说明：图1为安注系统示意图，安全壳外包括换料水储存箱1、高压安注泵2～5、低压安注泵6、7、电动隔离阀V1A/B、V2A/B、V3A/B，安全壳内包括地坑8、电动隔离阀V4A/B、压水堆9、一回路10、二回路11、稳压器12等。

图2为安全壳喷淋系统示意图，安全壳外包括换料水储存箱1、喷淋泵13、14、电动隔离阀V4A/B、V5A/B、V6A/B等，安全壳内包括地坑8、喷嘴组15等。

图3为安注系统自动再循环控制系统示意图，包括与门AND1、AND2、非门NOT、电动隔离阀V1A/B、V2A/B、V3A/B、V4A/B、自保持单元Z、延时单元S等。

图4为安全壳喷淋系统自动再循环控制系示意图，包括与门AND1、AND2、非门NOT、电动隔离阀V4A/B、V5A/B、V6A/B、自保持单元Z、延时单元S。

图5为安注系统手动再循环控制系统示意图，包括与门AND1、继电器接点J1-1、电动隔离阀V1A/B、V2A/B、V3A/B、V4A/B、自保持单元Z、延时单元S等图6为安全壳喷淋系统手动再循环控制系统示意图，包括与门AND1、继电器接点J1-1、电动隔离阀V4A/B、V5A/B、V6A/B、自保持单元Z、延时单元S。

实施例1：从图3看到在直接安注阶段，阀门V1A/B和V2A/B都处于打开状态，而V3A/B和V4A/B仍处于关闭状态。当换料水储存箱中的水用完(达低低水位)时，需切换到从安全壳地坑内取水，这时阀门V1A/B和V2A/B则关上，而阀门V3A/B和V4A/B则打开，完成切换过程。

在与门AND1上有两个输入：一个是直接安注信号(经自持单元)，包括手动和自动安注信号，另一个是再循环信号，由换料水储存箱低低液位信号2/4或2/3给出。当这两个信号同时存在时则AND1有输出。这个输出信号打开地坑隔离阀V4A/B；V4A/B打开后发出信号使V3A/B打开；V3A/B打开后经过一延时器(依具体工程设计可设可不设)将V2A/B和V1A/B关上，于是自动完成切换动作，实现安注再循环，也就是使安注泵从地坑中取水注入堆芯。在直接安注阶段必须保证V1A/B和V2A/B打开，同时必须保证V3A/B和V4A/B关上；在再循环阶段必须保证V1A/B和V2A/B关上；同时必须保证V3A/B和V4A/B打开。为此，本发明在换料水储存箱低低液位符合逻辑2/4或2/3单元之后设一非门，该非门与安注信号经一与门AND2给出一输出，这个输出加到阀门V1A/B和V2A/B及V4A/B和V3A/B上；在直接安注阶段，换料水储存箱没有达到低低液位，所以非门没有输入但有输出，而安注信号处在直接安注阶段，这时与门AND2输出一个电信号，使V1A/B和V2A/B打开，使V3A/B和V4A/B关上，上述动作过程完全满足了直接安注的要求。当进入再循环阶段时，换料水储存箱达低低液位，按2/4或2/3逻辑发出再循环信号，这时非门有输入但无输出，这个信号加到与门AND2上后，AND2就没有输出了，阀门V1A/B和V2A/B切断了开的指令，阀门V3A/B和V4A/B切断了关的指令，此时再循环信号和手动或自动安注信号同时加到AND1上，使V4A/B打开，V4A/B打开后发出信号使V3A/B打开，V3A/B打开后发出信号将V1A/B和V2A/B关上，上述动作完成后安注系统则由直接安注切换到再循环安注工作状态。依据某些具体设计情况，可在某些环节上加上延时线路；也可在某些环节上，如AND2之前的安注输入信号处加上一个自保持单元。

图4为安全壳喷淋系统的再循环切换逻辑图，只要将安注系统中的阀门V1A/B和V2A/B用安全壳喷淋系统的阀门V5A/B替换，V3A/B用V6A/B替换，有关安注系统的逻辑关系及切换过程就适用于安全壳喷淋系统了。

实施例2：从图5、图6可以看到只要在换料水储存箱达到低低液位时人为操作继电器J使接点J1-1动作切断安注信号，这时各隔离阀只受再循环安注信号控制，不受安注信号控制，而再循环信号使直接安注隔离阀V1A/B、V2A/B和直接喷淋隔离阀V5A/B关闭，使再循环安注隔离阀和再循环喷淋隔离阀V3A/B、V4A/B、V6A/B打开，实现再循环安注和再循环安全壳喷淋。在正常运行情况下，继电器接点J1-1为常闭接点，进入直接安注阶段时，继电器接点J1-1是闭合的，当由直接注入切换到再循环注入时人为操作继电器J使继电器接点J1-1断开，保证再循环正常进行，继电器J安装在中央控制室内。