核電站失去廠外交流電源后二回路重要系統(tǒng)的狀態(tài)控制研究

高 賡 王聲學(xué)

核電站失去廠外交流電源后二回路重要系統(tǒng)的狀態(tài)控制研究

高 賡 王聲學(xué)

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000）

失去廠外交流電源屬于核電機(jī)組設(shè)計(jì)中的預(yù)期運(yùn)行事件，在進(jìn)行事故處理時(shí)，明確操縱員的關(guān)注點(diǎn)將對(duì)機(jī)組向安全穩(wěn)定狀態(tài)過渡起到積極作用。本文以田灣核電站二期工程為例，針對(duì)該事故工況下二回路相關(guān)的蒸汽發(fā)生器供水及汽輪發(fā)電機(jī)安全停運(yùn)等重要關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行研究，通過分析系統(tǒng)在自動(dòng)動(dòng)作和操縱員手動(dòng)干預(yù)過程中可能出現(xiàn)的問題，給出解決辦法，以提高瞬態(tài)工況下的人員響應(yīng)能力，保證系統(tǒng)設(shè)備安全。

廠外交流電源；失電；二回路；事故工況；發(fā)電機(jī)

0 引言

田灣核電站二期工程采用俄羅斯第二代壓水冷卻慢化反應(yīng)堆型核電機(jī)組，考慮安全方面的重要性，廠用電源設(shè)計(jì)采用多電源冗余配置方式，廠外電源包括500kV側(cè)主電源和220kV側(cè)備用電源。廠內(nèi)廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)有正常運(yùn)行供電系統(tǒng)、正常運(yùn)行可靠供電系統(tǒng)和應(yīng)急供電系統(tǒng)。此外，為保證供電可靠性，還設(shè)計(jì)有兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組和四臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組作為廠內(nèi)電源備用，在正常運(yùn)行可靠供電系統(tǒng)和應(yīng)急供電系統(tǒng)失電的情況下投入運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)下游重要負(fù)荷的連續(xù)供電[1]。廠用電系統(tǒng)供電簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 廠用電系統(tǒng)供電簡(jiǎn)圖

核電廠中存在各種安全風(fēng)險(xiǎn)[2-5]，可能會(huì)導(dǎo)致二回路兩路廠外交流電源同時(shí)失去，從而對(duì)機(jī)組的安全系數(shù)產(chǎn)生較大影響。主給水泵的停運(yùn)會(huì)使蒸汽發(fā)生器失去正常供水，此時(shí)應(yīng)如何干預(yù)；失去廠外交流電源后常規(guī)島開式冷卻水系統(tǒng)、閉式冷卻水系統(tǒng)的停運(yùn)會(huì)導(dǎo)致油系統(tǒng)失去冷卻水的供給，在油系統(tǒng)無法長(zhǎng)久維持正常運(yùn)行工況時(shí)，應(yīng)采取哪些措施保證汽輪發(fā)電機(jī)的安全；在失電后系統(tǒng)參數(shù)和工況發(fā)生巨大變化的情況下，如何有效解決上述問題對(duì)運(yùn)行人員控制機(jī)組狀態(tài)的水平提出挑戰(zhàn)。

近年來，核電站因各種原因失去廠外交流電源的故障時(shí)有發(fā)生，如2009年田灣核電一期工程1號(hào)機(jī)組因主變故障導(dǎo)致500kV主電源失去，由于此時(shí)220kV備用電源處于檢修狀態(tài)，導(dǎo)致機(jī)組失去所有廠外交流電源；2011年田灣核電一期工程1號(hào)機(jī)組大修主變檢修期間500kV主電源處于停運(yùn)狀態(tài)，220kV備用電源投入期間因線路距離保護(hù)動(dòng)作而停運(yùn)，導(dǎo)致機(jī)組失去所有廠外交流電源。因此，研究失去廠外交流電源對(duì)相關(guān)重要負(fù)荷的影響及如何采取合理有效的控制措施減小這些影響具有重要意義。

1 失去廠外交流電源后對(duì)相關(guān)重要負(fù)荷的影響

當(dāng)核電站失去廠外交流電源時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)和應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)根據(jù)事故信號(hào)自動(dòng)起動(dòng)，分別向正常運(yùn)行可靠供電系統(tǒng)和應(yīng)急供電系統(tǒng)供電，保證核電站第一類和第二類負(fù)荷的運(yùn)行[6]。但是，對(duì)于正常運(yùn)行供電系統(tǒng)而言，無廠內(nèi)電源保證其連續(xù)運(yùn)行，這意味著由其供電的重要負(fù)荷會(huì)停止運(yùn)行。核電站重要負(fù)荷失電后的影響分析如圖2所示。

結(jié)合圖2及電站實(shí)際情況分析如下：

1）一回路主冷卻劑泵停運(yùn)后，針對(duì)如何靠蒸汽發(fā)生器的大氣釋放閥建立并維持一回路自然循環(huán)，在事故規(guī)程中已有明確的指導(dǎo)步驟。

2）凝結(jié)水泵停運(yùn)后，旁排閉鎖，二回路汽水循環(huán)停止，但只要保證應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)向除氧器正常補(bǔ)水，就可以依靠大氣釋放閥將機(jī)組轉(zhuǎn)換至熱態(tài)并保持，直到重新恢復(fù)供電。田灣核電二期工程除氧器空間大，有較大控制裕度，給予操縱員的干預(yù)時(shí)間較充裕。

3）循環(huán)水泵及真空泵停運(yùn)，將導(dǎo)致凝汽器真空下降。操縱員需關(guān)注疏水的切換，以及軸封蒸汽的及時(shí)停運(yùn)，此類操作在二回路系統(tǒng)停運(yùn)操作單及失電后的事故規(guī)程中均已做出明確指導(dǎo)。

圖2 核電站重要負(fù)荷失電后的影響分析

4）主給水泵停運(yùn)后如何保證蒸汽發(fā)生器的供水，關(guān)系著一回路熱量如何可靠地通過二回路導(dǎo)出；如何保證油系統(tǒng)在失去冷源后可靠運(yùn)行，關(guān)系著汽輪發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。上述問題需要操縱員在失去廠外交流電源工況下立即給予重點(diǎn)關(guān)注，但未在事故規(guī)程中給出明確干預(yù)手段，需要進(jìn)一步研究。

2 失去廠外交流電源工況下二回路重要系統(tǒng)的狀態(tài)控制

2.1 蒸汽發(fā)生器供水控制

對(duì)于核電站而言，任何情況下堆芯熱量的導(dǎo)出都被認(rèn)為是首要任務(wù)。蒸汽發(fā)生器作為冷源，保證其正常給水尤為重要。失去廠外交流電源后，由于主給水泵全部失去，此時(shí)蒸汽發(fā)生器的給水由輔助給水系統(tǒng)保證，輔助給水泵根據(jù)柴油機(jī)分級(jí)帶載命令自動(dòng)起動(dòng)，但必須密切關(guān)注其運(yùn)行狀況。在該事故工況下，往往需要操縱員手動(dòng)干預(yù)才能保證輔助給水泵向蒸汽發(fā)生器供水的有效性。

在反應(yīng)堆停堆后，由于堆芯燃料存在衰變熱，停堆后的衰變熱與反應(yīng)堆停堆前運(yùn)行功率及停堆時(shí)間相關(guān)。最終的安全分析報(bào)告中給出了事故分析時(shí)采用的衰變熱曲線。根據(jù)停堆后所需給水流量曲線，按照每臺(tái)蒸汽發(fā)生器75m3的蓄水量估算，約1 500s（25min）蒸汽發(fā)生器液位將從2.4m下降至1.5m。停堆后給水流量曲線如圖3所示。

在發(fā)生失去廠外交流電源事故后，輔助給水泵根據(jù)機(jī)組柴油機(jī)分級(jí)帶載信號(hào)起動(dòng)后，操縱員應(yīng)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)作情況及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，在25min內(nèi)確保輔助給水泵能向蒸汽發(fā)生器正常供水，避免蒸汽發(fā)生器應(yīng)急補(bǔ)水系統(tǒng)動(dòng)作。失去廠外交流電源后蒸汽發(fā)生器供水流程如圖4所示。

圖3 停堆后給水流量曲線

圖4 失去廠外交流電源后蒸汽發(fā)生器供水流程

為了能對(duì)可能出現(xiàn)的任意問題給出正確的干預(yù)手段，以保證失電后蒸汽發(fā)生器供水的快速有效恢復(fù)，編制蒸汽發(fā)生器供水控制診斷流程，給予操縱員明確指導(dǎo)?；謴?fù)蒸汽發(fā)生器給水供給流程如圖5所示。

結(jié)合供水診斷流程，編制以下操作步驟指導(dǎo)操縱員恢復(fù)蒸汽發(fā)生器的給水供給：

1）檢查輔助給水泵起動(dòng)后沿再循環(huán)運(yùn)行，出口大流量電動(dòng)閥根據(jù)邏輯保護(hù)關(guān)閉，檢查其正確關(guān)閉。

2）根據(jù)出口電動(dòng)閥控制邏輯，當(dāng)輔助給水泵出口集管壓力小于6MPa時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉出口小流量電動(dòng)閥后，大流量電動(dòng)閥旁路閥門自動(dòng)打開，開始給高加后的主給水集管充壓；檢查再循環(huán)閥門根據(jù)泵出口流量自動(dòng)關(guān)小。

3）切除蒸汽發(fā)生器主輔給水調(diào)節(jié)閥切換邏輯塊，關(guān)閉主給水調(diào)節(jié)閥及輔助給水調(diào)節(jié)閥。

4）若打開大流量電動(dòng)閥旁路閥門不足以建立給水集管壓力，則手動(dòng)切除泵出口閥門控制邏輯塊，手動(dòng)打開出口小流量電動(dòng)閥向集管充壓。需要注意的是，控制邏輯塊切除，再循環(huán)閥門不會(huì)根據(jù)流量增大而自動(dòng)關(guān)小，注意同步關(guān)小再循環(huán)閥門，防止泵出現(xiàn)過載現(xiàn)象。

圖5 恢復(fù)蒸汽發(fā)生器的給水供給流程

5）給水集管壓力已建立，根據(jù)各蒸汽發(fā)生器液位，開啟輔助給水調(diào)閥開度，調(diào)整蒸汽發(fā)生器液位。

2.2 汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)狀態(tài)控制

1）可能出現(xiàn)的問題

機(jī)組失去廠外交流電源后，汽輪機(jī)保護(hù)停機(jī)主汽門關(guān)閉，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)突升后再下降，主油泵出力隨汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速有小幅上漲后開始下降，同理潤(rùn)滑油壓力也隨主油泵的出力而變化。由于二回路設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的失去，導(dǎo)致潤(rùn)滑油系統(tǒng)失去冷卻水，油溫快速升高會(huì)加快油壓下降速度。潤(rùn)滑油溫的大幅上升及潤(rùn)滑油壓的大幅下降帶來的影響是軸承回油溫度和軸承金屬溫度大幅上升。

2）控制措施及干預(yù)方法

潤(rùn)滑油系統(tǒng)的熱量來源主要是軸承中油膜與軸頸的摩擦功耗，降低這一部分熱量可以通過降低汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、減少摩擦生熱來實(shí)現(xiàn)；另外，重新建立潤(rùn)滑油壓如重新起動(dòng)盤車油泵、起動(dòng)頂軸油泵，通過增加油膜厚度減少油膜溫度的方式，也可有效降低潤(rùn)滑油系統(tǒng)的溫度[7-8]。

利用機(jī)組失去廠外交流電源試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行研究驗(yàn)證：失電后常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)停運(yùn)，隨著轉(zhuǎn)速下降潤(rùn)滑油溫會(huì)快速上升，直到柴油機(jī)分級(jí)帶載后起動(dòng)盤車油泵，油壓升高會(huì)使油膜厚度增大，潤(rùn)滑油溫會(huì)小幅下降，后續(xù)會(huì)緩慢上升，但上升幅度變小。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速下降到600r/min、頂軸油泵起動(dòng)后，潤(rùn)滑油溫仍在上升，但上升幅度比之前更加緩慢。汽輪機(jī)各軸承回油溫度及金屬溫度也是在盤車油泵起動(dòng)后下降，在頂軸油泵起動(dòng)后下降幅度會(huì)變得更大。

由此可見，在失去廠外交流電源的情況下，操縱員必須關(guān)注柴油機(jī)起動(dòng)后的分級(jí)帶載情況，以保證盤車油泵和頂軸油泵正常運(yùn)行。若油泵未根據(jù)帶載信號(hào)自動(dòng)起動(dòng)，則需盡快手動(dòng)起動(dòng)，若盤車油泵因母線未恢復(fù)供電或其他原因而起動(dòng)不成功，則應(yīng)保證兩臺(tái)頂軸油泵中的一臺(tái)可用。

2.3 發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)狀態(tài)控制

1）油氫壓差的控制

（1）可能出現(xiàn)的問題

在失去廠外交流電源后，由于密封油系統(tǒng)空側(cè)和氫側(cè)交流油泵失電停運(yùn)，油氫壓差迅速下降，雖然隨后空側(cè)油泵會(huì)根據(jù)柴油機(jī)分級(jí)帶載信號(hào)起動(dòng)，但是由于常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)停運(yùn)，密封油系統(tǒng)失去冷卻水，油溫上升、油的黏性逐漸降低，油氫壓差會(huì)逐漸降低，極有可能導(dǎo)致油氫壓差低于設(shè)計(jì)要求的發(fā)電機(jī)在額定氫壓下的最小油氫壓差20kPa。機(jī)組失去廠外交流電源后相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

（2）控制措施及干預(yù)方法

當(dāng)失電導(dǎo)致系統(tǒng)冷卻水喪失時(shí)，油溫上升導(dǎo)致油的黏性下降，對(duì)油壓造成顯著影響。此時(shí)，操縱員應(yīng)從以下兩方面進(jìn)行響應(yīng)：檢查備用油源是否正常投入；保證空側(cè)交直流油泵同時(shí)運(yùn)行。這樣就可以使油氫壓差緩慢變化并最終維持在一個(gè)穩(wěn)定值。對(duì)于空側(cè)直流油泵的切除要謹(jǐn)慎，在供電恢復(fù)之前不建議切除，防止造成油氫壓差持續(xù)降低至20kPa，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)存在氫氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)而需要進(jìn)行應(yīng)急排氫。

表1 機(jī)組失去廠外交流電源后相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2）避免消泡箱出現(xiàn)高液位報(bào)警的控制

（1）可能出現(xiàn)的問題

失去廠外交流電源后，柴油機(jī)分級(jí)帶載會(huì)先后起動(dòng)空側(cè)和氫側(cè)油泵，氫側(cè)交流油泵起動(dòng)后，隨著氫側(cè)密封油壓力提高，在空側(cè)交直流油泵同時(shí)運(yùn)行的情況下，空側(cè)油壓開始仍高于氫側(cè)油壓，空側(cè)油部分流向氫側(cè)油系統(tǒng)，再加上氫側(cè)油系統(tǒng)的回油就會(huì)造成氫側(cè)回油排不及，導(dǎo)致消泡箱液位逐漸上升，觸發(fā)消泡箱高油位報(bào)警。

操縱員可通過手動(dòng)切除空側(cè)直流油泵、降低空側(cè)密封油壓的方式來消除消泡箱高油位報(bào)警，但這會(huì)帶來的問題是：空側(cè)直流油泵停運(yùn)又會(huì)導(dǎo)致油氫壓差快速下降至出現(xiàn)油氫壓差低報(bào)警，直流油泵再次自動(dòng)起動(dòng)，又會(huì)導(dǎo)致氫側(cè)有回油不暢的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）控制措施及干預(yù)方法

為保持油氫壓差，在做好發(fā)電機(jī)降壓準(zhǔn)備之前，應(yīng)保持空側(cè)交直流油泵同時(shí)運(yùn)行，可通過兩個(gè)控制措施解決該問題：可在氫側(cè)交流油泵起動(dòng)后，通過手動(dòng)關(guān)小氫側(cè)油泵出口再循環(huán)閥門以提高氫側(cè)油壓；或通過手動(dòng)開大空側(cè)油氫壓差調(diào)節(jié)閥來降低空側(cè)油壓。這些操作需要操縱員指揮現(xiàn)場(chǎng)人員就地進(jìn)行，且需精細(xì)操作，不能大幅改變空側(cè)和氫側(cè)油壓差，因?yàn)橛捎谙到y(tǒng)冷卻水失去，油溫仍在逐漸上漲，因此空側(cè)密封油的壓力仍在逐漸降低，并且空側(cè)油的壓力變化比氫側(cè)更明顯，空側(cè)油壓力會(huì)逐漸降低至低于氫側(cè)密封油壓力，氫側(cè)回油后續(xù)會(huì)恢復(fù)正常；在氫側(cè)交流油泵根據(jù)分級(jí)帶載信號(hào)起動(dòng)后將其手動(dòng)切除，只保留空側(cè)交直流油泵運(yùn)行，密封油系統(tǒng)由雙環(huán)密封改為單環(huán)密封，只有空側(cè)油泵運(yùn)行，氫側(cè)回油只有空側(cè)的部分漏油，氫側(cè)排油能力可以滿足要求。但需注意的是，空側(cè)油系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行，在事故情況下油溫?zé)o法得到控制時(shí)，油氫壓差的下降速度可能比空、氫側(cè)油泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)要快，需重點(diǎn)關(guān)注并做好發(fā)電機(jī)降壓準(zhǔn)備。

3 結(jié)論

失去廠外交流電源對(duì)二回路意味著大部分設(shè)備停止運(yùn)行，如何較好地控制機(jī)組狀態(tài)，需要運(yùn)行人員做出及時(shí)有效的響應(yīng)。本文針對(duì)上述問題進(jìn)行了研究，并在田灣核電站二期工程進(jìn)行了應(yīng)用，結(jié)合研究及應(yīng)用情況，得到如下結(jié)論：

1）對(duì)于如何恢復(fù)蒸汽發(fā)生器的供水，根據(jù)2.1節(jié)的診斷流程和操作步驟進(jìn)行控制監(jiān)督，可為操縱員提供較好的指導(dǎo)作用。

2）汽輪機(jī)惰轉(zhuǎn)期間保證盤車油泵和頂軸油泵的可靠運(yùn)行，可有效控制并降低軸承的回油溫度及金屬溫度，對(duì)汽輪機(jī)的安全停運(yùn)有積極作用。

3）為維持油氫壓差，防止發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣泄漏，在失電期間需保持備用油源正常投入及空側(cè)交直流油泵同時(shí)運(yùn)行；同時(shí)，為了防止氫側(cè)密封油系統(tǒng)消泡箱出現(xiàn)高油位報(bào)警，需通過手動(dòng)調(diào)整空、氫側(cè)油壓差或停運(yùn)氫側(cè)油泵的方式來進(jìn)行控制。

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Study on the state control of important system in secondary circuit of nuclear power station after loss of off-site AC power supply

GAO Geng WANG Shengxue

(Jiangsu Nuclear Power Corporation, Lianyungang, Jiangsu 222000)

The loss of off-site AC power supply is an expected operation event in the design of nuclear power units. It plays a positive role in the transition of the unit to a safe and stable state when the operator’s concerns are clearly defined during the accident handling. Taking Tianwan nuclear power station phase II project as an example, this paper discusses and studies the important concerns related to the steam generator water supply and the safety outage of the turbine generator in the secondary circuit under accident condition. Through the analysis on possible problems of the system during the process of automatic action and operator manual intervention, solution are put forward to improve personnel response ability under transient conditions and ensure the safety of the system equipment.

off-site AC power supply; loss of power; secondary circuit; accident conditions; generator

2023-08-10

2023-09-04

高 賡（1985—），男，江蘇省連云港市人，本科，高級(jí)工程師，主要從事核電站運(yùn)行工作。