核電廠核島應(yīng)急母線配電方案分析與優(yōu)化

紀(jì)秀艷，李 青，劉愛芬

（1.華龍國(guó)際核電技術(shù)有限公司，北京 100036；2.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

核電廠電源系統(tǒng)包括廠外主電源、廠外輔助電源、主發(fā)電機(jī)電源、廠內(nèi)電源，目前各核電廠內(nèi)電源配置多樣，雖能滿足核電廠電源系統(tǒng)基本要求及安全要求，但經(jīng)濟(jì)性方面卻有待進(jìn)一步提高。本文以能動(dòng)與非能動(dòng)結(jié)合的安全系統(tǒng)雙堆機(jī)組核電廠（以下簡(jiǎn)稱核電廠）為例，通過對(duì)比分析現(xiàn)有各核電廠廠內(nèi)電源配置在滿足基本要求及安全要求前提下，核島應(yīng)急母線配電方案可進(jìn)一步優(yōu)化的部分，并結(jié)合本文第一作者專利技術(shù)的結(jié)論[1]，結(jié)合文獻(xiàn)[2-6]的設(shè)計(jì)分析思路及分析方法對(duì)核島應(yīng)急母線配電方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使核電廠電源系統(tǒng)滿足基本要求的同時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)化核島應(yīng)急母線配電方案，減少核電廠電源系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施，提高工程的經(jīng)濟(jì)性。

1 核電廠電源系統(tǒng)基本概況及安全等級(jí)

1.1 基本概況

核電廠廠外主電源由廠外輸電線路提供，廠用設(shè)備由接于發(fā)電機(jī)斷路器與主變壓器之間的廠用工作變壓器供電，在單元機(jī)組停運(yùn)期間，廠外主電源仍可對(duì)廠用設(shè)備供電；廠外輔助電源由一路與電廠送出輸電線路無關(guān)的廠外線路以及由該線路并聯(lián)供電的兩臺(tái)輔助變壓器組成[7]。變壓器二次側(cè)與兩臺(tái)單元機(jī)組的接有常備廠用設(shè)備的配電盤連接；當(dāng)主發(fā)電機(jī)達(dá)到并網(wǎng)前所要求的電壓和頻率時(shí)，閉合發(fā)電機(jī)出口斷路器，使機(jī)組與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，廠用設(shè)備由主發(fā)電機(jī)電源[7]經(jīng)高壓廠用工作變壓器供電，同時(shí)經(jīng)主變壓器向電網(wǎng)輸出電能。廠內(nèi)交流電源系統(tǒng)包括應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組（失去廠外電源及主發(fā)電機(jī)電源后的廠內(nèi)備用電源）、全廠斷電工況柴油發(fā)電機(jī)組（失去廠外電源、主發(fā)電機(jī)電源室及應(yīng)急柴油發(fā)電后的廠內(nèi)備用電源）等，以在任何預(yù)計(jì)運(yùn)行事件、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故、設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況下喪失主發(fā)電機(jī)電源及廠外電源時(shí)提供必要的電力供應(yīng)。全廠斷電工況柴油發(fā)電機(jī)組與應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組相互獨(dú)立并進(jìn)行實(shí)體隔離。

1.2 安全等級(jí)

廠內(nèi)電源需滿足相應(yīng)的安全要求。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組及配套設(shè)施安全分級(jí)為F-SC1 級(jí)，抗震分類為抗震I 類[8-9]；應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組及配套設(shè)施分別安裝于實(shí)體隔離的安全廠房?jī)?nèi)，防止共模故障的發(fā)生；全廠斷電工況柴油發(fā)電機(jī)組及配套設(shè)施[10]安全分級(jí)為F-SC3級(jí)，抗震分類為抗震I類；附加柴油發(fā)電機(jī)組及配套設(shè)施[10]安全分級(jí)為NC級(jí)，廠區(qū)附加柴油發(fā)電機(jī)組的廠房抗震分類為抗震III類。

2 現(xiàn)有典型核電廠核島應(yīng)急母線配電方案

2.1 應(yīng)急母線配電方案簡(jiǎn)介

2.1.1 核電廠1

核電廠1核島應(yīng)急中壓母線配電方案系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 核電廠1核島應(yīng)急中壓母線配電方案系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of nuclear island emergency medium voltage busbar distribution scheme system for nuclear power plant 1

核電廠1 廠外主電源由500 kV 電網(wǎng)提供，廠外輔助電源由220 kV電網(wǎng)提供，每個(gè)單元機(jī)組設(shè)有兩臺(tái)獨(dú)立的能自動(dòng)啟動(dòng)的10 kV 應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，通過1EMA、1EMB 分別向1 號(hào)A 應(yīng)急柴油機(jī)、1 號(hào)B應(yīng)急柴油機(jī)連接的10 kV 母線供電，通過2EMA、2EMB 分別向2 號(hào)A 應(yīng)急柴油機(jī)、2 號(hào)B 應(yīng)急柴油機(jī)連接的10 kV 母線供電，在電廠運(yùn)行中起到在全廠斷電工況下為電源恢復(fù)提供時(shí)間窗口；為應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)計(jì)劃性維修與糾正性維修延長(zhǎng)維修時(shí)間（發(fā)電廠正常運(yùn)行工況）等作用。設(shè)置專用供電母線用于附加柴油發(fā)電機(jī)的接入及廠內(nèi)機(jī)組應(yīng)急母線的送出，為單電源進(jìn)線結(jié)構(gòu)[1]。每一單元機(jī)組設(shè)有兩臺(tái)1000 kW 的400 V 全廠斷電工況柴油發(fā)電機(jī)組，兩臺(tái)400 V 全廠斷電工況柴油發(fā)電機(jī)組（一用一備），當(dāng)核電廠喪失廠外500 kV主電網(wǎng)、220 kV輔助電網(wǎng)、主發(fā)電機(jī)以及廠內(nèi)10 kV 應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)，啟動(dòng)全廠斷電工況柴油發(fā)電機(jī)組向400 V 應(yīng)急母線供電。

2.1.2 核電廠2

核電廠2核島應(yīng)急中壓母線配電方案系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 核電廠2核島應(yīng)急中壓母線配電方案系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of nuclear island emergency medium voltage busbar distribution scheme system for nuclear power plant 2

核電廠2 廠外主電源由500 kV 電網(wǎng)提供，廠外輔助電源由220 kV 電網(wǎng)提供，每個(gè)單元機(jī)組設(shè)3 臺(tái)獨(dú)立的能自動(dòng)啟動(dòng)的10 kV 應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組可保證向冗余設(shè)置的安全級(jí)廠用設(shè)備的一個(gè)獨(dú)立系列（A 列、B 列、C 列）供電[8]。每個(gè)單元機(jī)組設(shè)1 臺(tái)10 kV 全廠斷電工況柴油發(fā)電機(jī)組，當(dāng)電廠喪失全部廠內(nèi)、廠外電源后，啟動(dòng)全廠斷電工況柴油發(fā)電機(jī)組向10 kV應(yīng)急母線供電。

2.2 應(yīng)急母線配電方案對(duì)比分析

現(xiàn)有典型核電廠核島應(yīng)急母線配電方案的主要差異在于安全級(jí)柴油發(fā)電機(jī)組、全廠斷電工況柴油發(fā)電機(jī)組、附加柴油發(fā)電機(jī)組的配置不同。核電廠1、核電廠2的應(yīng)急母線電氣設(shè)備配置見表1。

表1 應(yīng)急母線電氣設(shè)備配置Tab.1 Emergency bus electrical equipment configuration

由表1 可知，核電廠2 廠內(nèi)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的數(shù)量較核電廠1多1臺(tái)，配套設(shè)施也相應(yīng)增加，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組及配套設(shè)施安全分級(jí)為F-SC1 級(jí)，抗震分類為抗震I 類，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組及配套設(shè)施分別安裝于實(shí)體隔離的安全廠房?jī)?nèi)，而附加柴油發(fā)電機(jī)組，安全分級(jí)為NC級(jí)，廠區(qū)附加柴油發(fā)電機(jī)組的廠房為抗震III類，由于柴油發(fā)電機(jī)組及配套設(shè)施的安全分級(jí)不同，使得應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組比同容量的附加柴油發(fā)電機(jī)組造價(jià)高，核電廠1 配置了2 臺(tái)400 V 容量為1000 kW 的全廠斷電工況柴油發(fā)電機(jī)組，核電廠2配置1臺(tái)10 kV容量為4100 kW的全廠斷電工況柴油發(fā)電機(jī)組，由于柴油發(fā)電機(jī)組電壓等級(jí)和容量的不同，使得核電廠2 全廠斷電工況柴油發(fā)電機(jī)組造價(jià)高于核電廠1。通過對(duì)比可知，在滿足核電廠運(yùn)行安全性和可靠性的基礎(chǔ)上，核電廠1的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于核電廠2。

核電廠1方案配置的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組是為了配合安全系統(tǒng)所必需的[11-15]，為了保證核電廠的運(yùn)行安全性和可靠性，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的數(shù)量及安全級(jí)別等均無法優(yōu)化。根據(jù)前述核電廠1方案配置的10 kV 廠區(qū)附加柴油發(fā)電機(jī)組的作用，廠區(qū)附加柴油發(fā)電機(jī)不作為應(yīng)對(duì)全廠斷電工況的安全設(shè)施，僅作為額外增加手段，取消廠區(qū)附加柴油發(fā)電機(jī)不會(huì)造成電廠縱深防御體系的降低。但如果取消廠區(qū)附加柴油發(fā)電機(jī)，目前的配電系統(tǒng)將無法保證為應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)計(jì)劃性維修與糾正性維修延長(zhǎng)維修時(shí)間窗口。因此，要在取消附加柴油發(fā)電機(jī)組的同時(shí)，保證為應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)計(jì)劃性維修與糾正性維修延長(zhǎng)維修時(shí)間窗口，需要提高應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)所帶應(yīng)急中壓母線的供電可靠性。

3 核電廠核島應(yīng)急母線配電方案優(yōu)化分析

3.1 優(yōu)化方案及注意事項(xiàng)

對(duì)于雙堆機(jī)組核電廠，可將1 臺(tái)單元機(jī)組的主發(fā)電機(jī)組視為另1臺(tái)單元機(jī)組的一路應(yīng)急中壓母線的補(bǔ)充電源，設(shè)置專用中壓供電母線[1]，兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)組對(duì)應(yīng)的10 kV供電母線分別配置1條出線回路,為專用備用母線段供電，以達(dá)到替代廠區(qū)附加柴油發(fā)電機(jī)的作用[1]。為滿足文獻(xiàn)[8]中電源可靠性的設(shè)計(jì)要求，需注意以下幾點(diǎn)[16-18]。

（1）專用供電母線僅可為雙堆核電廠4臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組中的其中1臺(tái)計(jì)劃性維修及糾正性維修延長(zhǎng)維修時(shí)間窗口提供備用電源，不能同時(shí)為2臺(tái)及2臺(tái)以上應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)提供備用電源。

（2）設(shè)置專用供電母線饋線斷路器之間的電氣或機(jī)械聯(lián)鎖，當(dāng)1臺(tái)饋線斷路器閉合時(shí)，其他斷路器均應(yīng)斷開，以保證1 臺(tái)機(jī)組或另1 個(gè)安全序列故障時(shí)，不影響另1 臺(tái)機(jī)組或另1 個(gè)安全序列安全可靠運(yùn)行。

（3）專用供電母線饋線斷路器與應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)線電源斷路器之間也應(yīng)設(shè)置電氣或機(jī)械聯(lián)鎖，使2臺(tái)斷路器不同時(shí)處于合位，以避免應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。

（4）專用供電母線兩進(jìn)線斷路器之間也應(yīng)設(shè)置電氣或機(jī)械聯(lián)鎖，使兩臺(tái)斷路器不同時(shí)處于合位，以避免機(jī)組電源之間互相影響。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

核電廠1 設(shè)置2 臺(tái)互為備用全廠斷電工況柴油發(fā)電機(jī)組，分別接入應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)供電的相應(yīng)應(yīng)急母線上為全廠斷電工況用電負(fù)荷供電。核電廠2設(shè)置1 臺(tái)全廠斷電工況柴油發(fā)電機(jī)組，A 列應(yīng)急母線和B列應(yīng)急母線之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)為全廠斷電工況用電負(fù)荷供電。為提高工程經(jīng)濟(jì)性，核電廠優(yōu)化后，全廠斷電工況柴油發(fā)電機(jī)組按照核電廠2設(shè)置。

基于上述分析，對(duì)核電廠核島應(yīng)急中壓母線配電方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖3 所示。核電廠核島應(yīng)急母線配電方案優(yōu)化后的主要電氣設(shè)備優(yōu)化配置如表2所示。

圖3 核島應(yīng)急中壓母線配電方案優(yōu)化后系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of system after optimization of the emergency medium voltage bus distribution scheme for nuclear island

表2 主要應(yīng)急母線電氣設(shè)備的優(yōu)化配置Tab.2 Optimized configuration of main emergency bus electrical equipment

根據(jù)表2，優(yōu)化后核電廠降低了發(fā)電機(jī)及配電設(shè)備的采購(gòu)成本，減少了廠房的建設(shè)面積，同時(shí)也降低了相應(yīng)的施工及運(yùn)行維護(hù)成本，經(jīng)初步估算，優(yōu)化后核電廠較核電廠1 將節(jié)省成本4000～4500 萬元。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

經(jīng)過現(xiàn)有核電廠核島應(yīng)急母線配電方案調(diào)研分析，對(duì)現(xiàn)有核電廠核島應(yīng)急母線供電電源進(jìn)行對(duì)比分析，在保證應(yīng)急母線供電安全可靠的條件下，可只配置2 臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，由于應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組為安全級(jí)設(shè)備，減少應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組及其配套設(shè)施可顯著提高工程經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)核電廠核島應(yīng)急母線配電方案優(yōu)化分析，采用增加專用中壓供電母線及相關(guān)配電設(shè)施提高應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)所帶應(yīng)急中壓母線的供電可靠性，滿足應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)計(jì)劃性維修與糾正性維修延長(zhǎng)維修時(shí)間窗口的需求，從而替代附加柴油發(fā)電機(jī)組及其配套設(shè)施，在A列應(yīng)急母線和B列應(yīng)急母線之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)為全廠斷電工況用電負(fù)荷供電，從而減少1 臺(tái)全廠斷電工況柴油發(fā)電機(jī)組廠房及配套設(shè)施，優(yōu)化后的核電廠核島應(yīng)急母線配電方案在保證核電廠核島應(yīng)急母線供電安全性、可靠性的同時(shí)提高了工程的經(jīng)濟(jì)性。

4.2 建議

專用供電母線僅可為雙堆核電廠4臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)中的其中1臺(tái)計(jì)劃性維修與糾正性維修延長(zhǎng)維修時(shí)間窗口提供備用電源，不能同時(shí)為2 臺(tái)及2臺(tái)以上應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)提供備用電源，因此應(yīng)設(shè)置避免應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行及避免機(jī)組電源之間互相影響的聯(lián)鎖保護(hù)措施，以保證1臺(tái)機(jī)組或另1個(gè)安全序列故障時(shí)，不影響另1 臺(tái)機(jī)組或另1 個(gè)安全序列的安全可靠運(yùn)行。