AP1000核電廠主泵電氣回路研究

【摘要】本文主要介紹了美國西屋公司非能動核電廠AP1000主泵電氣回路一、二次設(shè)計的技術(shù)方案，并對可能的改進(jìn)細(xì)節(jié)進(jìn)行探討，對可能的國產(chǎn)化方案進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】先進(jìn)輕水堆；用戶要求文件；設(shè)計控制文件；反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)；電廠控制系統(tǒng) ；保護(hù)和安全監(jiān)測系統(tǒng) ；特殊監(jiān)測系統(tǒng)

前言

AP1000是西屋公司設(shè)計提供的第三代核電輕水反應(yīng)堆，它與傳統(tǒng)的第二代或二代改進(jìn)型的核電廠的主要差別之一就在于引入非能動安全系統(tǒng)，最大的特點設(shè)計簡練，易于操作。充分利用自然力來應(yīng)對影響核安全的事故，從而使得傳統(tǒng)核電廠冗余的安全能動系統(tǒng)設(shè)計得以簡化，并且使大部分電氣系統(tǒng)降為非安全級。本文從技術(shù)引消吸的角度對AP1000核電廠主泵電氣回路進(jìn)行分析和研究。

核電廠冷卻劑回路循環(huán)泵是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)主回路中除控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)外唯一能動部件。主泵是核反應(yīng)堆一回路的壓力邊界，其承壓部件是核電廠防止放射性釋放的第二道屏障。主泵電氣回路的持續(xù)、安全、可靠對反應(yīng)堆的安全高效運行十分重要，有必要對其詳細(xì)研究。

1.AP1000主泵電機(jī)介紹

AP1000采用全密閉的屏蔽主泵，利用屏蔽主泵的外殼構(gòu)筑反應(yīng)堆壓力容器一回路的壓力邊界，降低了一回路泄露的風(fēng)險，減少二代核電站主泵必需而又復(fù)雜的軸承密封系統(tǒng)。AP1000主泵是重要的一回路設(shè)備，采用美國EMD公司研制的屏蔽電動機(jī)泵。該主泵采用屏蔽電機(jī)的無軸封離心泵，帶有高慣量的惰性飛輪。在假定喪失電源后，該轉(zhuǎn)動慣量能提供強(qiáng)制流量和后續(xù)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)RCS的自然循環(huán)一起充分冷卻堆芯。AP1000主泵由水力部件和電機(jī)部件兩部分組成。水力部件主要是由泵殼、葉輪和導(dǎo)葉等部件組成。屏蔽電機(jī)是一種專門設(shè)計的立式、水冷、單繞組、四極、三相、鼠籠式的帶有屏蔽轉(zhuǎn)子和定子的感應(yīng)電機(jī)。電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子繞組均采用屏蔽套，并完全浸沒在一回路冷卻劑中。主泵可以正反轉(zhuǎn)，不設(shè)置防逆轉(zhuǎn)裝置。泵的本體安裝了振動、速度、溫度、電流、電壓等傳感器。主泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參見詳圖1。目前主泵暫時只能美國制造引進(jìn)，該屏蔽電機(jī)電源采用三相、6.9kV、60Hz的電源。主泵電機(jī)的電功率為5500kW，額定轉(zhuǎn)速為每分鐘1800轉(zhuǎn)。

AP1000主泵安裝在蒸汽發(fā)生器底部，每臺蒸汽發(fā)生器配置兩臺，倒置對稱布置。作用是將一回路的冷卻劑從熱管段引入至蒸汽發(fā)生器，經(jīng)蒸汽分生器冷卻后再送至冷管段進(jìn)入反應(yīng)堆壓力容器。AP1000主泵的主要功能是在高溫高壓下輸送反應(yīng)堆冷卻劑，并維持反應(yīng)堆一回路的壓力邊界完整性。參見AP1000核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)簡圖2。

2.AP1000主泵運行模式分析

AP1000主泵在正常功率運行時，四臺主泵中任意一臺發(fā)生故障停運，反應(yīng)堆需要緊急停堆。在啟動運行期間，四臺主泵需同時按照事先預(yù)訂的轉(zhuǎn)速平臺（0-315-900-1580-1800），分步驟把每臺泵按照預(yù)訂的轉(zhuǎn)速同時提升或下降。若四臺主泵不同時在同一個轉(zhuǎn)速平臺啟動或停止，則未啟動成功或停止運行的泵會倒轉(zhuǎn)。主泵發(fā)生事故停止運行時，經(jīng)檢查無誤要再恢復(fù)時，需要將其它主泵轉(zhuǎn)速降至315轉(zhuǎn)。再將故障主泵送電，使故障主泵緩慢啟動后再升速至同一轉(zhuǎn)速平臺315轉(zhuǎn)。之后再繼續(xù)提升恢復(fù)。

如果主泵設(shè)計有防逆轉(zhuǎn)裝置，同一環(huán)路兩臺主泵吸入口加隔離措施，則可能實現(xiàn)一臺主泵停運后，機(jī)組維持低功率運行。

3.AP1000主泵電氣一次回路的設(shè)計

AP1000雙環(huán)路四臺主泵分別由常規(guī)島的四段10kV中壓母線通過饋線斷路器供電至中壓變頻器，再由變頻器通過兩個串聯(lián)的1E級中壓斷路器經(jīng)電氣貫穿件后再供電給主泵電機(jī)。參見AP1000主泵電氣回路圖3。同一環(huán)路上的兩臺主泵，電源分別取自兩臺帶分裂繞組的高壓廠用變壓器。當(dāng)主電源（發(fā)電機(jī)供電）、優(yōu)先電源（電網(wǎng)通過主變倒送，再經(jīng)高壓廠用變壓器供電）失電或故障停運時，電源自動切換至輔助電源供電。

一回路主泵主要為反應(yīng)堆冷卻劑傳導(dǎo)堆芯的熱功率提供直接動力，功率大，運行周期長。主泵采用變頻器能降低反應(yīng)堆冷卻劑在冷態(tài)運行下低速啟動的電機(jī)功率。用變頻器啟動可以使主泵在受控下逐步升速，再增加功率，電動機(jī)在啟動過程中不會過載，大大降低了對電機(jī)容量和過載能力的要求。但也正是由于屏蔽泵的使用，限制了主泵的尺寸和功率，惰性飛輪轉(zhuǎn)動慣量也較小。隨著制造工藝的進(jìn)步和對材料研究的深入，可適當(dāng)放大主泵的尺寸和功率，加大惰性飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，增加安全的裕度。

AP1000設(shè)計控制文件DCD最初是在主泵啟動和反應(yīng)堆冷卻劑低溫運行時啟用變頻器來驅(qū)動主泵。但在功率運行時，變頻器自動被旁路退出運行。美國電網(wǎng)和國內(nèi)電網(wǎng)的頻率不一致，分別為60Hz和50Hz，導(dǎo)致在國內(nèi)AP1000核電廠主泵在功率運行時變頻器必須提供主泵電機(jī)所需要的60Hz電源。主泵制造材料和加工工藝要求非常高，目前國內(nèi)暫時還不能研發(fā)制造50Hz國產(chǎn)化產(chǎn)品，因此在國內(nèi)AP1000核電項目中對主泵變頻器的可靠性和可用性指標(biāo)提出了很高的要求。除了變頻器關(guān)鍵的元器件外，控制器及附屬冷卻支持系統(tǒng)都必須考慮可靠性及可用性指標(biāo)。另外變頻器長時間運行還需考慮電子器件的老化問題。隨著50Hz主泵的研制和國產(chǎn)化，可以在后續(xù)的AP1000核電項目使用同美國一樣的運行方式，以降低對變頻器的依賴。

AP1000主泵電氣回路除兩個串聯(lián)的1E級斷路器及其貫穿件、變頻器之后的連接電力電纜需要考慮在0-60Hz的頻率范圍內(nèi)工作外，變頻器斷路器和變頻器之前的連接電力電纜只需要按照0-50Hz工頻工作考慮即可。主泵1E級斷路器執(zhí)行安全功能，可靠地斷開主泵電動機(jī)，可靠性要求高。當(dāng)主泵電機(jī)失電后，轉(zhuǎn)子線圈剩磁切割定子線圈，反饋電能至定子線圈，形成制動并將降低主泵惰轉(zhuǎn)的時間，所以1E級斷路器要求采用快速斷路器。在1E級斷路器斷開的同時，還需要將其跳閘信號快速反饋給變頻器執(zhí)行輸出閉鎖。1E級斷路器和變頻器斷路器柜均采用金屬封閉型開關(guān)柜，斷路器采用真空斷路器。

4.AP1000主泵電氣二次回路設(shè)計

主泵變頻器斷路器由電廠控制系統(tǒng)PLS控制，并接受變頻器故障信號聯(lián)鎖跳閘。其控制回路采用硬接線，測量和保護(hù)相關(guān)信息通過微機(jī)綜保裝置以通訊方式傳送至PLS。

變頻器自帶雙重冗余備用的控制器，分別通過兩根獨立的光纖通道連接至PLS。PLS與變頻器之間的接口信號主要有三類：變頻器控制命令信號、變頻器狀態(tài)反饋信號及其變頻器自身監(jiān)測信號。

主泵1E級斷路器1和2均采用硬接線，控制回路連接至PMS。PLS通過冗余的雙通訊通道連接到保護(hù)和安全監(jiān)測系統(tǒng)PMS。兩者均受PMS和PLS控制，但PMS系統(tǒng)的控制命令優(yōu)先于PLS系統(tǒng)。兩個斷路器與PMS之間的接口采用核安全級模塊作為隔離措施。當(dāng)PLS控制指令發(fā)出時，通過冗余的雙通訊通道傳送至PMS，再由PMS輸出執(zhí)行相關(guān)操作。PMS操作主泵1E級斷路器時，傳送兩個獨立的分、合閘操作指令分別至相應(yīng)序列的主泵1E級斷路器。主泵1E級斷路器1對應(yīng)于B序列，主泵1E級斷路器2對應(yīng)于C序列。PMS和PLS均接收來自于兩個斷路器的狀態(tài)反饋信號，只不過PLS接收狀態(tài)信號是通過PMS中轉(zhuǎn)。

主泵變頻器斷路器至變頻器回路，設(shè)置配電饋線微機(jī)保護(hù)裝置。主要配置有速斷、過流、接地保護(hù)功能，直接動作于主泵變頻器斷路器跳閘。

主泵1E級斷路器1設(shè)置兩套獨立的電氣貫穿件微機(jī)保護(hù)裝置。設(shè)置有低電壓、逆功率、負(fù)序電流、負(fù)序電壓、過載、速斷、過流、過電壓、頻率保護(hù)功能，直接動作于主泵1E級斷路器1跳閘。

主泵1E級斷路器2設(shè)置兩套獨立的主泵電機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置。設(shè)置有低電壓、逆功率、負(fù)序電流負(fù)序電壓、過負(fù)荷、速斷、過流、頻率保護(hù)功能，直接動作于主泵1E級斷路器2跳閘。

變頻器自帶保護(hù)，其主要的保護(hù)功能有電動機(jī)保護(hù)：包含速斷、過流、帶時延接地過電壓保護(hù)、過電壓、電機(jī)超速、輸出缺相。另外對輸入電氣回路的保護(hù)：包含輸入過電壓、輸入電壓丟失、輸入相平衡、輸入缺相、輸入接地故障、輸入隔離變壓器溫度過高。

主泵電機(jī)本體帶有震動傳感器，將主泵運轉(zhuǎn)時的震動信息送至專用監(jiān)測系統(tǒng)SMS。還帶有速度傳感器，將轉(zhuǎn)速信息送至PMS。溫度傳感器將溫度信號送至PLS。通過該三個傳感器實現(xiàn)對主泵電機(jī)本體的監(jiān)視。

5.結(jié)語和展望

AP1000作為革新型的三代核電站，一個主要的創(chuàng)新點就是改進(jìn)了二代核電站主泵設(shè)計。AP1000主泵的電氣回路電氣設(shè)備眾繁多，運行方式復(fù)雜，與外部系統(tǒng)接口眾多。對AP1000主泵的電氣回路詳細(xì)分析和研究有助于主泵及其1E級斷路器的國產(chǎn)化研究。

目前國內(nèi)在二代和二代加的核電廠電氣設(shè)計上有著豐富的經(jīng)驗，但與AP1000等為代表的三代核電廠電氣設(shè)計方案相比有了較大的變化。在將來的三代核電廠電氣設(shè)計工作中，可充分消化、吸收和借鑒ALWR URD的資料及其AP1000項目寶貴經(jīng)驗，逐步發(fā)展并形成自主化設(shè)計的第三代核電廠。

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