核電站增加廠用移動(dòng)電源的探討與實(shí)踐

于永強(qiáng)

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

1 概述

核電站廠用電源由正常電源和應(yīng)急電源構(gòu)成。正常電源是由主變壓器、輔助變壓器提供的電源；應(yīng)急電源是當(dāng)主、輔電源失電時(shí)，對(duì)安全系統(tǒng)和設(shè)備供電，以提供反應(yīng)堆安全停堆設(shè)備、安注系統(tǒng)、重要監(jiān)視儀表和應(yīng)急照明用電。在特殊情況下，當(dāng)正常電源失去后，應(yīng)急電源成為廠用電源的主體。

核電站應(yīng)急電源發(fā)揮應(yīng)急供電功能，需具有獨(dú)立性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性好的特點(diǎn)。獨(dú)立性強(qiáng)，即僅依靠自身即能正常運(yùn)轉(zhuǎn)供電；機(jī)動(dòng)性好，即啟動(dòng)快并能在短時(shí)間內(nèi)輸出額定負(fù)荷。

2 福島核事故廠用電源失電

2011-03-11T14:46，日本本州島東北海岸發(fā)生9.0級(jí)地震。當(dāng)檢測(cè)到地震時(shí)，日本福島第一核電站1，2，3號(hào)機(jī)組執(zhí)行了自動(dòng)停機(jī)程序，反應(yīng)堆安全停堆。此時(shí)，正常情況下核電廠可利用廠外電源驅(qū)動(dòng)冷卻和控制系統(tǒng)，但地震對(duì)電網(wǎng)造成了大規(guī)模破壞，因此只好依賴區(qū)內(nèi)13臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)。該核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組在地震發(fā)生后2 s內(nèi)啟動(dòng)，但隨后的15 m大海嘯越過廠區(qū)5.7 m海堤，淹沒了地勢(shì)較低處的柴油發(fā)電機(jī)組。15:41，共有12臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)中止運(yùn)轉(zhuǎn)，供給反應(yīng)堆的動(dòng)力電源即告失效。在柴油發(fā)電機(jī)組失效后，供電給控制系統(tǒng)的蓄電池因無(wú)法充電只能維持8 h，不能保證持久供電。福島第一核電站沒有配置移動(dòng)式應(yīng)急電源，從外部運(yùn)來(lái)的移動(dòng)應(yīng)急電源因路況不佳而嚴(yán)重耽擱；運(yùn)抵因地下配電間已被海嘯淹沒，無(wú)法連接使用，導(dǎo)致所有的廠用電源失去，最終造成福島核事故的逐步升級(jí)。

3 秦山第二核電廠應(yīng)急供電系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 6 kV應(yīng)急配電系統(tǒng)

正常狀態(tài)下，秦山第二核電廠1，2號(hào)機(jī)組6 kV中壓系統(tǒng)由500 kV主變壓器、220 kV輔助變壓器供電。每臺(tái)機(jī)組有正常廠用母線4段(LGA，LGB，LGC，LGD)、應(yīng)急母線2段(LHA，LHB)、循泵房母線2段(LGEA，LGEB)、2臺(tái)機(jī)組共用母線2段(LGIA，LGIB)、備用電源母線2段(LGR001，LGR002)、附加柴油機(jī)母線段(LHT)。

應(yīng)急廠用設(shè)備是核安全和電廠主要設(shè)備的保護(hù)所必需的。正常情況下，應(yīng)急廠用設(shè)備由LGC，LGD分別通過LHA和LHB配電裝置供電。當(dāng)外部電源失去時(shí)，則由應(yīng)急柴油機(jī)組進(jìn)行供電。

LHA，LHB負(fù)荷有：水冷泵電機(jī)、消防泵電機(jī)、高壓安注泵電機(jī)、安全廠用水泵電機(jī)、噴淋泵電機(jī)、余熱排出泵電機(jī)、電動(dòng)輔助給水泵電機(jī)、核島制冷機(jī)電機(jī)、低壓安注泵電機(jī)以及LLA，LLB，LLC，LLD，LLE，LLI，LLJ，LLO，LLN等核島干式變。

3.2 380 V應(yīng)急配電系統(tǒng)

380 V低壓系統(tǒng)(核島)為核島的380 V負(fù)荷供電，分為交流應(yīng)急配電系統(tǒng)(LL*)和交流正常配電系統(tǒng)(LK*)。

交流應(yīng)急配電系統(tǒng)(LL*)又分為A，B 2列，A列包括：LLA001TB，LLC001TB，LLE001TB，LLI001TB，LLN001TB，LLG001TB等配電裝置；B列包括：LLB001TB，LLD001TB，LLJ001TB，LLO001TB，LLW001TB等配電裝置。2個(gè)系列在電氣上和實(shí)體上都是隔離開的，其功能如下：

(1)由6 kV應(yīng)急配電裝置(LHA，LHB)向380 V應(yīng)急配電裝置母線供電；

(2)對(duì)380 V應(yīng)急配電裝置的母線電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制；

(3)向每個(gè)配電裝置小室提供110 V和48 V直流儀表和控制電源。

交流應(yīng)急配電系統(tǒng)(LL*)的安全功能是：向與安全有關(guān)的低壓(380 V)負(fù)荷，如電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)閥、斷路器、整流器等，以及部分與安全設(shè)備相關(guān)的直流系統(tǒng)供電。

3.3 應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

3.3.1 應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組

秦山第二核電廠1，2機(jī)組所采用的柴油發(fā)電機(jī)是法國(guó)生產(chǎn)的四沖程、中速、大功率柴油機(jī)，容量為6 300 kW，共4臺(tái)，每個(gè)堆2臺(tái)，分LHP和LHQ 2個(gè)系列，分別向6 kV應(yīng)急母線LHA和LHB供電。

(1)電氣配置。該核電廠1，2號(hào)機(jī)組的4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組分為A列和B列，LHP上游電源來(lái)自LLI181JA，供給LLG001TB配電盤；LHQ上游電源來(lái)自LLJ181JA，供給LLW001TB配電盤。事故情況下，柴油發(fā)電機(jī)經(jīng)6 kV應(yīng)急配電裝置(LHA，LHB)向380 V應(yīng)急配電裝置母線供電。

(2)啟動(dòng)方式如下。

① 系統(tǒng)啟動(dòng)(應(yīng)急啟動(dòng))：系統(tǒng)啟動(dòng)是指柴油機(jī)從備用狀態(tài)一直到柴油發(fā)電機(jī)組程序帶載結(jié)束整個(gè)過程的一種啟動(dòng)方式，屬于應(yīng)急啟動(dòng)方式。系統(tǒng)的啟動(dòng)信號(hào)包括安注信號(hào)、安全殼壓力高高信號(hào)及母線失壓信號(hào)。

② 主控室的手動(dòng)啟動(dòng)(應(yīng)急啟動(dòng))：在主控室的手動(dòng)啟動(dòng)是應(yīng)急啟動(dòng)的方式之一，主要是考慮在應(yīng)急工況下主控操縱員能夠迅速啟動(dòng)柴油機(jī)，同時(shí)部分運(yùn)行定期試驗(yàn)也采用該種啟動(dòng)方式。

③ 應(yīng)急停堆盤的手動(dòng)啟動(dòng)(應(yīng)急啟動(dòng))：在電氣廠房的應(yīng)急停堆盤上也可以啟動(dòng)柴油機(jī)，這種啟動(dòng)方式只有在主控室不可用的狀況下才使用。

④ 就地啟動(dòng)(正常啟動(dòng))：就地啟動(dòng)的柴油機(jī)啟動(dòng)方式主要是在柴油機(jī)調(diào)試和試驗(yàn)時(shí)使用。

3.3.2 附加應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組

按照核安全要求，核電站應(yīng)配備自己獨(dú)立的附加電源，以保證在全廠失電情況下，提供1組獨(dú)立的應(yīng)急電源。秦山第二核電廠于2002年確定建設(shè)附加柴油發(fā)電機(jī)組(0LHT)，它與1，2號(hào)機(jī)組4臺(tái)柴油機(jī)組在容量和性能方面完全一致。因此，附加柴油機(jī)在抗震等級(jí)等方面達(dá)到了完全的1E級(jí)，能滿足其在4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的任意一臺(tái)不能正常投運(yùn)狀況下的備用要求。

3.4 水壓試驗(yàn)泵發(fā)電機(jī)組

水壓試驗(yàn)泵發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)(LLS)主要用于在機(jī)組2列應(yīng)急配電母線LHA和LHB都不能供電的情況下，通過由一回路加熱產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)一個(gè)輸出功率為70 kW的小汽輪發(fā)電機(jī)組，向水壓試驗(yàn)泵及其輔助裝置提供電源，以保證主泵的密封供水，避免一次側(cè)冷卻劑的泄漏。根據(jù)需要可由該系統(tǒng)向1/2LNE360CR和1/2ASG系統(tǒng)的汽動(dòng)泵就地控制箱提供電源，以保證機(jī)組重要儀表可以運(yùn)行監(jiān)視，以及保證可通過二回路蒸汽將堆芯的溫度導(dǎo)出并維持恒定溫度。

在正常運(yùn)行工況時(shí)，該系統(tǒng)總是處于備用狀態(tài)。由于該系統(tǒng)還可以通過電網(wǎng)向下游負(fù)荷供電，因此在9LKI系統(tǒng)向本系統(tǒng)的380 V母線供電時(shí)，可實(shí)現(xiàn)主回路水壓試驗(yàn)和向安全注入系統(tǒng)(RIS)的中壓安注箱充水的功能。

在事故(1號(hào)或2號(hào)機(jī)組LHA與LHB均失電)情況下，該機(jī)組可用的電源只有來(lái)自蓄電池組供電的直流系統(tǒng)。LLS系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)回路會(huì)在15 s后發(fā)出打開氣動(dòng)蒸汽隔離閥(LLS001VV)的信號(hào)，從而啟動(dòng)小汽輪發(fā)電機(jī)。該機(jī)組啟動(dòng)后，整個(gè)系統(tǒng)(LLS)的運(yùn)行就不再依賴來(lái)自蓄電池組供電的直流系統(tǒng)。

由于1號(hào)或2號(hào)機(jī)組LHA與LHB均失電，因此相關(guān)機(jī)組的一回路的循環(huán)冷卻系統(tǒng)失去功能。即使反應(yīng)堆已經(jīng)停堆，堆中的放射性物質(zhì)依然有少量在繼續(xù)衰變，其衰變能量約占其輸出核功率的1 %，1號(hào)或2號(hào)機(jī)組輸出的核功率約為2 000 MW，因此20 MW功率的衰變能量會(huì)使失去循環(huán)冷卻的堆芯產(chǎn)生大量的熱能。這些熱能經(jīng)過自然循環(huán)傳輸?shù)秸羝l(fā)生器，其余熱足以使蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)小汽輪發(fā)電機(jī)組。由于放射性物質(zhì)的衰變時(shí)間非常漫長(zhǎng)，其產(chǎn)生的衰變能量在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)基本上保持不變，除非人為干涉，否則啟動(dòng)后的小汽輪發(fā)電機(jī)組不會(huì)停止運(yùn)行；所以本系統(tǒng)所提供的380 V母線電源是全廠唯一可以長(zhǎng)時(shí)間供給的電源。因此，從設(shè)計(jì)上考慮，它在事故工況下的啟動(dòng)、運(yùn)行、停運(yùn)、就地/遠(yuǎn)方控制和信息傳遞均不需要外在電源(指主變壓器、輔助變壓器與柴油發(fā)電機(jī)組提供的電源，不包括蓄電池組供電的直流系統(tǒng))。

LLS 380 V母線的進(jìn)線方面配置包括3路進(jìn)線和1個(gè)電阻負(fù)載箱(9LLS001RS)。3路進(jìn)線分別是由1號(hào)或2號(hào)機(jī)組取自ASG系統(tǒng)汽動(dòng)泵供汽母管上的蒸汽驅(qū)動(dòng)小汽輪發(fā)電機(jī)組供電和由電網(wǎng)提供的9LKI001TB供電。電阻負(fù)載箱的功率為24 kW，為1，2號(hào)機(jī)組共用，為小汽輪發(fā)電機(jī)組剛啟動(dòng)時(shí)提供一定負(fù)荷，以避免小汽輪機(jī)機(jī)械超速，并可以根據(jù)需求負(fù)荷的大小自動(dòng)投切，維持小汽輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 增加移動(dòng)電源的合理性和必要性分析

按照秦山第二核電廠原設(shè)計(jì)要求，當(dāng)電廠500 kV主電源、220 kV備用電源以及主發(fā)電機(jī)失電時(shí)，應(yīng)急柴油機(jī)能夠立刻啟動(dòng)；在10 s內(nèi)使機(jī)組達(dá)到額定電壓和額定頻率，開始執(zhí)行程序帶載；并在40 s內(nèi)分8次帶上LHA/LHB應(yīng)急母線上的負(fù)荷，為專設(shè)安全設(shè)施和系統(tǒng)供電，以提供應(yīng)急照明和為保證反應(yīng)堆安全停堆所需的設(shè)備用電，使其繼續(xù)安全運(yùn)行。如果柴油機(jī)不能正常啟動(dòng)，則由LLS系統(tǒng)的小汽輪發(fā)電機(jī)為應(yīng)急設(shè)備供電。

福島核電站與秦山第二核電廠應(yīng)急配電系統(tǒng)對(duì)比分析如下。

(1)秦山核電基地的海堤高度約為9.5 m(未來(lái)將加固提高到9.9 m)，秦山核電基地所在的杭州灣水文情況與福島所面對(duì)的深海有所不同，極端條件下的海嘯高度最高不會(huì)超過10.1 m。福島核電站的所有柴油發(fā)電機(jī)組都安裝在地勢(shì)較低的地帶，而秦山第二核電廠的柴油發(fā)電機(jī)組則安裝在整個(gè)廠區(qū)基準(zhǔn)面+0 m(廠區(qū)標(biāo)高為5 m)左右的地方。若發(fā)生海嘯高度超過海堤高度的情況，則秦山第二核電廠所有柴油發(fā)電機(jī)組，包括附加柴油發(fā)電機(jī)組也都有可能被淹沒。

(2)秦山第二核電廠應(yīng)急配電系統(tǒng)(6 kV與380 V)與直流系統(tǒng)(包含向LLS控制回路供電的部分)均安裝在廠區(qū)基準(zhǔn)面+8.0 m左右的地方，小汽輪發(fā)電機(jī)組配電間在廠區(qū)基準(zhǔn)面+6.0 m左右的地方，小汽輪發(fā)電機(jī)組在廠區(qū)基準(zhǔn)面+11.5 m左右的地方；分別距杭州灣海平面高度為+13.0 m, +11.0 m和+16.5 m。因此，即使發(fā)生超出海堤高度的海嘯，也不會(huì)出現(xiàn)類似福島核電站整個(gè)應(yīng)急配電系統(tǒng)被淹的情況。

(3)秦山第二核電廠LLS系統(tǒng)是福島核電站所沒有的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以看作是核安全的最后一道屏障，且該系統(tǒng)所在廠房位于廠區(qū)基準(zhǔn)面+11.5 m的地方，也不會(huì)發(fā)生被淹的情況。該系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)自一回路加熱產(chǎn)生的蒸汽，因此只要堆芯有熱量，發(fā)電機(jī)就能運(yùn)轉(zhuǎn)。但此系統(tǒng)的動(dòng)力不是自身產(chǎn)生，與柴油發(fā)電機(jī)相比，欠缺獨(dú)立性。

(4)核電站的重要設(shè)備一般都有冗余配置，即這些重要設(shè)備運(yùn)行時(shí)有備用設(shè)備。1，2號(hào)機(jī)組LLS系統(tǒng)各自只有1臺(tái)小汽輪發(fā)電機(jī)組，雖使用同一段母線供電，但是由于其動(dòng)力來(lái)源不同，故不能真正做到互為備用。在每年1次的機(jī)組換料大修過程中，至少有1個(gè)月的時(shí)間里，1號(hào)或2號(hào)機(jī)組處于冷停堆狀態(tài)，此時(shí)相應(yīng)機(jī)組的小汽輪發(fā)電機(jī)組就處于不可用狀態(tài)。

綜上所述，該系統(tǒng)不符合冗余配置要求，特別在福島核事故之后，增加1臺(tái)備用應(yīng)急電源成為必須。2012年7月國(guó)家核安全局編制的《福島核事故核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求》中包括了增加移動(dòng)電源的要求。移動(dòng)供電系統(tǒng)具有良好的機(jī)動(dòng)靈活性等固定式應(yīng)急供電系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，因此成為備用應(yīng)急電源最合適的選擇。

5 LLS外部移動(dòng)電源供電系統(tǒng)方案實(shí)施

外部移動(dòng)電源系統(tǒng)主要由低壓移動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)和外部移動(dòng)電源接口構(gòu)成。額定功率為656 kW的低壓移動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組從外部訂購(gòu)，其他工作包括外部移動(dòng)電源接口的確定和安裝。

2012年，秦山第二核電廠確定在1LLS001AP附近墻上安裝一個(gè)雙切電源端接箱，用于與移動(dòng)式柴油發(fā)電機(jī)組和LLS系統(tǒng)之間的連接，包括雙切電源端接箱(9LLS701AR)的安裝、1LLS001AP至9LLS701AR之間電纜橋架的安裝、電纜的縛設(shè)及端接。

現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，1號(hào)機(jī)組連接廠房W532(距廠區(qū)基準(zhǔn)面+11.5 m)具有足夠的空間安裝9LLS701AR。在同時(shí)失去廠外、廠內(nèi)電源且1號(hào)和2號(hào)機(jī)組LLS電源可均失去的工況下，移動(dòng)柴油機(jī)電源通過自帶電纜接入9LLS701AR，再將汽輪發(fā)電機(jī)組上原為1LLS001AR供電的電纜端接至9LLS701AR，閉合隔離開關(guān)，啟動(dòng)移動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)為L(zhǎng)LS配電裝置供電。

目前，LLS系統(tǒng)外部移動(dòng)電源接口已安裝完成，移動(dòng)電源車也已到位。在緊急狀態(tài)下，移動(dòng)電源車可以在15 min內(nèi)趕到現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員可在1 h內(nèi)將移動(dòng)電源車自帶電纜由移動(dòng)電源車位置處敷設(shè)至W532房間內(nèi)的9LLS701AR上，從而有效保證對(duì)核電廠重要設(shè)備的供電。

6 結(jié)束語(yǔ)

為發(fā)揮事故應(yīng)急供電功能，核電站的應(yīng)急電源應(yīng)獨(dú)立性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性好。隨著秦山第二核電廠1，2號(hào)機(jī)組廠用移動(dòng)應(yīng)急電源的增設(shè)，該核電站應(yīng)對(duì)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的能力得到了進(jìn)一步的提高。