秦山核電廠發(fā)電機惰走保護的改進與試驗

王東博，張 旭，錢厚軍，陳富杰，黃貴鑫，沈唯威，趙英男

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

核電廠正常運行期間，若出現(xiàn)全廠失電或主泵電源異常跳閘將引發(fā)反應堆一回路主泵轉速降低，反應堆冷卻劑流量下滑，反應堆堆芯熱量無法及時導出，燃料棒溫度將持續(xù)升高，因此引發(fā)反應堆冷卻劑溫度進一步升高，反應堆壓力容器壓力升高，若無進一步干預措施，將引起燃料包殼燒毀，堆芯熔化等重大核安全事故。因此維持主泵的正常運轉在核電廠運行中具有重大意義。秦山核電廠在發(fā)變組保護模塊中設計了特有的發(fā)電機惰走保護，保障在事故狀態(tài)時汽輪機主汽門關閉狀況下汽輪發(fā)電機仍可利用剩余慣性惰走能量保障主泵供電，直至電壓、頻率等不滿足主泵運行條件后切除發(fā)電機，改用其他方式帶廠用電運行，從而延長主泵等負荷冷卻反應堆的時間。2018年秦山核電廠OT-118大修中對發(fā)變組保護進行變更改造，本次改造優(yōu)化了發(fā)電機惰走保護，提高了保護的可靠性和選擇性。

秦山核電廠一次系統(tǒng)主接線圖如圖1所示。

圖1 秦山核電廠一次系統(tǒng)主接線圖Fig.1 The main wiring of the primary system of Qinshan NPP

其中2P59線和2428線為電廠送出線路，當電網異常波動或外線路故障導致兩條出線均跳閘，或出線開關2001M異常跳閘時，汽輪機(Digital Electric Hydraulic Control System，簡稱DEH，是汽輪機數字電液控制系統(tǒng)，通過控制汽輪機主汽門和調門的開度，實現(xiàn)對汽輪發(fā)電機組的負荷、壓力、轉速等的控制)根據機組運行條件判別邏輯，此時DEH由負荷控制模式切換至轉速控制模式，DEH迅速調節(jié)汽輪機主汽門位置，如果由于主給水調節(jié)閥調節(jié)異常導致蒸發(fā)器水位過高停機或蒸發(fā)器水位過低停堆，或在甩負荷瞬態(tài)下汽輪機轉速達3090 r/min時，OPC汽輪機超速保護控制單元(Over speed Protect Controller,簡稱OPC)未動作或在汽輪機轉速3300 r/min時電超速保護未動作，導致汽輪機超速引發(fā)停機，則發(fā)變組保護啟動惰走保護。

秦山核電廠快切裝置為雙套配置，每套裝置含有兩種不同切換方式，可根據運行要求進行切換方式的選擇。其一為605/603,606/604自動切換方式，跳開工作段進線開關605/606，合上啟備變進線開關603/604，即全切模式。其二為630/603,640/604自動切換模式，跳開工作段和公用段聯(lián)絡開關630/640，合上啟備變進線開關603/604，即半切模式，目前本廠正常運行條件下采用此種切換方式。

1 原惰走保護分析

1.1 1987年發(fā)電機惰走保護分析

1987年秦山核電廠主接線圖與圖1基本一致，但運行方式有所不同。6 kV廠用電工作I、II段由高壓廠變帶載運行，6 kV公用I、II段，安全I、II段由高壓啟備變帶載運行，其中工作段、公用段聯(lián)絡開關630、640在熱備用狀態(tài)，兩臺220 kV變壓器分列運行。根據惰走保護邏輯圖(圖2)所示， 在220 kV母線低電壓，停堆或停機信號，且發(fā)電機未出現(xiàn)逆功率的條件下，惰走保護啟動，此時跳出口斷路器2001M，同時閉鎖快切。此時快切采用半切模式(斷開工作段進線開關605/606，合上聯(lián)絡開關630/640)。

圖2 惰走保護邏輯圖Fig.2 The logic of generator coasting operation protection

故障狀態(tài)下，發(fā)電機惰走保護啟動閉鎖快切，保障發(fā)電機惰走能量全部供給至工作段負荷，保障主泵的持續(xù)運行。待發(fā)電機頻率低于46 Hz后，發(fā)電機解列，同時跳開工作段進線開關。由此可得出結論：在該運行條件下，惰走保護邏輯合理。

1.2 2003年發(fā)電機惰走保護分析

2003年發(fā)變組保護由電磁式保護改為微機式保護ABB RET521型，其中惰走保護啟動沿用1987年邏輯，即在惰走開始啟動時閉鎖快切。但2003年發(fā)變組改造時，秦山核電廠廠用電運行方式已發(fā)生改變，正常運行時，公用I、II段進線開關603/604在熱備用狀態(tài)，公用I、II段由工作段母線經聯(lián)絡開關630/640帶載運行。此時發(fā)生故障，惰走啟動即閉鎖快切，將造成發(fā)電機在惰走期間同時帶工作段、公用段、安全段全部負荷運行，由于喪失汽輪機動力，發(fā)電機轉速將持續(xù)下降，電能質量下降，電壓及頻率均降低，直接影響下游負荷的正常運行。低電壓情況下，將造成海水泵、安注泵、噴淋泵等負荷無法正常啟動。影響機組的安全穩(wěn)定運行。待惰走結束后，發(fā)變組保護跳開出口斷路器2001B并解列滅磁，同時待運行人員手動復歸快切裝置后，快切恢復正常工作狀態(tài)，檢測工作段電壓低于定值后，啟動切換，斷開630/640聯(lián)絡開關，合上603/604開關，公用段由啟備變帶載運行；若啟備變不可用，快切將閉鎖切換功能，由應急柴油發(fā)電機提供廠用電源。

在發(fā)電機惰走期間，保護已閉鎖快切，快切裝置需要運行人員手動復歸才可正常工作。惰走結束后發(fā)電機解列滅磁，若此時運行人員未能及時復歸快切裝置，將造成全廠失電的重大停電事故。公用段母線電壓跌至2.4 kV時，將引起公用段負荷低電壓保護跳閘。安全段電壓跌至4.41 kV時，將引起柴油機發(fā)電機應急啟動，若此時發(fā)電機尚在惰走狀態(tài)時，將引發(fā)發(fā)電機逆功率等故障，直至應急柴油發(fā)電機過載導致跳閘，引起事故進一步擴大。由此可發(fā)現(xiàn)，在這種運行方式下，惰走保護邏輯不合理。

2 惰走保護邏輯的改進

針對原惰走保護邏輯，對新保護邏輯進行優(yōu)化，如圖3所示。

圖3 新惰走保護邏輯圖Fig.3 The new logic of generator coasting operation protection

(1)增加孤島運行模式。將2001M和2001B開關雙位置接點(一組常開，一組常閉)分別引入至保護裝置，在確保2001M正確分閘，2001B正確合閘條件下，機組進入孤島模式，即發(fā)電機甩開外電網，僅帶廠用電運行。若發(fā)電機能夠維持住3000 r/min，機端電壓維持在18 kV，可待廠外電源恢復或消除外線路故障后，通過同期裝置合閘2001M開關，從而恢復正常并網運行模式。孤島運行模式設置單獨光子牌，以便提醒運行操作人員的正確操作。

(2)入口條件優(yōu)化。相較于2003年惰走保護，原邏輯增加孤島運行狀態(tài)，確保在機組進入孤島運行方式后，出現(xiàn)停機/停堆信號，且未發(fā)生發(fā)電機逆功率條件下，啟動發(fā)電機惰走保護開始邏輯。提高惰走保護的可靠性，降低保護誤動概率。

(3)出口方式優(yōu)化。將原出口方式“閉鎖快切”變更為“啟動快切”，發(fā)電機進入惰走狀態(tài)時，發(fā)電機是不可靠的，發(fā)電機僅需要以惰走能量帶工作段主泵運行即可，同時發(fā)變組保護裝置觸發(fā)啟動快切信號，若此時啟備變正常，將根據快切裝置切換邏輯把除工作段以外其他負荷全部切至啟備變帶載運行；若此時啟備變異常(由快切裝置邏輯判斷)，則閉鎖快切切換邏輯，此時將由核電廠專設邏輯根據安全段電壓情況判斷是否觸發(fā)“失電”邏輯，后續(xù)將啟動應急柴油發(fā)電機，由應急柴油發(fā)電機帶安全段運行，確保反應堆安全。

(4)惰走結束跳閘出口優(yōu)化。惰走結束后，增加跳工作段進線開關605/606，降低運行風險。

3 同類型電廠保護分析

1991年，作為中國向國外出口的第一座核電站，巴基斯坦恰?，敽穗姀S1～4號機組中發(fā)電機惰走保護采用的保護邏輯與1987年秦山核電廠基本一致。由恰?，敽穗姀S一次主接線圖4(以2號機組為例，其他機組類同)中由惰走保護邏輯圖5可分析，當220 kV、132 kV系統(tǒng)均出現(xiàn)故障，且發(fā)電機惰走保護啟動時，保護將閉鎖廠用電源切換。由于外電網均已不可靠，僅由發(fā)電機惰走慣量給廠內負荷供電，保障主泵的運行，并在發(fā)電機頻率低于45 Hz條件下跳開GCB(Generator Circuit-Breaker發(fā)電機出口斷路器)，由應急柴油發(fā)電機向廠內負荷提供電源。

圖4 恰希瑪C-2核電廠主接線圖Fig.4 The main wiring of the primary system of CHASNUPP 2

圖5 恰?，擟-2核電廠惰走保護邏輯圖Fig.5 The logic of generator coasting operation protection in CHASNUPP 2

快切保護邏輯中，若工作電源與備用電源均發(fā)生故障，則快切保護將自動閉鎖切換，并于備用電源恢復時自動解除閉鎖。若132 kV輔助變進線電源僅為瞬時故障，此時發(fā)電機已經開始惰走條件下，惰走保護閉鎖快切，即在快切本可正常進行切換時而無法進行廠用電切換(保護閉鎖快切需手動復歸，所需時間較長)，這將給機組帶來一定的運行隱患。因此在現(xiàn)有保護邏輯下，無需保護出口閉鎖快切，由快切裝置自身邏輯判斷即可。220 kV系統(tǒng)和132 kV系統(tǒng)故障時，快切裝置啟動閉鎖邏輯，發(fā)電機惰走開始，若132 kV系統(tǒng)未在發(fā)電機惰走期間恢復，即可在惰走結束后跳開GCB開關解列滅磁，若132 kV系統(tǒng)在發(fā)電機惰走期間恢復，即可正常啟動快切邏輯，保障廠用電負荷的正常運行。

4 發(fā)電機甩廠外負荷試驗

改造后，秦山核電廠在啟機后分別在50%、100%功率平臺進行發(fā)電機甩廠外負荷試驗。在功率平臺下，運行人員將調節(jié)棒T4控制在高位，確認DEH上IMP、MW信號正確后，手動斷開2001M出線開關，汽輪機DEH迅速調節(jié)主汽門位置，調門開度下降至8.4(50%FP)、9.4(100%FP)，發(fā)電機轉速控制在3000 r/min并保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)汽機超速現(xiàn)象。主控室報“孤島模式”運行，AVR迅速調節(jié)發(fā)電機機端電壓，使其穩(wěn)定在18 kV，發(fā)電機帶廠用電正常運行，未發(fā)生發(fā)電機惰走情況，發(fā)變組保護響應正確。

5 結 論

本文通過對歷次發(fā)電機惰走保護的改造進行總結并分析，在此基礎上提出一種新的惰走保護邏輯，并于改造中驗證，滿足當前運行條件，貫徹了核電廠縱深防御安全管理及技術理念。同時分析同類型電廠惰走保護邏輯，提出設計優(yōu)化方案。針對于其他核電廠的不同類型的運行方式，需要進行更進一步理論分析和驗證。