秦國強(qiáng) 龔正熙 鄭玉英
(福建省福清核電有限公司 福清市 350318)
福清核電機(jī)組壓縮空氣系統(tǒng)存在的問題及改進(jìn)建議
秦國強(qiáng)龔正熙鄭玉英
(福建省福清核電有限公司福清市350318)
文章對福清核電機(jī)組壓縮空氣系統(tǒng)的功能和組成進(jìn)行介紹,并闡述其運(yùn)行方式。結(jié)合福清核電1#、2#機(jī)組調(diào)試、運(yùn)行期間壓縮空氣系統(tǒng)出現(xiàn)的異常事件,指出該系統(tǒng)設(shè)計上存在的問題,并給出技術(shù)改進(jìn)建議。同時對壓空機(jī)故障情況進(jìn)行分析和討論,給出提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的建議。壓縮空氣系統(tǒng)是核電機(jī)組正常運(yùn)行的重要支持系統(tǒng),文章提出的改進(jìn)建議對于其他同類型核電機(jī)組提高壓縮空氣系統(tǒng)的可靠性、促進(jìn)核電機(jī)組持續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行也有良好的借鑒意義。
壓縮空氣系統(tǒng)運(yùn)行方式壓空喪失存在問題改進(jìn)建議提高可靠性
福建福清核電廠位于臺灣海峽西岸的福建省福清市三山鎮(zhèn),廠址規(guī)劃建設(shè)6臺百萬千瓦核電機(jī)組。其中1#~4#機(jī)組為M310改進(jìn)型壓水堆機(jī)組。機(jī)組工藝系統(tǒng)中使用了大量的氣動閥門,并配置有獨(dú)立的壓縮空氣生產(chǎn)及分配系統(tǒng)。作為核電機(jī)組的支持系統(tǒng),壓縮空氣系統(tǒng)的可靠性將直接影響核電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文對福清核電1#~4#機(jī)組壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計上存在的問題進(jìn)行探討,同時給出改進(jìn)建議。
福清核電機(jī)組壓縮空氣系統(tǒng)包括:壓縮空氣生產(chǎn)系統(tǒng)(SAP)、儀表用壓縮空氣分配系統(tǒng)(SAR)、公用壓縮空氣分配系統(tǒng) (SAT)。壓縮空氣生產(chǎn)系統(tǒng)(SAP)的功能是生產(chǎn)福清核電全廠所需要的壓縮空氣,該系統(tǒng)向以下壓縮空氣分配管網(wǎng)供氣:
儀表用壓縮空氣分配系統(tǒng)(SAR),用于核島、常規(guī)島和BOP的氣動控制器;
公用壓縮空氣分配系統(tǒng)(SAT),用于滿足所有廠房內(nèi)動力設(shè)施運(yùn)行和維修的需要。
SAP系統(tǒng)根據(jù)“縱深防御”原則,設(shè)置了兩個部分:
主壓空氣源(0SAP):在BOP的ZC空氣壓縮機(jī)房內(nèi),設(shè)置了6臺主壓空機(jī),用于為全廠1#~4#機(jī)組SAR/SAT系統(tǒng)提供壓縮空氣。
應(yīng)急氣源(1/2/3/4 SAP):每臺核電機(jī)組均在核島連接廠房內(nèi)設(shè)置了兩臺應(yīng)急空氣壓縮機(jī),用于為本機(jī)組SAR系統(tǒng)提供后備氣源。
福清核電全廠壓縮空氣系統(tǒng)接口關(guān)系如圖1所示。
圖1 福清核電全廠壓空系統(tǒng)接口簡圖
1#~4#機(jī)組應(yīng)急壓空系統(tǒng)配置均相同,故本文對應(yīng)急壓空系統(tǒng)進(jìn)行介紹和討論時,主要以1#機(jī)組為例進(jìn)行說明。
2.1壓縮空氣系統(tǒng)的基本運(yùn)行方式
位于ZC廠房的0SAP系統(tǒng),設(shè)置6臺主壓空機(jī),在設(shè)計工況下為4臺運(yùn)行,2臺備用。壓空機(jī)在就地控制主機(jī)上投入聯(lián)控,根據(jù)0SAP主壓空管網(wǎng)壓力信號按順序自動啟停,以維持管網(wǎng)壓力在(0.85~1.0)MPa絕對壓力。
1SAP系統(tǒng)兩臺應(yīng)急壓空機(jī)設(shè)定為一臺處于基本負(fù)荷模式,另一臺處于備用模式。正常情況下,這2臺應(yīng)急壓空機(jī)均處于停運(yùn)狀態(tài)。當(dāng)主壓空系統(tǒng)出現(xiàn)故障,導(dǎo)致下游SAP管網(wǎng)壓力降低時,位于連接廠房的兩臺應(yīng)急壓空機(jī)1SAP001CO/002CO將自動啟動,保證下游管網(wǎng)壓力在要求值:處于基本負(fù)荷模式的應(yīng)急壓空機(jī)在1SAP管網(wǎng)壓力降低至0.68MPa.g時自動啟動,若壓力繼續(xù)降低至0.66MPa.g,處于備用模式的應(yīng)急壓空機(jī)也將自動啟動。另外,這2臺壓空機(jī)也可以由運(yùn)行人員在核電機(jī)組主控室手動啟動。
0SAP向 1SAP和 1SAT單向供氣。0SAP到1SAP系統(tǒng)的供氣管道上設(shè)置了電動隔離閥1SAP069VA和逆止閥1SAP071VA。機(jī)組正常運(yùn)行時1SAP069VA處于開啟狀態(tài),主壓空機(jī)通過0SAP管網(wǎng)向1SAP/1SAR供氣;在壓空管網(wǎng)壓力低于0.68 MPa.g時,1SAP第一臺應(yīng)急壓空機(jī)自動啟動向1SAR儀用壓空管網(wǎng)供氣。為避免逆止閥1SAP071VA回座不嚴(yán)影響1SAP對1SAR的供氣,主控室操縱員需手動關(guān)閉電動閥1SAP069VA。
壓縮空氣系統(tǒng)中設(shè)置了自動控制閥門,可以保證SAP系統(tǒng)按照優(yōu)先的次序供氣,即儀表用壓縮空氣(SAR)優(yōu)先于公用壓縮空氣(SAT);另外,核島用氣優(yōu)先于常規(guī)島(汽輪機(jī)廠房)和BOP區(qū)域的用氣。具體設(shè)計為:在1SAP通往常規(guī)島供氣管線上設(shè)置了一個自動調(diào)節(jié)閥1SAP067VA。當(dāng)1SAP壓空管網(wǎng)壓力降低到0.58 MPa.g時,該閥門自動關(guān)閉,切斷向1#常規(guī)島及BOP儀用壓空管網(wǎng)的SAR供氣,以確保核島用氣。BOP區(qū)域的SAR壓力不足時,可以根據(jù)需要切換到相鄰機(jī)組SAR供給。
1SAT系統(tǒng)由0SAP主壓空管網(wǎng)供給。當(dāng)1SAT入口管網(wǎng)壓力降至0.76 MPa.g時,入口管線上的氣動隔離閥1SAT002VA自動關(guān)閉,切斷向1#常規(guī)島和BOP等區(qū)域的公用壓空供氣,優(yōu)先保證其他區(qū)域的用氣。BOP的公用壓空可以根據(jù)需要切換到相鄰機(jī)組SAT供給。
2.2壓空喪失的影響
(1)0SAP主壓空喪失。
0SAP壓空喪失,將導(dǎo)致1/2SAT及9SAT失去壓空供應(yīng)。SAT失去的主要影響有:DVC系統(tǒng)碘過濾器干燥氣源喪失,若濕度增加將導(dǎo)致碘過濾器不可用,事故情況下放射性氣溶膠進(jìn)入主控室,將造成主控室區(qū)域污染,機(jī)組核安全水平降級;DVN碘過濾器回路旁路管線失去正壓密封氣源,當(dāng)出現(xiàn)核輔助廠房或燃料廠房出現(xiàn)放射性污染時可能導(dǎo)致未經(jīng)碘過濾器處理的空氣進(jìn)入大氣,造成放射性不可控排放。
另外,0SAP壓空喪失,機(jī)組應(yīng)急壓空機(jī) 1/ 2SAP001CO/002CO將啟動。若應(yīng)急壓空機(jī)啟動故障,則1/2SAP及下游1/2SAR將失壓。
(2)1/2SAR壓空喪失。
1/2SAR壓縮空氣分別供給RX、LX、NX、WX、KX等區(qū)域的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。部分與核安全相關(guān)的重要用戶,設(shè)置了單獨(dú)的壓空儲罐,可以為核島安全級氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供持續(xù)供氣,用于在上游SAR壓空喪失時仍能確保這些氣動閥門的開關(guān)操作,以便實現(xiàn)機(jī)組安全后撤到冷停堆狀態(tài)。
對于沒有單獨(dú)壓空罐供應(yīng)的閥門,當(dāng)SAR管網(wǎng)壓力下降到0.4 MPa.g時,這些閥門將處于故障安全狀態(tài),無法進(jìn)行控制。其中部分設(shè)備失氣將對機(jī)組運(yùn)行造成重大影響:
①ASG汽動泵入口電磁閥ASG137/138/237/ 238VV失氣開啟,ASG汽動泵啟動。由于ASG泵出口調(diào)節(jié)閥在機(jī)組正常運(yùn)行時保持全開狀態(tài)(失去壓縮空氣后也是保持全開),一旦ASG汽動泵啟動,則將以200 m3/h的流量向3臺蒸汽發(fā)生器中注入冷水,將造成一回路平均溫度下降,反應(yīng)堆核功率異常升高,導(dǎo)致超功率停堆。
②核島冷凍水系統(tǒng)DEG冷凍機(jī)組RRI冷卻水閥門失氣關(guān)閉,冷凍機(jī)組全部跳閘,EVR和EVC溫度上升,安全殼壓力持續(xù)上升;當(dāng)安全殼壓力達(dá)到0.11 MPa絕壓,機(jī)組將被迫向維修冷停堆工況后撤。
③乏燃料水池充氣裝置PTR010CR/011CR失氣,KX廠房內(nèi)的乏燃料水池氣閘門密封不嚴(yán),乏燃料水池向乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)艙和裝載井泄漏,乏池液位下降導(dǎo)致乏池?zé)崛萘看蠓档停赡艹霈F(xiàn)乏燃料裸露的風(fēng)險。
④主蒸汽隔離閥氣動油泵因喪失壓空動力而無法工作,若主蒸汽隔離閥油回路有故障,則油泵不能維持油壓,MSIV在油回路油壓降到一定值之后自動關(guān)閉,將導(dǎo)致機(jī)組停堆停機(jī)。
⑤設(shè)備冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水閥RRI105/106VN失氣開啟,導(dǎo)致波動箱滿水溢流;RRI035/036VN失氣開啟,運(yùn)行列RRI泵可能超流量損壞,同時RRI用戶溫度升高,影響核島設(shè)備冷卻。
⑥主給水流量控制系統(tǒng)ARE給水調(diào)節(jié)閥失氣關(guān)閉,蒸汽發(fā)生器水位持續(xù)降低,最終觸發(fā)反應(yīng)堆停堆。
(1)全廠主壓空機(jī)及附屬設(shè)備供電關(guān)系不合理。
ZC廠房0SAP主壓空機(jī)組共6臺,壓空機(jī)及附屬設(shè)備的供電電源分為兩個系列:
9LGIA為1/3/5#主空壓機(jī)供給6.6 kV動力電源,同時通過0LKO 6.6/0.4 kV干式變壓器為以下設(shè)備提供低壓電源:1/2/5#主空壓機(jī)(控制電)、1/2/5#冷卻水泵/干燥器/電動閥(動力電源)、1/3#冷卻塔風(fēng)機(jī)。
9LGIB為2/4/6#主空壓機(jī)供給6.6 kV動力電源,同時通過0 LKW 6.6/0.4 kV干式變壓器為以下設(shè)備提供低壓電源:3/4/6#主空壓機(jī) (控制電)、3/4/6#冷卻水泵/干燥器/電動閥 (動力電源)、2#冷卻塔風(fēng)機(jī);圖2為0SAP主壓空機(jī)機(jī)附屬設(shè)備供電關(guān)系圖。
顯然,在這樣的供電關(guān)系下,若9 LGIA或9 LGIB因某種原因失電,會造成0SAP 4臺空壓機(jī)不能運(yùn)行,僅剩兩臺空壓機(jī)可用??紤]到空壓機(jī)設(shè)備可能開展維保工作,0SAP空壓機(jī)的可用數(shù)量僅為1臺,主壓空機(jī)組作為全廠的總氣源,供氣量不足會造成1#~4#機(jī)組SAP/SAT失氣,相應(yīng)機(jī)組的應(yīng)急空壓機(jī)啟動,導(dǎo)致壓空系統(tǒng)長時間偏離正常運(yùn)行狀態(tài)。
針對上述問題,需要對0SAP 2#、3#壓空機(jī)及附屬設(shè)備電源進(jìn)行改造。改進(jìn)方案可選擇:
圖2 0SAP主壓空機(jī)機(jī)附屬設(shè)備供電關(guān)系
方案一:對0LKO002TB和0LKW002TB上380 V抽屜開關(guān)出線電纜重新鋪設(shè),將0LKO所帶2#壓空機(jī)380 V電源以及附屬設(shè)備(干燥器、電動閥、冷卻水泵等)電源與0 LKW所帶3#壓空機(jī)380 V電源以及附屬設(shè)備對調(diào)。
方案二:直接將0SAP 2#、3#壓空機(jī)6.6 kV電源進(jìn)行對調(diào),即0SAP402CO改為由9 LGIA供電,而0SAP403CO改為由9 LGIB供電。
按照上述兩種方案技改都可以實現(xiàn)兩列壓空機(jī)設(shè)備所用的6.6 kV和380 V與壓空機(jī)的對應(yīng)關(guān)系保持完全一致,可以保證單條6.6 kV母線停電只影響3臺主壓空機(jī),較改造之前多一臺主壓空機(jī)可用。方案二更簡單易行,已通過公司內(nèi)部審查。
但上述改進(jìn)未能解決9 LGIA或9 LGIB母線清掃工作時壓空機(jī)重新供電問題,因而為保證0SAP主壓空機(jī)的可用性,需要對電源9 LGIA、9 LGIB、0LKO、0LKW給與特別關(guān)注。母線的停電清掃、消缺等工作需要在合適窗口完成。通過合理安排計劃和充分的工作準(zhǔn)備,盡量縮短電源停役時間。
(2)應(yīng)急壓空壓力表測點(diǎn)不合理。
應(yīng)急壓空系統(tǒng)1SAP設(shè)置了一塊遠(yuǎn)傳壓力表(001 MP),其壓力信號用于送到主控室顯示,并且當(dāng)所測壓力值低于 0.58 MPa.g時,觸發(fā)報警1SAP007KA“002BA空氣壓力低低”。
該表測點(diǎn)位置如圖3所示。
圖3 1SAP001MP壓力表測點(diǎn)位置(初始設(shè)計)
顯然,該壓力表測點(diǎn)位置不合理,導(dǎo)致1SAP001MP不能真實反映1SAP002BA的壓力。由于系統(tǒng)設(shè)置的逆止閥211 VA,當(dāng)001 MP壓力下降時,002 BA仍可以由全廠主壓空系統(tǒng)(0SAP)供氣并保持正常壓力。福清核電1#、2#機(jī)組調(diào)試期間都出現(xiàn)過因SAP應(yīng)急壓空機(jī)本體漏氣而出現(xiàn)1SAP007KA“002BA空氣壓力低低”報警。
根據(jù)福清核電機(jī)組運(yùn)行規(guī)程,當(dāng)機(jī)組帶功率運(yùn)行期間出現(xiàn)1SAP007KA報警時,運(yùn)行人員需執(zhí)行ISAR1事故處理程序 (安全殼外的壓縮空氣系統(tǒng)故障),將汽輪機(jī)手動打閘、反應(yīng)堆停運(yùn)到熱停堆狀態(tài),此外核電廠還需進(jìn)入應(yīng)急待命狀態(tài)。SAP001MP測點(diǎn)錯誤,會導(dǎo)致在不必要的情況下進(jìn)入事故處理程序,不但影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行,還會對電廠造成經(jīng)濟(jì)損失。針對該問題,參考同行電站,并且與設(shè)計院溝通,將采取如下技改方案來解決:
將1SAP001MP遠(yuǎn)傳壓力表接點(diǎn)移至干燥器出口母管上,見圖4。
圖4 1SAP001MP壓力表測點(diǎn)位置(改造方案)
完成技改后,1SAP001MP可以反映1SAP002BA的壓力。若出現(xiàn)1SAP007KA“002BA空氣壓力低低”報警,則說明0SAP以及1SAP壓空機(jī)運(yùn)行故障,或SAP002BA相關(guān)管線出現(xiàn)大量漏氣,無法繼續(xù)為下游核島SAR管網(wǎng)供氣,需按照相應(yīng)事故程序進(jìn)行相應(yīng)。
福清核電2#~4#機(jī)組參照1#機(jī)組實施同樣的修改。
(3)常規(guī)島儀表用壓空系統(tǒng)無備用氣源。
如前所述,核電機(jī)組儀表用壓縮空氣供給核島、常規(guī)島、BOP區(qū)域。其中核島SAR系統(tǒng)設(shè)置了幾個獨(dú)立的壓空罐,可以持續(xù)向核島安全級氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)供氣,從而保證堆芯冷卻、反應(yīng)堆安全停堆到冷停堆工況。常規(guī)島SAR管網(wǎng)由兩個壓空儲罐(1SAR101/ 102BA)供給,單個儲罐有效容積為25 m3,可以保證常規(guī)島10 min的正常運(yùn)行用氣量 (最低壓力按照 0.4 MPa.a計)。常規(guī)島SAR系統(tǒng)不承擔(dān)核安全功能,但對于保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要作用。常規(guī)島儀表用壓空系統(tǒng)儲氣容量較小,沒有備用氣源,一旦失壓將導(dǎo)致常規(guī)島系統(tǒng)不能正常工作。最直接后果是主給水流量調(diào)節(jié)閥關(guān)閉,蒸汽發(fā)生器正常給水喪失、水位持續(xù)降低,觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)動作,反應(yīng)堆停堆,汽輪發(fā)電機(jī)組跳閘。
為避免因常規(guī)島SAR系統(tǒng)故障、失壓,導(dǎo)致核電機(jī)組被迫停堆、停機(jī),對電廠經(jīng)濟(jì)效益造成影響,建議對常規(guī)島SAR系統(tǒng)進(jìn)行技改,方案如下:
在常規(guī)島到BOP的SAR管線上增加旁通管線,實現(xiàn)兩機(jī)組常規(guī)島SAR供氣可以相互支援。見圖5。
圖5 常規(guī)島SAR系統(tǒng)改造方案
目前1#、2#常規(guī)島SAR系統(tǒng)通過逆止閥SAR009VA為BOP區(qū)域SAR管網(wǎng)供氣,為SAR009VA增加旁路管線,當(dāng)需要時打開,這樣就可以實現(xiàn)BOP區(qū)域SAR母管到常規(guī)島管線反向供氣。旁通管線上設(shè)置手動隔離閥(SAR909VA),平時保持關(guān)閉。一旦1#機(jī)組常規(guī)島壓空管網(wǎng)壓力不足,在20 min內(nèi)開啟該閥門,由另1臺機(jī)組常規(guī)島SAR系統(tǒng)通過BOP區(qū)域壓空母管為本機(jī)組常規(guī)島提供壓縮空氣。同理,2#機(jī)組常規(guī)島壓空故障時,1#機(jī)組SAR也可以通過2SAR909VA為其提供壓縮空氣。
這樣改造后,2臺機(jī)組常規(guī)島SAR系統(tǒng)互為備用氣源,在需要時可以相互支援,避免了常規(guī)島SAR系統(tǒng)故障導(dǎo)致機(jī)組被迫停運(yùn)的情況出現(xiàn),提高了機(jī)組可用率。
福清核電1#、2#機(jī)組均已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)行。2臺機(jī)組在調(diào)試、運(yùn)行過程中壓縮空氣系統(tǒng)出現(xiàn)了幾次0SAP主壓空全部停運(yùn)、2SAP應(yīng)急壓空機(jī)不可用的事件。下面從系統(tǒng)設(shè)備管理的角度進(jìn)行討論,給出提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的建議。
0SAP壓空機(jī)組全部不可用導(dǎo)致0SAP壓空喪失的故障出現(xiàn)了3次。故障原因包括:聯(lián)控失效,電源喪失,冷卻水回路故障。由于壓空機(jī)和干燥器在聯(lián)控設(shè)定后,需要按照一一對應(yīng)關(guān)系運(yùn)行,0SAP系統(tǒng)缺陷較多,使得壓空機(jī)和干燥器的運(yùn)行相互制約,降低了系統(tǒng)的可用率。缺陷的積累同時疊加上述共因故障,0SAP壓空機(jī)就可能會出現(xiàn)同時失效,造成0SAP壓空喪失事件。
為了減少0SAP壓空機(jī)及附屬設(shè)備大面積失效的情況,需在0SAP系統(tǒng)具體運(yùn)行方式上進(jìn)行優(yōu)化。在落實0SAP壓空機(jī)供電方式不合理技改的同時,還可以通過以下一些措施來提高系統(tǒng)可用性:
提高對0SAP系統(tǒng)缺陷的重視,從及時提出工作申請、合理安排消缺計劃、加強(qiáng)備品備件管理等方面確保系統(tǒng)缺陷得到及時處理;
0SAP電源(9LGIA、9LGIB、0LKO、0LKW)的預(yù)防性維修工作,需要充分考慮對壓空機(jī)以及附屬設(shè)備可用數(shù)量的影響;只有滿足系統(tǒng)安全運(yùn)行的需求,方可安排預(yù)防性維修,且要將設(shè)備不可用時間控制盡量短,以減少隨機(jī)缺陷造成的系統(tǒng)失效;
注意壓空機(jī)聯(lián)控順序設(shè)置的合理性,應(yīng)考慮將兩列母線供電6臺壓空機(jī)按照交叉方式進(jìn)行設(shè)置;另外,在因工作需要部分壓空機(jī)退出聯(lián)控狀態(tài)時,應(yīng)避免剩余壓空機(jī)均由同一列母線供電;
0SAP冷卻塔運(yùn)行情況需給與重點(diǎn)關(guān)注,特別是因為缺陷累積或當(dāng)0LKO002TB母線停電造成只有1臺冷卻塔可用的情況。
2SAP應(yīng)急壓空機(jī)曾多次出現(xiàn)不可用,主要原因有:應(yīng)急壓空機(jī)組本體漏氣、壓空機(jī)在壓力降低自動啟動后無法加載、壓空機(jī)啟動后出現(xiàn)排水電磁閥故障保護(hù)跳機(jī)。為確保SAP應(yīng)急壓空機(jī)處于良好、可用狀態(tài),運(yùn)行人員每周執(zhí)行一次定期試驗來進(jìn)行檢查和驗證,發(fā)現(xiàn)缺陷立即聯(lián)系專業(yè)人員處理。
本文結(jié)合福清核電1#、2#機(jī)組實際運(yùn)行情況,機(jī)組壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計上存在的問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論,從系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)和系統(tǒng)運(yùn)行管理兩個方面提出了改進(jìn)建議。這些建議使福清核電機(jī)組壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計得到優(yōu)化,系統(tǒng)運(yùn)行可靠性提高,將有助于提升福清核電機(jī)組運(yùn)行業(yè)績,同時對于同類型的其他核電機(jī)組也有一定的借鑒意義。
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秦國強(qiáng)(1981-),男(滿族),河北承德人,大學(xué)本科,工程師,從事核電廠運(yùn)行工作;龔正熙(1987-),男,湖南益陽人,大學(xué)本科,助理工程師,從事核電廠維修工作;鄭玉英(1981-),女,河北滄州人,大學(xué)本科,經(jīng)濟(jì)師,從事核電廠管理工作。
(2016-02-04)