海南核電安穩(wěn)裝置可行性分析

黃景昊+吳海杰

【摘 要】海南昌江核電#1機(jī)組2015年12月正式商運(yùn)，單機(jī)容量650MW。結(jié)合海南電網(wǎng)網(wǎng)架、裝機(jī)及負(fù)荷情況，核電投產(chǎn)后，海南電網(wǎng)將存在調(diào)峰及安全穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題，需采取相應(yīng)的安全分析和應(yīng)對(duì)措施。本文針對(duì)昌江核電機(jī)組特點(diǎn)，對(duì)海南昌江核電一次調(diào)頻能力、控制策略進(jìn)行了分析，并提出了安穩(wěn)裝置可能出現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法。

【關(guān)鍵詞】安穩(wěn)裝置；一次調(diào)頻；控制策略

0 前言

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，單機(jī)容量進(jìn)一步提高。與此同時(shí)，由于受到環(huán)境和經(jīng)濟(jì)等因素的制約， 區(qū)域間聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)距離大容量輸電系統(tǒng)的不斷出現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行更加接近極限狀態(tài)，這使得電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題日趨嚴(yán)重。電力系統(tǒng)一旦失去穩(wěn)定，往往造成大范圍、較長(zhǎng)時(shí)間停電，重則可能使電力系統(tǒng)崩潰和瓦解。

安穩(wěn)裝置在預(yù)防電力系統(tǒng)發(fā)生異常狀況，尤其是防止電網(wǎng)發(fā)生大面積連鎖停電事故方面發(fā)揮了重要作用。安穩(wěn)裝置不僅可以提高電網(wǎng)主要線路的暫態(tài)穩(wěn)定極限、改善電網(wǎng)的穩(wěn)定水平，還可以提高電網(wǎng)的輸送能力、避免窩電、提高電網(wǎng)運(yùn)行效率。這樣，通過(guò)安穩(wěn)裝置即可將整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定問(wèn)題納入統(tǒng)一協(xié)調(diào)、集中管理、分布控制的現(xiàn)代化安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)內(nèi)，使整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)更加靈活、可靠、高效。

1 安穩(wěn)裝置切機(jī)策略介紹

1.1 海南核電開(kāi)關(guān)站介紹

海南核電220kV送出工程配電裝置，220kV接線為一個(gè)半斷路器接線，采用屋內(nèi)式全封閉組合電器（GIS）。全廠規(guī)劃建設(shè)2回進(jìn)線、4回出線、2回備用出線、共4個(gè)完整串。本期#1、#2機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)考慮2回進(jìn)線、4回出線，共3個(gè)完整串。對(duì)今后可能擴(kuò)建的2回備用出線間隔預(yù)留設(shè)備安裝空間。

1.2 切機(jī)措施的選擇

對(duì)于核電廠切機(jī)措施一般有如下兩種方案：

（1）跳升壓站中的邊開(kāi)關(guān)；

（2）跳核電機(jī)組的出口斷路器（GCB）。

對(duì)于方案一，當(dāng)邊開(kāi)關(guān)跳開(kāi)時(shí)，核電機(jī)組可通過(guò)廠用變壓器繼續(xù)向廠用設(shè)備供電，此時(shí)核電機(jī)組處于廠用電運(yùn)行狀態(tài)（廠用電率約為機(jī)組滿功率的5%）。此時(shí)，發(fā)電機(jī)的負(fù)荷瞬間降低至5%左右；汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)打開(kāi)，反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)逐步將堆功率穩(wěn)定在30%FP左右，汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)補(bǔ)償剩余部分功率，汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3120r/min左右。當(dāng)這一暫態(tài)結(jié)束后，汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速將被調(diào)整到3000r/min，為機(jī)組的重新并網(wǎng)做好準(zhǔn)備。理論上如果電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)間小于24h，機(jī)組可以維持在這一狀態(tài)，等待重新并網(wǎng)，否則應(yīng)根據(jù)技術(shù)規(guī)范的規(guī)定向后備狀態(tài)過(guò)渡。

對(duì)于方案二，當(dāng)GCB跳開(kāi)時(shí)，廠用設(shè)備直接由高壓電網(wǎng)經(jīng)主變降壓供電。此時(shí)發(fā)電機(jī)組處于空載狀態(tài)，為避免長(zhǎng)時(shí)間空載運(yùn)行導(dǎo)致汽輪機(jī)末級(jí)葉片過(guò)熱受損，汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)將打開(kāi)，大量多余的蒸汽通過(guò)旁路閥門(mén)排入冷凝器，反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)逐步將堆功率穩(wěn)定在30%FP左右，汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)此時(shí)作為其負(fù)載。

對(duì)比兩種切機(jī)方案，方案一存在將電網(wǎng)負(fù)荷切換至廠用電負(fù)荷的過(guò)程，而目前核電機(jī)組切換至帶廠用電運(yùn)行的不成功率較高（據(jù)法國(guó)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，不成功的概率為13%），當(dāng)切換不成功時(shí)，部分負(fù)荷自動(dòng)切換至輔助電源，但一回路主冷卻劑泵將失電進(jìn)而導(dǎo)致核反應(yīng)堆緊急停堆，汽輪發(fā)電機(jī)組和系統(tǒng)解列，反應(yīng)堆的冷卻從原來(lái)的強(qiáng)迫循環(huán)冷卻轉(zhuǎn)為自然循環(huán)冷卻，直至1h后才利用輔助電源啟動(dòng)一臺(tái)主泵以維持一回路冷卻劑循環(huán)，因此產(chǎn)生后果較為嚴(yán)重；方案二則直接由高壓電網(wǎng)帶廠用負(fù)荷，無(wú)切換時(shí)間，可靠性較高，可避免由于供電不成功引起的反應(yīng)堆停堆現(xiàn)象。

因此，推薦采用跳核電出口斷路器（GCB）的方案作為切除核電機(jī)組的實(shí)現(xiàn)措施。

2 安穩(wěn)裝置安全影響分析

2.1 安穩(wěn)裝置對(duì)核電站安全的分析

2.1.1 切機(jī)對(duì)核電站的影響

電網(wǎng)發(fā)生故障后，若采取切除核電機(jī)組的安穩(wěn)措施，則核電機(jī)組自動(dòng)與電網(wǎng)解列并轉(zhuǎn)為帶廠用電負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)這一暫態(tài)結(jié)束后，汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速將被調(diào)整到3000r/min，為機(jī)組的重新并網(wǎng)做好準(zhǔn)備，同時(shí)調(diào)整廠用電的參數(shù)（頻率、電壓）。如果電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)間小于規(guī)定時(shí)間，機(jī)組可以維持在這一狀態(tài)，等待重新并網(wǎng)，否則應(yīng)根據(jù)技術(shù)規(guī)范的規(guī)定向后備狀態(tài)過(guò)渡。

由于核電站反應(yīng)堆、熱力和動(dòng)力設(shè)備響應(yīng)慢，在電力系統(tǒng)故障能迅速清除的情況下，如果電網(wǎng)能保持穩(wěn)定運(yùn)行，且核電站控制系統(tǒng)正確動(dòng)作，核電廠能承受由電網(wǎng)引起的較大擾動(dòng)，那么此時(shí)核電機(jī)組能聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。

2.1.2 緊急降出力對(duì)核電站的影響

為增加機(jī)組應(yīng)對(duì)各種瞬態(tài)的裕度，機(jī)組設(shè)計(jì)上已滿足在負(fù)荷階躍變化±10%FP或線性變化±5%FP/min的情況下，依靠自動(dòng)調(diào)節(jié)可使機(jī)組保持穩(wěn)定運(yùn)行而一、二回路各安全保護(hù)設(shè)施不動(dòng)作。因此在電網(wǎng)事故情況下，核電機(jī)組有能力作為事故備用容量緊急增減出力。

2.1.3 對(duì)常規(guī)島設(shè)備的影響

經(jīng)參考秦山二廠安穩(wěn)裝置可知，安穩(wěn)裝置通過(guò)將保護(hù)信號(hào)發(fā)送到汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)（ETS），動(dòng)作于關(guān)閉汽輪機(jī)主汽門(mén)，調(diào)門(mén)，再熱主汽門(mén)，再熱調(diào)門(mén)，迅速將沖動(dòng)汽源切除，隨后發(fā)電機(jī)正向低功率保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出口斷路器跳閘，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的分離。

2.1.4 海南核電汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)備技術(shù)要求

從汽機(jī)安全角度分析，海南核電兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)允許負(fù)荷驟降到廠用負(fù)荷，但為了設(shè)備安全考慮，瞬態(tài)變化不應(yīng)超過(guò)200次。

2.1.5 小結(jié)

目前考慮的控制裝置切機(jī)的方式對(duì)于機(jī)組的整體影響，就安全分析而言等同于汽輪機(jī)故障停運(yùn)瞬態(tài)事件。汽輪機(jī)故障或事故停運(yùn)作為中等頻率設(shè)計(jì)瞬態(tài)，參考電廠（秦山二廠）在機(jī)組調(diào)試期間已經(jīng)通過(guò)瞬態(tài)試驗(yàn)（停機(jī)不停堆試驗(yàn)）得到驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：在該設(shè)計(jì)瞬態(tài)下，依靠機(jī)組現(xiàn)有配置能夠?qū)C(jī)組帶到安全穩(wěn)定運(yùn)行工況。

秦山二廠在異常情況下跳開(kāi)汽輪發(fā)電機(jī)組方案已經(jīng)經(jīng)過(guò)秦山二廠的設(shè)計(jì)單位認(rèn)可。海南核電也應(yīng)和設(shè)計(jì)單位確認(rèn)，并編制安全分析報(bào)告，以備核安全局審批。

2.2 需要考慮的問(wèn)題

2.2.1 安穩(wěn)裝置的可靠性分析

可靠性是指裝置該動(dòng)作時(shí)動(dòng)作（信賴性），不該動(dòng)作時(shí)不動(dòng)作（安全性）。該動(dòng)作時(shí)不動(dòng)作為拒動(dòng)，不該動(dòng)作時(shí)動(dòng)作為誤動(dòng)。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的穩(wěn)定破壞事故是擾動(dòng)沖擊的積累，受到諸多因素的影響，正確地預(yù)測(cè)穩(wěn)定破壞并緊急控制使之維持穩(wěn)定運(yùn)行是一件難度極大的工作。

解決辦法：

（1）防拒動(dòng)配置：軟硬件上獨(dú)立的A/B列雙冗余配置，任何一套裝置動(dòng)作出口跳機(jī)。

（2）防誤動(dòng)配置：每列裝置配備大功率繼電器，避免單一元件故障觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，以及電纜信號(hào)干擾觸發(fā)保護(hù)。

2.2.2 安穩(wěn)裝置切機(jī)是否合理

由于核電機(jī)組不同于火電機(jī)組，緊急停堆對(duì)于核電機(jī)組來(lái)說(shuō)，在其生命壽期內(nèi)有一定的限制。所以在保證安全的前提下，盡可能減少因停機(jī)而導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆。

切機(jī)的基本原則應(yīng)該是保證廠用電的可靠性。所以在“選跳”的情況下可以直接切除汽輪發(fā)電機(jī)組，在“全跳”的情況下只切除主變高壓側(cè)斷路器，機(jī)組降負(fù)荷到廠用電運(yùn)行模式，保證廠用電不會(huì)斷電，從而維持一回路的正常運(yùn)行。

2.2.3 安穩(wěn)裝置的適應(yīng)性

適應(yīng)性是指能適應(yīng)不同電力系統(tǒng)及其發(fā)展和不同控制要求兩個(gè)方面。就海南核電而言，為節(jié)省投資和長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，安穩(wěn)裝置應(yīng)為3、4號(hào)機(jī)組留有升級(jí)空間。

3 結(jié)論

安穩(wěn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在預(yù)計(jì)的電網(wǎng)故障情況下切除輸出負(fù)荷的功能，進(jìn)一步提升電站接入系統(tǒng)供電的可靠性。考慮海南電網(wǎng)“大機(jī)小網(wǎng)”問(wèn)題，且核電機(jī)組與火電機(jī)組的差異，還需設(shè)計(jì)院進(jìn)一步優(yōu)化控制策略，提高安穩(wěn)裝置自身穩(wěn)定性，在保證安全的前提下盡可能不切或少切核電機(jī)組、避免誤切核電機(jī)組，維持核電的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李寶興.電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制的分析與展望[J].

[2]大型壓水堆核電機(jī)組與電網(wǎng)相互影響機(jī)制的研究[J].

[責(zé)任編輯：許麗]