三門核電主泵變頻器運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)對(duì)策略

摘要：三門核電采用AP1000機(jī)組，主泵配置有變頻器（VFD）。VFD在主泵啟動(dòng)和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)加熱階段可調(diào)節(jié)主泵轉(zhuǎn)速，防止電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)過(guò)電流以及在冷卻劑低溫狀態(tài)下電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，從而最大程度地降低了電機(jī)的容量并取消了傳統(tǒng)的防倒轉(zhuǎn)裝置，減少了主泵的維修工作量。但是由于VFD的核心部件為電力電子元件且需要與主泵同時(shí)運(yùn)行，因而增加了電廠的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)并影響了電廠的經(jīng)濟(jì)性。文章旨在對(duì)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析并提出應(yīng)對(duì)策略。

關(guān)鍵詞：三門核電；AP1000；主泵；變頻器；VFD；運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM921 文章編號(hào)：1009-2374（2015）24-0056-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.028

1 概述

三門核電采用AP1000機(jī)組，其主冷卻劑系統(tǒng)包括兩個(gè)環(huán)路，每個(gè)環(huán)路設(shè)置一臺(tái)蒸汽發(fā)生器，每臺(tái)蒸汽發(fā)生器配置兩臺(tái)主泵，主泵直接與蒸汽發(fā)生器的下封頭連接，取消了傳統(tǒng)壓水堆主冷卻劑系統(tǒng)中的過(guò)渡段設(shè)計(jì)。AP1000主泵為全密封式的屏蔽電動(dòng)泵，由美國(guó)EMD公司制造。主泵為立式、單級(jí)離心泵，葉輪直接連接在電機(jī)轉(zhuǎn)子輪軸上，電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均密閉在耐腐蝕的屏蔽套中，并承受反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力。AP1000主泵取消了主泵軸封設(shè)計(jì)，消除了因軸封失效而導(dǎo)致失水事故的可能性，提高了電廠的安全性，也減小了泵的維修工作量。每臺(tái)主泵都配置有變頻器（下文中均已以VFD表示），VFD與主泵同時(shí)運(yùn)行。VFD可降低冷態(tài)工況時(shí)的主泵的轉(zhuǎn)速和電機(jī)功率，從而最大限度地縮小電機(jī)尺寸。

2 VFD簡(jiǎn)介

AP1000主泵采用西門子生產(chǎn)的WC-III HA水冷完美無(wú)諧波變頻器（單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器），該變頻器具有諧波分量小、功率因數(shù)高、輸出波形好的優(yōu)點(diǎn)。三門核電AP1000所用變頻器的每相由6個(gè)額定電壓為750V的功率單元串聯(lián)而成，輸出的相電壓可達(dá)到4.5kV、線電壓7.79kV。改變每相功率單元的串聯(lián)個(gè)數(shù)或功率單元的輸出電壓等級(jí)，就可以實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的高壓輸出。

WC-III HA型變頻器配置有功率單元旁路功能和中性點(diǎn)偏移技術(shù)以提高電機(jī)運(yùn)行的可靠性，如圖1和圖2所示。通過(guò)以上技術(shù)，三門核電配置的變頻器功率單元具備N-2冗余的能力，即在2個(gè)功率單元失效的情況下，變頻器仍然能夠提供三相對(duì)稱的交流電壓以滿足主泵電機(jī)額定運(yùn)行電壓的需求。

圖1 正常運(yùn)行時(shí)功率單元的輸出

圖2 A相兩個(gè)功率單元被旁路時(shí)的輸出

3 AP1000主泵運(yùn)行限制條件與保護(hù)信號(hào)

3.1 AP1000主泵的運(yùn)行限制條件

（1）當(dāng)一回路溫度小于274℃時(shí)，需要限制主泵轉(zhuǎn)速不超過(guò)88%；（2）當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)溫度大于 71℃時(shí)，至少要保證一臺(tái)主泵處于運(yùn)行狀態(tài)，以保證一回路各處溫度和化學(xué)性質(zhì)均勻；（3）當(dāng)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)溫度大于66℃時(shí)，必須維持CCS向主泵供應(yīng)冷卻水；（4）如果有主泵處于運(yùn)行狀態(tài)，那么Ⅰ環(huán)路至少要有一臺(tái)主泵運(yùn)行以防止PRHR HX中出現(xiàn)逆流；（5）如果有主泵處于運(yùn)行狀態(tài)，那么停運(yùn)主泵的轉(zhuǎn)速（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）必須大于300rpm以維持軸承潤(rùn)滑水膜的厚度。

3.2 主泵相關(guān)的反應(yīng)堆停堆和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)信號(hào)

（1）RCS任一熱段流量低于90%額定流量，觸發(fā)反應(yīng)堆停堆；（2）任意兩臺(tái)主泵轉(zhuǎn)速低于91%額定轉(zhuǎn)速，觸發(fā)反應(yīng)堆停堆；（3）以上兩個(gè)信號(hào)受P-10信號(hào)（反應(yīng)堆功率量程>10額定功率）閉鎖；（4）任一主泵軸承冷卻水溫度高于85℃，觸發(fā)反應(yīng)堆停堆，關(guān)閉設(shè)備冷卻水系統(tǒng)安全殼隔離閥并停運(yùn)所有主泵；（5）堆芯補(bǔ)水箱（CMT）動(dòng)作時(shí)，會(huì)停運(yùn)所有主泵。

4 VFD對(duì)于電廠運(yùn)行造成的風(fēng)險(xiǎn)

4.1 VFD運(yùn)行方式造成的電廠運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)

VFD的運(yùn)行方式是造成電廠運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增加的根本原因。按照標(biāo)準(zhǔn)AP1000的設(shè)計(jì)，VFD只是在反應(yīng)堆啟動(dòng)和停堆冷卻階段，主泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整時(shí)使用。在主泵達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之后，特別是在機(jī)組功率運(yùn)行期間，VFD處于旁路狀態(tài)，即中壓母線直接向主泵電機(jī)供電，VFD不需要隨主泵連續(xù)運(yùn)行，其有效運(yùn)行時(shí)間要遠(yuǎn)小于電廠的運(yùn)行時(shí)間；并且在電廠正常運(yùn)行時(shí)可以開(kāi)展VFD的設(shè)備維護(hù)和部件更換等工作。但是，由于AP1000主泵電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（1789rpm）及主泵葉輪是按照60Hz進(jìn)行設(shè)計(jì)，而中國(guó)交流電的工頻為50Hz，三門核電的VFD必須與主泵電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，才能維持主泵在額定轉(zhuǎn)速，以滿足反應(yīng)堆冷卻劑流量的要求。因此，在電廠功率運(yùn)行狀態(tài)下，一旦變頻器出現(xiàn)故障而不能維持主泵100%轉(zhuǎn)速運(yùn)行，就可能造成主泵運(yùn)行異常甚至停泵，從而觸發(fā)反應(yīng)堆停堆。單臺(tái)或多臺(tái)主泵停運(yùn)會(huì)使堆芯的強(qiáng)迫冷卻能力降低，甚至需要依靠自然循環(huán)帶走堆芯衰變熱，對(duì)堆芯和RCS產(chǎn)生熱沖擊，增加了非能動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施動(dòng)作和堆芯過(guò)熱的概率，降低了核電廠的經(jīng)濟(jì)性。

4.2 設(shè)備性能本身造成的電廠運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)

VFD的核心部件為電力電子部件，受部件本身的壽命及運(yùn)行特性所限，會(huì)影響到VFD的正常運(yùn)行，在瞬態(tài)工況下使電廠的運(yùn)行可靠性受到影響。

4.2.1 VFD對(duì)供電連續(xù)性的要求降低了廠用電源快速切換的可靠性。為了保證VFD的正常運(yùn)行，中壓母線電源的快速切換時(shí)間限制為100ms。根據(jù)已經(jīng)完成的中壓母線電源快切試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，在中壓母線不帶載且不考慮兩路獨(dú)立廠外電源相角差的前提下，快速切換的時(shí)間在101ms左右。因此，在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)電源快速切換時(shí)，VFD極有可能由于快切時(shí)間不滿足要求而停運(yùn)，從而造成主泵停泵并觸發(fā)反應(yīng)堆

停堆，增加了堆芯在喪失一路廠外電源時(shí)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

4.2.2 VFD設(shè)備部件的壽命影響反應(yīng)堆的正常運(yùn)行。根據(jù)某變頻器廠家的經(jīng)驗(yàn)，VFD功率單元使用的IGBT組件的壽命在保養(yǎng)得當(dāng)?shù)那闆r下，可達(dá)到8至10年。另外，為保證冷卻水的水質(zhì)，VFD冷卻單元配置有專門的除鹽裝置，該裝置的壽命為1～2年，在冷卻水電導(dǎo)率達(dá)到5μs/cm，則需要停運(yùn)VFD對(duì)除鹽裝置進(jìn)行更換。因此，電廠運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)由于VFD部件的壽命到期而必須停堆停泵以實(shí)施部件更換工作的情況，增加了電廠計(jì)劃外停堆的可能性。

4.2.3 VFD冷卻單元可達(dá)性影響維護(hù)工作的開(kāi)展。VFD的冷卻單元布置十分緊湊，在其屏柜內(nèi)沒(méi)有預(yù)留足夠的維修空間，當(dāng)設(shè)備部件出現(xiàn)異常時(shí)，維修人員難以在短時(shí)間內(nèi)完成異常情況的處理，VFD可能會(huì)由于冷卻單元的小故障無(wú)法及時(shí)處理而造成整臺(tái)設(shè)備的停運(yùn)。另外，由于冷卻單元的可達(dá)性不佳，也會(huì)造成VFD的維修時(shí)間延長(zhǎng)，影響電廠的經(jīng)濟(jì)性。

4.3 VFD在實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中發(fā)生的事件和故障匯總

西門子完美諧波系列變頻器在核電廠已經(jīng)積累了一定的運(yùn)行業(yè)績(jī)，以下為該系列變頻器在核電廠運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生事件和故障的整理和匯總。

4.3.1 控制系統(tǒng)故障。（1）功率單元旁路接觸器控制回路故障，將已經(jīng)被旁路的故障功率單元重新接入系統(tǒng)當(dāng)中，造成VFD跳閘；（2）直流電壓信號(hào)偏差過(guò)大造成直流接地信號(hào)，觸發(fā)直流接地保護(hù)動(dòng)作，VFD跳閘；（3）控制系統(tǒng)總線模塊失效造成VFD跳閘；（4）電廠集成控制系統(tǒng)信息擁堵造成VFD對(duì)來(lái)自電廠控制系統(tǒng)的指令沒(méi)有響應(yīng)。

4.3.2 冷卻系統(tǒng)失效。（1）輸入隔離變壓器冷卻水接管泄漏；（2）冷卻水接管和材料選型存在缺陷，造成冷卻水泄漏。

4.3.3 現(xiàn)場(chǎng)錯(cuò)誤的技術(shù)方案或操作失誤。（1）由于功率單元的更換和系統(tǒng)重置，使得之前對(duì)VFD升速限制的修改被消除；（2）現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員對(duì)于新技術(shù)的情況不夠了解，造成VFD的參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤，致使VFD在進(jìn)行維修后試驗(yàn)時(shí)不能啟動(dòng)。

4.3.4 安裝和維護(hù)工作不當(dāng)。（1）功率單元內(nèi)C12電容內(nèi)殘存的空氣受熱膨脹，造成8個(gè)功率單元性能下降，但是在之前的預(yù)防性維修項(xiàng)目中，沒(méi)有對(duì)電容的狀況進(jìn)行檢查；（2）與CT相連的屏蔽電纜與柜內(nèi)接地線距離太近，以致電纜的屏蔽不足，觸發(fā)電機(jī)接地過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作；（3）由于電纜接頭在安裝時(shí)緊固不足，運(yùn)行過(guò)程中電纜與終端之間諧振產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力造成電纜脫落。

5 應(yīng)對(duì)策略

主泵變頻器（VFD）為非安全相關(guān)設(shè)備，但是受制于主泵的設(shè)計(jì)和VFD的運(yùn)行方式，在VFD故障或者電廠運(yùn)行瞬態(tài)時(shí)易造成電廠計(jì)劃外停堆，影響核電廠的經(jīng)濟(jì)性，也增加了觸發(fā)非能動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)VFD對(duì)于電廠運(yùn)行造成的風(fēng)險(xiǎn)，主要的應(yīng)對(duì)策略包括兩方面：一是在出現(xiàn)故障后及時(shí)穩(wěn)定電廠的狀態(tài)，防止事件擴(kuò)大；二是加強(qiáng)設(shè)備狀態(tài)的跟蹤和維護(hù)，減少故障發(fā)生的可能性

并盡量縮短維修時(shí)間。具體可采取的應(yīng)對(duì)策略如下：

第一，電廠在正常運(yùn)行期間發(fā)生VFD故障，應(yīng)視為主泵故障進(jìn)行處理。運(yùn)行人員應(yīng)進(jìn)入相應(yīng)的故障運(yùn)行規(guī)程；如VFD不能維持主泵運(yùn)行在100%轉(zhuǎn)速，運(yùn)行人員則需要實(shí)施緊急停堆，進(jìn)入應(yīng)急響應(yīng)規(guī)程以穩(wěn)定電廠狀態(tài)。進(jìn)入相關(guān)規(guī)程之后，運(yùn)行人員根據(jù)電廠的實(shí)際工況調(diào)整可運(yùn)行主泵的轉(zhuǎn)速，以維持主冷卻劑的強(qiáng)迫循環(huán)，同時(shí)保證所有主泵的轉(zhuǎn)速（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）在300rpm以上。在電廠狀態(tài)穩(wěn)定之后，應(yīng)立即聯(lián)系VFD的維修工作，盡快恢復(fù)主泵的運(yùn)行。

第二，根據(jù)WC-III HA型變頻器的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)編制備品備件的配置方案，適當(dāng)增加備品備件范圍和數(shù)量，特別要關(guān)注除鹽裝置、功率單元備件等易耗元件的配置數(shù)量。在VFD出現(xiàn)故障時(shí)，采取“先換后修”的方式，優(yōu)先采用備件對(duì)故障元件進(jìn)行更換，縮短VFD的維修時(shí)間，提高維修效率，盡量縮短主泵和反應(yīng)堆的停運(yùn)時(shí)間。

第三，建立VFD，特別是VFD易耗部件的狀態(tài)檢查和壽命跟蹤機(jī)制。在制定電廠的停堆換料計(jì)劃時(shí)，也應(yīng)考慮VFD部件的壽命問(wèn)題，盡量在換料大修期間完成VFD的檢查、維護(hù)和部件更換工作，避免由于VFD的問(wèn)題造成電廠的計(jì)劃外停堆。

第四，根據(jù)已有的WC-III HA型變頻器的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)完善VFD的維護(hù)方案，維護(hù)方案應(yīng)能夠覆蓋運(yùn)行電廠出現(xiàn)過(guò)的所有問(wèn)題，并通過(guò)定期檢查和維護(hù)工作及時(shí)發(fā)現(xiàn)并予以處理，杜絕同類問(wèn)題重復(fù)發(fā)生。

第五，加強(qiáng)VFD在單體調(diào)試過(guò)程中的檢查力度，確保設(shè)備的安裝質(zhì)量滿足設(shè)備規(guī)格書的要求。對(duì)于運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中出現(xiàn)過(guò)故障或者問(wèn)題的部件，應(yīng)重點(diǎn)檢查，降低運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備故障的概率。

第六，VFD為高集成度的成套設(shè)備，設(shè)備維修的難度大，應(yīng)與設(shè)備廠家建立快速響應(yīng)渠道，在需要維修時(shí)確保廠家能夠及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)處理問(wèn)題，盡量縮短由于等待廠家人員而造成的維修時(shí)間。

6 結(jié)論

AP1000主泵變頻器在主泵的啟動(dòng)和升溫階段，能夠有效控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)功率。另外，VFD還具備制動(dòng)再生功能，在主泵取消了防倒轉(zhuǎn)裝置的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)零轉(zhuǎn)速軟啟動(dòng)，限制了電機(jī)的啟動(dòng)電流并降低了主泵啟動(dòng)時(shí)對(duì)于冷卻劑回路的水錘效應(yīng)。但是，由于三門核電主泵的VFD需要與主泵同時(shí)運(yùn)行，增加了VFD故障造成反應(yīng)堆停堆的幾率，影響了電廠的經(jīng)濟(jì)性，增加了專設(shè)安全設(shè)施觸發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。為保證電廠的穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性，需要采取措施進(jìn)一步提高VFD的設(shè)備可靠性，并做好VFD故障之后的應(yīng)急響應(yīng)準(zhǔn)備。

作者簡(jiǎn)介：陳睿（1982-），男，安徽金寨人，三門核電有限公司運(yùn)行處反應(yīng)堆操縱員，工程師，研究方向：三門核電綜合試驗(yàn)的運(yùn)行執(zhí)行。

（責(zé)任編輯：陳 倩）