秦山二期擴(kuò)建核電廠全廠斷電（SBO）事故下蓄電池可用性研究

游 洲 韓 勇 劉文靜 李 朋

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041）

0 引言

2011 年3 月福島核事故之后，我國(guó)國(guó)家核安全局（NNSA）對(duì)在役、在建電廠提出了一系列安全整改要求，其中，針對(duì)全廠斷電（SBO）的具體要求是：進(jìn)一步提高應(yīng)對(duì)SBO 的能力，增強(qiáng)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況下實(shí)現(xiàn)堆芯冷卻的應(yīng)急補(bǔ)水能力，增設(shè)移動(dòng)泵、移動(dòng)電源、注水管線及相匹配的接口，并完善廠區(qū)內(nèi)各種水源在事故工況下的使用程序。

全廠斷電是指核電廠完全喪失應(yīng)急以及非應(yīng)急母線上的交流電源（即，喪失廠外電源系統(tǒng)，汽輪機(jī)跳閘，并且廠內(nèi)應(yīng)急交流電源系統(tǒng)不可用）。這不包括由蓄電池逆變器供電的不間斷交流電源以及替代交流電源（AAC）的喪失。SBO 屬于超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施，可能導(dǎo)致核電廠堆芯損壞并威脅公眾健康和安全。

根據(jù)喪失廠外電的原因以及電廠恢復(fù)交流電的能力不同，SBO 事故進(jìn)程有所差別。如果可以在事故后短期內(nèi)（如1 個(gè)小時(shí)內(nèi)）恢復(fù)交流電源，通常不會(huì)對(duì)電廠造成嚴(yán)重影響。一旦交流電源長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法恢復(fù)，則可能造成嚴(yán)重的后果。電廠可應(yīng)對(duì)SBO 的時(shí)間稱為SBO 應(yīng)對(duì)時(shí)間，根據(jù)10 CFR 50.63（2007 版）的定義，應(yīng)對(duì)時(shí)間是指電廠在沒(méi)有交流電源的情況下可保證堆芯不裸露和保持適當(dāng)?shù)陌踩珰ね暾缘臅r(shí)間。

蓄電池作為全廠斷電后至交流電源回復(fù)時(shí)間段內(nèi)的最后電源（AAC 無(wú)法啟動(dòng)時(shí)），其可用性及滿足負(fù)荷需求的時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)整個(gè)核電廠全廠斷電事故序列的發(fā)展以及電廠是否具有足夠應(yīng)對(duì)SBO 的時(shí)間起著舉足輕重的作用。本文針對(duì)在SBO 工況下，秦山二期擴(kuò)建核電廠現(xiàn)有蓄電池的可用性進(jìn)行了分析和研究。

1 SBO 事故下蓄電池的投用

SBO 事故一般由喪失廠外電（LOOP）事故開始，LOOP 事故發(fā)生后，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組（EDG）自動(dòng)啟動(dòng)，向應(yīng)急母線供電。若應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組（一列或兩列）供電成功，電廠至少有一列專設(shè)安全設(shè)施可以啟動(dòng)應(yīng)對(duì)事故。一旦應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組供電失敗，電廠喪失了所有交流電源，交流電驅(qū)動(dòng)的設(shè)備（如主泵、主給水泵等）停運(yùn)，所有依靠交流電源運(yùn)行的前沿系統(tǒng)和支持系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)或繼續(xù)運(yùn)行。全廠斷電后的典型的事故發(fā)展見圖1。

全廠斷電后，控制棒斷電依靠重力下落，反應(yīng)堆停堆，汽輪機(jī)停機(jī)。由于喪失供電，主給水喪失，主泵停運(yùn)，汽動(dòng)輔助給水泵自動(dòng)啟動(dòng)向SG 供水，一回路熱量通過(guò)自然循環(huán)排出。因?yàn)橹鞅猛瑫r(shí)喪失正常軸封水注入和密封冷卻，SBO 后存在著主泵軸封破口的風(fēng)險(xiǎn)。SBO 后電廠儀控用電由蓄電池供給，以提供全廠斷電事故后所需儀控機(jī)柜的電源。

在秦山二期目前的設(shè)計(jì)中，48V 直流電源系統(tǒng)（LC*）、110V 直流電源系統(tǒng)(LB*)及220V 交流不間斷電源系統(tǒng)(LN*)分別設(shè)有蓄電池組，在SBO 后，各蓄電池組具有向各自的全部直流負(fù)荷供電1 小時(shí)的能力。

根據(jù)《全廠斷電事故運(yùn)行規(guī)則（RRA 未連接）》H3.1 的描述，發(fā)生SBO 時(shí)，應(yīng)立即切除LCA 和LNE 中功能不重要的負(fù)荷，使相應(yīng)的蓄電池組執(zhí)行經(jīng)濟(jì)運(yùn)行程序，這樣做的目的是使LCA 和LNE 系統(tǒng)對(duì)功能重要的所有饋出線盡可能長(zhǎng)時(shí)間的保持帶電。圖2、圖3 分別是LNE和LCA 系統(tǒng)的單線圖。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，由充電器給相應(yīng)的直流負(fù)荷供電，同時(shí)給LNE 和LCA 的供電蓄電池浮充電，在SBO 發(fā)生時(shí)，其蓄電池組能不間斷地向各自的全部直流負(fù)荷提供直流電源。

2 蓄電池可用性分析與評(píng)價(jià)

2.1 重要負(fù)荷計(jì)算

2.1.1 LNE 母線

LNE 母線上所帶功能重要負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見表1。從表1 中可以看出，負(fù)荷LNE360CR 在其他機(jī)組交流電源可用的情況下，可直接切換至其他機(jī)組供電，這樣就可以避免消耗本機(jī)組的蓄電池容量，延長(zhǎng)本機(jī)組負(fù)荷供電時(shí)間。因此，在考慮給LNE 系統(tǒng)供電的蓄電池可用時(shí)間時(shí)，需分為兩種情況考慮：蓄電池給本機(jī)組的所有LNE 系統(tǒng)負(fù)荷供電，和只給LNE 系統(tǒng)下除了LNE360CR 的負(fù)荷供電。這時(shí)，LNE360CR 的電源必須切換至其他機(jī)組供電。

表1 LNE 母線負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Load of LNE

根據(jù)逆變器計(jì)算電流的計(jì)算公式：

式中：Ij——逆變器進(jìn)線側(cè)的計(jì)算電流；

Ii——逆變器出線側(cè)的負(fù)荷計(jì)算電流；

α——同時(shí)系數(shù)，取1；

γ——逆變器逆變效率，秦山二期采用瑞士固特（GUTOR）逆變器，其滿負(fù)荷條件下的效率大于91%；

Ui——逆變器進(jìn)線側(cè)電壓，220V；

Uo——逆變器出線側(cè)電壓，220V。

代入?yún)?shù)計(jì)算可得，在SBO 工況下，另一機(jī)組的交流電源不可用時(shí)，逆變器直流側(cè)的計(jì)算電流為229.3A；當(dāng)另一機(jī)組的交流電源可用時(shí)，逆變器直流側(cè)的計(jì)算電流為121.6A。

2.1.2 LCA 母線

LCA 母線上所帶功能重要負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見表2：

表2 LCA 母線負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Load of LCA

在交流電源喪失的情況下，蓄電池組直接給各機(jī)柜提供48VDC電源，以應(yīng)對(duì)SBO 事故?？紤]到極限情況下，各機(jī)柜需同時(shí)用電，因此同時(shí)系數(shù)取1。蓄電池的放電電流為L(zhǎng)CA 系統(tǒng)各負(fù)荷的計(jì)算電流之和，即為299.15A。

2.2 蓄電池帶載時(shí)間分析

為L(zhǎng)NE、LCA 系統(tǒng)供電的蓄電池均為沈陽(yáng)蓄電池廠生產(chǎn)的GFD-2000 閥控型鉛酸蓄電池，特性參數(shù)見表3、表4。

表3 為L(zhǎng)NE 系統(tǒng)供電的蓄電池特性參數(shù)Tab.3 Batteries’ Parameters for LNE

表4 為L(zhǎng)CA 系統(tǒng)供電的蓄電池特性參數(shù)Tab.4 Batteries’ Parameters for LCA

蓄電池可用時(shí)間的計(jì)算，實(shí)際上就是其剩余電量的計(jì)算。充滿后的蓄電池的放電容量主要受鈍化機(jī)理的影響，與電池的儲(chǔ)存時(shí)間、電池溫度（見圖4）、電池劣化模式、劣化程度、放電倍率等眾多因素密切相關(guān)，容量的準(zhǔn)確估計(jì)難度較大，國(guó)內(nèi)外的專家對(duì)此做過(guò)大量的研究。

秦山二期核電廠對(duì)電池存儲(chǔ)間的溫度控制嚴(yán)格，通風(fēng)系統(tǒng)完善。在對(duì)LNE 系統(tǒng)和LCA 系統(tǒng)的蓄電池組進(jìn)行剩余電量估算的時(shí)候可以不用考慮溫度變化對(duì)蓄電池組會(huì)產(chǎn)生破壞性的影響。同時(shí)，如果蓄電池組經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)后，通過(guò)監(jiān)控蓄電池的浮充電壓，如果達(dá)不到運(yùn)行的要求，則會(huì)馬上進(jìn)行維護(hù)和更換。在蓄電池組最不利的情況下，也能保持原蓄電池組容量的80%，即1600Ah。假設(shè)SBO 發(fā)生后，蓄電池一直保持同樣的最大放電電流。根據(jù)GFD 蓄電池不同小時(shí)放電電流表5（終電壓1.87V/只），采用插值法對(duì)LNE 和LCA 系統(tǒng)的蓄電池組進(jìn)行放電時(shí)間計(jì)算。同時(shí)考慮到蓄電池組在壽期末最不利的情況下也能達(dá)到1600Ah，因此，LNE 和LCA 系統(tǒng)的蓄電池組可以達(dá)到表6 所示的負(fù)荷需求的放電時(shí)間。

表5 GFD 蓄電池終電壓1.87V/只，不同小時(shí)放電電流Tab.5 Discharge Current at Different Time of GFD Batteries(Ending voltage=1.87V)

表6 LNE 和LCA 系統(tǒng)的蓄電池組滿足負(fù)荷需求的放電時(shí)間Tab.6 Discharge Periods of batteries to meet load requirements

3 應(yīng)對(duì)SBO 的建議

福島核事故發(fā)生后，美國(guó)核管會(huì)（NRC）建議所有運(yùn)行和新建反應(yīng)堆：（1）建立SBO 后最小8 小時(shí)的應(yīng)對(duì)能力；（2）建立“長(zhǎng)期SBO”的72小時(shí)的應(yīng)對(duì)時(shí)間的設(shè)備、規(guī)程和培訓(xùn)，要求保證堆芯和乏燃料池冷卻以及反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)和安全殼的完整性。

從以上要求來(lái)看，秦山二期擴(kuò)建工程的蓄電池組滿足不了最新的要求，建議采取如下措施：

（1）提高蓄電池容量。蓄電池滿足負(fù)荷需求的放電時(shí)間與電池容量成正比，提高蓄電池的電池容量可以直接延長(zhǎng)蓄電池滿足負(fù)荷需求的放電時(shí)間的要求。

（2）使用移動(dòng)式電源對(duì)蓄電池充電。在發(fā)生SBO 時(shí)，接入移動(dòng)式柴油發(fā)電機(jī)對(duì)正在放電的蓄電池進(jìn)行充電，只要柴油發(fā)電機(jī)具備足夠的容量，且油料足夠，則可以大幅度的提高蓄電池組滿足負(fù)荷需求的放電時(shí)間。

（3）提高替代交流電源的能力。秦山二期擴(kuò)建工程設(shè)置有附加柴油發(fā)電機(jī)組（第五臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組）。但是在投用時(shí)，需要接入的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。如果能夠?qū)⒏郊硬裼桶l(fā)電機(jī)組的接入修改為自動(dòng)，或者采用技術(shù)改進(jìn)措施，進(jìn)一步縮短需要接入的時(shí)間，那么對(duì)蓄電池的要求將會(huì)降低很多。

（4）提高電廠恢復(fù)交流電源能力。核電廠在SBO 事故后要恢復(fù)到正常狀態(tài)，仍然需要交流電源供電，這是不可避免的。交流電源恢復(fù)越快，越能降低對(duì)蓄電池的要求。因此，可通過(guò)改善交流電源系統(tǒng)的冗余配置，加強(qiáng)操作員的規(guī)程培訓(xùn)，提高事故處理人員的專業(yè)技能等方面來(lái)提高核電廠恢復(fù)交流電源的能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

核電廠安全是整個(gè)核電產(chǎn)業(yè)的重中之重，特別是在福島事件以后，各國(guó)都將一定范圍內(nèi)的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故納入考慮的范圍。福島事件之前，我國(guó)建設(shè)的大部分核電廠都沒(méi)有考慮如何應(yīng)對(duì)諸如SBO 這種超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故。如何在運(yùn)行核電廠現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上，提高應(yīng)對(duì)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的能力，是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的工作。對(duì)秦山二期擴(kuò)建工程開展的蓄電池可用性分析和研究，希望能為現(xiàn)有核電廠的安全建設(shè)和后期核電廠的設(shè)計(jì)建造提供借鑒。

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