AP1000 反應(yīng)堆冷卻劑泵“3s 供電”問題分析

嚴(yán)兆君，吳 軍，宋光耀

(1.中國電能成套設(shè)備有限公司，北京 100080;2.山東核電有限公司，山東 海陽 265116)

0 引言

在核電站一回路系統(tǒng)中，通過反應(yīng)堆冷卻劑泵的運(yùn)行，建立強(qiáng)迫循環(huán)帶出堆芯的熱量。一旦反應(yīng)堆冷卻劑泵停轉(zhuǎn)，意味著冷卻劑強(qiáng)迫循環(huán)的失去，一回路只能靠自然循環(huán)的方式冷卻堆芯，所以一般在設(shè)計(jì)中為了延長強(qiáng)迫循環(huán)的時(shí)間，泵往往帶有較重的飛輪以增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

AP1000 核電技術(shù)中反應(yīng)堆冷卻劑泵采用屏蔽泵，相對(duì)而言其飛輪較小，亦即其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，泵的惰走時(shí)間短，所以為了增加冷卻劑強(qiáng)迫循環(huán)的時(shí)間，設(shè)計(jì)中要求在發(fā)生跳機(jī)事故時(shí)，仍有3s 時(shí)間持續(xù)給泵供電以延長泵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，幫助建立充分的自然循環(huán)條件。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］的內(nèi)容，“3s 供電”問題具體要求為:

在電網(wǎng)穩(wěn)定性分析中，當(dāng)電力系統(tǒng)無故障時(shí)，在汽輪機(jī)跳機(jī)后至少3s 內(nèi)，反應(yīng)堆冷卻劑泵的母線電壓仍可維持在要求的定值之上，從而保證冷卻劑泵的流量不小于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故分析中假設(shè)的流量。

汽輪發(fā)電機(jī)組有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以保證當(dāng)機(jī)組未與電網(wǎng)并列、僅帶廠用電運(yùn)行時(shí)，若發(fā)生汽輪機(jī)跳機(jī)，則其惰轉(zhuǎn)持續(xù)到發(fā)電機(jī)出口斷路器斷開的時(shí)間至少為3s。

如何保證反應(yīng)堆冷卻劑泵“3s 供電”同時(shí)也為國家主管部門在PSAR 審查中重點(diǎn)關(guān)注的問題。

本研究結(jié)合AP1000 核電電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、設(shè)備參數(shù)及各種事故工況特性，進(jìn)行分析如何滿足冷卻劑泵“3s 供電”要求，實(shí)現(xiàn)安全停堆。

1 AP1000 反應(yīng)堆冷卻劑泵電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)介

AP1000 核電廠電氣系統(tǒng)與一般壓水堆核電廠相比，供電方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不盡相同，具有其自身的特點(diǎn)，AP1000 反應(yīng)堆冷卻劑泵電氣系統(tǒng)圖如圖1 所示。

圖1 AP1000 反應(yīng)堆冷卻劑泵電氣系統(tǒng)圖

(1)輔助電源來自廠外220 kV 系統(tǒng)，廠內(nèi)500 kV和220 kV 系統(tǒng)的沒有任何電氣連接，不設(shè)置聯(lián)絡(luò)變。

(2)發(fā)電機(jī)出口設(shè)置斷路器(GCB)，能夠滿足在廠內(nèi)和廠外電力系統(tǒng)在短路事故下，正確動(dòng)作、保護(hù)發(fā)電機(jī);在電廠啟動(dòng)時(shí)，斷開GCB，廠用電采用500 kV 的廠外優(yōu)先電源。

(3)廠用電系統(tǒng)按照單堆設(shè)置，堆間沒有任何電氣連接，中壓母線和低壓母線均無公用段，每臺(tái)機(jī)組配置兩臺(tái)輔助變和高廠變，輔助變?nèi)萘亢透邚S變?nèi)萘肯嗤紴?8 MVA，100%備用方式，能夠滿足核島和常規(guī)島中壓母線同時(shí)快切到不同變壓器的要求。

(4)4 臺(tái)反應(yīng)堆冷卻劑泵的電源引接分別來自常規(guī)島4 段中壓母線。

(5)反應(yīng)堆冷卻劑泵通過變頻器供電，變頻器的一次側(cè)輸入電壓為10.5 kV，二次側(cè)輸出電壓為6.9 kV，變頻器和反應(yīng)堆冷卻劑泵之間設(shè)置兩個(gè)串聯(lián)的斷路器。

2 主要工況分析

針對(duì)AP1000 核電廠的固有特點(diǎn)，下面重點(diǎn)分析運(yùn)行中幾種典型或極端的工況情況，其他運(yùn)行工況可介于這類工況之間進(jìn)行考慮。

2.1 “孤島運(yùn)行”工況

2.1.1 工況特點(diǎn)

(1)發(fā)電機(jī)和外電網(wǎng)沒有任何電氣聯(lián)系，包括優(yōu)先電源和輔助電源回路均斷開。

(2)發(fā)電機(jī)帶廠用運(yùn)行，汽輪發(fā)電機(jī)組電功率等于廠用電功率，額定功率約為5%～6%。(3)發(fā)電機(jī)輸出電壓、頻率隨廠用負(fù)荷的變化波動(dòng)大。(4)堆功率通常維持穩(wěn)定在30%左右(不能超過旁路的容量)。

(5)蒸汽大部通過旁路排放到凝汽器。

(6)由于末級(jí)葉片在一定的低蒸汽流量下顫振、應(yīng)力水平高，通常不允許汽輪機(jī)在該低負(fù)荷工況下長期運(yùn)行。

此時(shí)，汽輪機(jī)跳機(jī)后將全廠停電、旁路閉鎖，然后大氣釋放閥開啟，一回路會(huì)在短時(shí)間處于絕熱加熱之下，該瞬態(tài)下要求反應(yīng)堆冷卻劑泵維持足夠的冷卻劑流量，確保堆芯最小的偏離核態(tài)沸騰比(DNBR)不超標(biāo)［2］。

2.1.2 工況分析

發(fā)電機(jī)不與廠外系統(tǒng)相連并帶廠用電運(yùn)行時(shí)，在保護(hù)配置上，汽輪機(jī)跳機(jī)不直接引起發(fā)電機(jī)出口斷路器跳閘，而是由發(fā)電機(jī)低電壓或勵(lì)磁過流保護(hù)跳開發(fā)電機(jī)出口斷路器。

汽輪機(jī)跳機(jī)后，轉(zhuǎn)子慣性惰走，轉(zhuǎn)速降低引起發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓降低。某AP1000 核電項(xiàng)目汽輪機(jī)惰轉(zhuǎn)曲線如圖2 所示。可以看出，跳機(jī)3s 后，轉(zhuǎn)速降為約額定轉(zhuǎn)速的98%。同時(shí)按照現(xiàn)有發(fā)電機(jī)自動(dòng)電壓勵(lì)磁調(diào)節(jié)器性能，電源電壓在自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制下很容易保持在85%額定電壓以上［3］。

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)不變的條件下，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電能頻率成正比關(guān)系:

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降2%時(shí)，電能頻率同樣下降2%，頻率波動(dòng)在廠用負(fù)荷正常工作的范圍內(nèi)，不會(huì)引起廠用電保護(hù)的動(dòng)作。再者在該頻率波動(dòng)范圍內(nèi)，變頻器會(huì)根據(jù)電源頻率的波動(dòng)，自動(dòng)調(diào)整反應(yīng)堆冷卻劑泵輸入電源的頻率，使其維持在電機(jī)額定頻率值不變。

圖2 汽輪發(fā)電機(jī)組惰轉(zhuǎn)曲線

所以3s 內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)出口斷路器跳閘，發(fā)電機(jī)至少能為反應(yīng)堆冷卻劑泵供電3s 時(shí)間。

為了驗(yàn)證停堆過程中DNBR 不超標(biāo)，本研究需對(duì)DNBR 進(jìn)行瞬態(tài)分析。由于反應(yīng)堆滿功率時(shí)比低功率的瞬態(tài)事故更為嚴(yán)重，可根據(jù)西屋公司VIPRE-01 程序計(jì)算“滿功率運(yùn)行+外電網(wǎng)失去+汽輪機(jī)跳機(jī)”工況下的DNBR，該DNBR 可包絡(luò)孤島運(yùn)行工況下汽輪機(jī)跳機(jī)引起的停堆。

在保證汽輪機(jī)跳機(jī)后能利用汽輪機(jī)組惰轉(zhuǎn)再繼續(xù)供電3s 中:

(1)廠用電要保持穩(wěn)定，該點(diǎn)對(duì)繼電保護(hù)提出了高要求，必須杜絕保護(hù)或開關(guān)不動(dòng)作、故障越級(jí)擴(kuò)大事故的發(fā)生。

(2)汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量足夠大，惰轉(zhuǎn)3s 時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率仍保持在所要求的反應(yīng)堆冷卻劑泵供電頻率之上。

(3)為始終保證反應(yīng)堆冷卻劑泵在失電惰轉(zhuǎn)前就有所要求的轉(zhuǎn)速，在汽輪機(jī)跳機(jī)前，要使發(fā)電機(jī)發(fā)出適當(dāng)?shù)臒o功功率以維持廠用母線電壓。

2.2 “機(jī)組滿功率運(yùn)行”工況

2.2.1 工況特點(diǎn)

(1)GCB和主變高壓側(cè)斷路器均閉合，扣除廠用電外，發(fā)電機(jī)以滿功率并網(wǎng)運(yùn)行。

(2)發(fā)電機(jī)提供廠用電，廠內(nèi)6 段中壓母線進(jìn)線電源均引自兩臺(tái)高廠變，備用電源引自兩臺(tái)輔助變，且處于熱備用狀態(tài)。

(3)堆功率穩(wěn)定在100%，反應(yīng)堆出口的蒸汽全部送汽輪機(jī)做功。

2.2.2 工況分析若汽輪機(jī)跳機(jī)，發(fā)電機(jī)變?yōu)橥诫妱?dòng)機(jī)掛網(wǎng)運(yùn)行，發(fā)變組保護(hù)探測(cè)到逆功率信號(hào)后，延時(shí)15 s 跳開GCB，反應(yīng)堆冷卻劑泵電源通過500 kV 電力系統(tǒng)經(jīng)主變倒送廠用電實(shí)現(xiàn)，不存在“3s 供電”要求。

目前，核電廠址所在沿海各省的電力系統(tǒng)都相當(dāng)龐大，個(gè)別省份裝機(jī)容量達(dá)到近1 億千瓦，整個(gè)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)緊密，抵御故障能力較強(qiáng)。相關(guān)文獻(xiàn)［4-6］已對(duì)類似項(xiàng)目進(jìn)行過分析研究。以山東某AP1000 核電項(xiàng)目為例，對(duì)500 kV 電網(wǎng)失去一臺(tái)百萬機(jī)進(jìn)行仿真，電壓波動(dòng)曲線如圖3 所示。從仿真曲線來看，失去一臺(tái)百萬機(jī)后，廠內(nèi)500 kV 母線電壓仍能保持穩(wěn)定。

圖3 切百萬機(jī)后廠內(nèi)母線電壓波動(dòng)曲線

按照故障疊加原則分析，若GCB 拒動(dòng)，失靈繼電器動(dòng)作，啟動(dòng)失靈保護(hù)，主變高壓側(cè)斷路器、GCB、廠內(nèi)6 段中壓母線進(jìn)線開關(guān)同時(shí)跳開，輔助電源快速切換。鑒于輔助變的設(shè)置為100%明備用，反應(yīng)堆冷卻劑泵電源能夠快速過渡到穩(wěn)定工況。保護(hù)配置中快切時(shí)間為6個(gè)周波(120 ms)，母線失電時(shí)間大約在40 ms～60 ms，反應(yīng)堆冷卻劑泵的電源能夠得到快速切換，同樣不存在“3s 供電”的問題。

2.3 “機(jī)組滿功率運(yùn)行+500 kV 外電網(wǎng)失去”工況

2.3.1 工況特點(diǎn)

該工況基本特點(diǎn)和2.2.1 節(jié)相同，僅故障類型不同。此時(shí)，失去500 kV 外電網(wǎng)，機(jī)組進(jìn)入孤島運(yùn)行，但220 kV輔助電源可用。

2.3.2 工況分析

廠外500 kV 電網(wǎng)故障(例如短路)，由于保護(hù)動(dòng)作的選擇性，主變高壓側(cè)斷路器跳開，汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)快速甩負(fù)荷至廠用電，維持反應(yīng)堆冷卻劑泵正常供電。發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷瞬間，機(jī)端電壓和頻率是先陡然升高后逐步降低。即使在汽機(jī)跳閘后3s，廠用母線電壓和頻率也不會(huì)較額定值下降很多［7］。

如果主變高壓側(cè)斷路器拒動(dòng)，則失靈保護(hù)動(dòng)作，聯(lián)跳發(fā)電機(jī)出口斷路器(GCB)，自動(dòng)裝置檢測(cè)到失電信號(hào)后，啟動(dòng)母線快切至220 kV 輔助電源來滿足冷卻劑泵“3s 供電”。

2.4 “機(jī)組滿功率運(yùn)行+外電網(wǎng)失去”工況

2.4.1 工況特點(diǎn)

(1)堆芯和發(fā)電機(jī)均以滿功率運(yùn)行，發(fā)電機(jī)提供廠用電，廠內(nèi)6 段中壓母線進(jìn)線電源均引自兩臺(tái)高廠變。

(2)考慮失去外電網(wǎng)電源是由于汽輪機(jī)跳機(jī)導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰這一連串事故引發(fā)的廠內(nèi)電氣系統(tǒng)(例如高廠變相間短路)和廠外電力系統(tǒng)同時(shí)故障。

(3)從汽機(jī)停機(jī)到失去廠外電源之間，假定一個(gè)合適的延遲時(shí)間為3s，該延遲時(shí)間的假定是基于廠外電網(wǎng)的固有穩(wěn)定性。

(4)GCB和500 kV 高壓側(cè)斷路器跳開后，220 kV輔助電源快切失敗，發(fā)生全廠斷電。

2.4.2 工況分析

該種工況屬于極限事故，發(fā)生的概率極低。一旦發(fā)生，反應(yīng)堆冷卻劑泵電機(jī)在全廠失電后將會(huì)得不到工作電源，進(jìn)入惰轉(zhuǎn)。此時(shí)反應(yīng)堆處在高功率狀態(tài)下，一回路冷熱段溫差大，4 臺(tái)反應(yīng)堆冷卻劑泵惰轉(zhuǎn)后容易過渡到自然循環(huán)。反應(yīng)堆冷卻劑泵惰轉(zhuǎn)過程中，反應(yīng)堆冷卻劑流量下降，同時(shí)冷卻劑泵低轉(zhuǎn)速信號(hào)將直接觸發(fā)反應(yīng)堆停堆。在該瞬態(tài)下，反應(yīng)堆冷卻劑泵維持的冷卻劑流量要確保堆芯最小的DNBR 不超標(biāo)。

根據(jù)西屋公司VIPRE-01 程序計(jì)算，4 臺(tái)反應(yīng)堆冷卻劑泵惰轉(zhuǎn)下，DNBR 瞬態(tài)分析最小大概為2.7 左右，四泵惰轉(zhuǎn)下DNBR 分析如圖4 所示。偏離核態(tài)沸騰(DNB)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)能夠得到滿足(最小DNBR 為1.21)。

圖4 四泵惰轉(zhuǎn)下DNBR 分析

同時(shí)，該工況是失去蒸汽負(fù)荷事故中對(duì)DNB 裕量的最高限制。在該工況下，穩(wěn)壓器安全閥將動(dòng)作，可維持反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的壓力在安全設(shè)計(jì)壓力之下［8-9］。

此外，根據(jù)西屋公司反應(yīng)堆冷卻劑泵采購技術(shù)規(guī)格書的要求，反應(yīng)堆冷卻劑泵的飛輪惰轉(zhuǎn)流量下降曲線(半流量時(shí)間5 s 時(shí))可以保證堆芯在Ⅰ、Ⅱ類工況下，在95%置信度下有95%的概率不發(fā)生DNB;針對(duì)全部失流事故工況下，AP1000 仍有19%的熱工設(shè)計(jì)裕量。

3 結(jié)束語

反應(yīng)堆冷卻劑泵被喻為核電站的“心臟”，是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的循環(huán)動(dòng)力和壓力邊界設(shè)備之一。由于AP1000 核電中反應(yīng)堆冷卻劑泵采用屏蔽泵，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，泵的惰走時(shí)間短，在汽輪機(jī)跳機(jī)后需維持3s 的能動(dòng)電源要求。其目的是為了保證一回路冷卻劑再繼續(xù)流動(dòng)一段時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)安全停堆。

本研究結(jié)合AP1000 核電項(xiàng)目固有特點(diǎn)，分析了4種典型極限事故工況下的電氣系統(tǒng)響應(yīng)和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)響應(yīng);分析了在汽輪機(jī)跳機(jī)后如何滿足反應(yīng)堆冷卻劑泵3s 的能動(dòng)電源要求;對(duì)后續(xù)AP1000 核電廠初步設(shè)計(jì)和初步安全分析具有重要借鑒意義。

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