AP1000 反應堆冷卻劑泵“3s 供電”問題分析

嚴兆君，吳 軍，宋光耀

(1.中國電能成套設備有限公司，北京 100080;2.山東核電有限公司，山東 海陽 265116)

0 引言

在核電站一回路系統(tǒng)中，通過反應堆冷卻劑泵的運行，建立強迫循環(huán)帶出堆芯的熱量。一旦反應堆冷卻劑泵停轉，意味著冷卻劑強迫循環(huán)的失去，一回路只能靠自然循環(huán)的方式冷卻堆芯，所以一般在設計中為了延長強迫循環(huán)的時間，泵往往帶有較重的飛輪以增加轉動慣量。

AP1000 核電技術中反應堆冷卻劑泵采用屏蔽泵，相對而言其飛輪較小，亦即其轉動慣量小，泵的惰走時間短，所以為了增加冷卻劑強迫循環(huán)的時間，設計中要求在發(fā)生跳機事故時，仍有3s 時間持續(xù)給泵供電以延長泵轉動時間，幫助建立充分的自然循環(huán)條件。

根據(jù)文獻［1］的內(nèi)容，“3s 供電”問題具體要求為:

在電網(wǎng)穩(wěn)定性分析中，當電力系統(tǒng)無故障時，在汽輪機跳機后至少3s 內(nèi)，反應堆冷卻劑泵的母線電壓仍可維持在要求的定值之上，從而保證冷卻劑泵的流量不小于設計基準事故分析中假設的流量。

汽輪發(fā)電機組有足夠的轉動慣量，以保證當機組未與電網(wǎng)并列、僅帶廠用電運行時，若發(fā)生汽輪機跳機，則其惰轉持續(xù)到發(fā)電機出口斷路器斷開的時間至少為3s。

如何保證反應堆冷卻劑泵“3s 供電”同時也為國家主管部門在PSAR 審查中重點關注的問題。

本研究結合AP1000 核電電氣系統(tǒng)設計特點、設備參數(shù)及各種事故工況特性，進行分析如何滿足冷卻劑泵“3s 供電”要求，實現(xiàn)安全停堆。

1 AP1000 反應堆冷卻劑泵電氣系統(tǒng)簡介

AP1000 核電廠電氣系統(tǒng)與一般壓水堆核電廠相比，供電方式和系統(tǒng)結構不盡相同，具有其自身的特點，AP1000 反應堆冷卻劑泵電氣系統(tǒng)圖如圖1 所示。

圖1 AP1000 反應堆冷卻劑泵電氣系統(tǒng)圖

(1)輔助電源來自廠外220 kV 系統(tǒng)，廠內(nèi)500 kV和220 kV 系統(tǒng)的沒有任何電氣連接，不設置聯(lián)絡變。

(2)發(fā)電機出口設置斷路器(GCB)，能夠滿足在廠內(nèi)和廠外電力系統(tǒng)在短路事故下，正確動作、保護發(fā)電機;在電廠啟動時，斷開GCB，廠用電采用500 kV 的廠外優(yōu)先電源。

(3)廠用電系統(tǒng)按照單堆設置，堆間沒有任何電氣連接，中壓母線和低壓母線均無公用段，每臺機組配置兩臺輔助變和高廠變，輔助變?nèi)萘亢透邚S變?nèi)萘肯嗤紴?8 MVA，100%備用方式，能夠滿足核島和常規(guī)島中壓母線同時快切到不同變壓器的要求。

(4)4 臺反應堆冷卻劑泵的電源引接分別來自常規(guī)島4 段中壓母線。

(5)反應堆冷卻劑泵通過變頻器供電，變頻器的一次側輸入電壓為10.5 kV，二次側輸出電壓為6.9 kV，變頻器和反應堆冷卻劑泵之間設置兩個串聯(lián)的斷路器。

2 主要工況分析

針對AP1000 核電廠的固有特點，下面重點分析運行中幾種典型或極端的工況情況，其他運行工況可介于這類工況之間進行考慮。

2.1 “孤島運行”工況

2.1.1 工況特點

(1)發(fā)電機和外電網(wǎng)沒有任何電氣聯(lián)系，包括優(yōu)先電源和輔助電源回路均斷開。

(2)發(fā)電機帶廠用運行，汽輪發(fā)電機組電功率等于廠用電功率，額定功率約為5%～6%。(3)發(fā)電機輸出電壓、頻率隨廠用負荷的變化波動大。(4)堆功率通常維持穩(wěn)定在30%左右(不能超過旁路的容量)。

(5)蒸汽大部通過旁路排放到凝汽器。

(6)由于末級葉片在一定的低蒸汽流量下顫振、應力水平高，通常不允許汽輪機在該低負荷工況下長期運行。

此時，汽輪機跳機后將全廠停電、旁路閉鎖，然后大氣釋放閥開啟，一回路會在短時間處于絕熱加熱之下，該瞬態(tài)下要求反應堆冷卻劑泵維持足夠的冷卻劑流量，確保堆芯最小的偏離核態(tài)沸騰比(DNBR)不超標［2］。

2.1.2 工況分析

發(fā)電機不與廠外系統(tǒng)相連并帶廠用電運行時，在保護配置上，汽輪機跳機不直接引起發(fā)電機出口斷路器跳閘，而是由發(fā)電機低電壓或勵磁過流保護跳開發(fā)電機出口斷路器。

汽輪機跳機后，轉子慣性惰走，轉速降低引起發(fā)電機機端電壓降低。某AP1000 核電項目汽輪機惰轉曲線如圖2 所示?？梢钥闯?，跳機3s 后，轉速降為約額定轉速的98%。同時按照現(xiàn)有發(fā)電機自動電壓勵磁調(diào)節(jié)器性能，電源電壓在自動勵磁調(diào)節(jié)器的控制下很容易保持在85%額定電壓以上［3］。

根據(jù)電機學原理，在發(fā)電機磁極對數(shù)不變的條件下，電機轉速和電能頻率成正比關系:

發(fā)電機轉速下降2%時，電能頻率同樣下降2%，頻率波動在廠用負荷正常工作的范圍內(nèi)，不會引起廠用電保護的動作。再者在該頻率波動范圍內(nèi)，變頻器會根據(jù)電源頻率的波動，自動調(diào)整反應堆冷卻劑泵輸入電源的頻率，使其維持在電機額定頻率值不變。

圖2 汽輪發(fā)電機組惰轉曲線

所以3s 內(nèi)不會出現(xiàn)發(fā)電機出口斷路器跳閘，發(fā)電機至少能為反應堆冷卻劑泵供電3s 時間。

為了驗證停堆過程中DNBR 不超標，本研究需對DNBR 進行瞬態(tài)分析。由于反應堆滿功率時比低功率的瞬態(tài)事故更為嚴重，可根據(jù)西屋公司VIPRE-01 程序計算“滿功率運行+外電網(wǎng)失去+汽輪機跳機”工況下的DNBR，該DNBR 可包絡孤島運行工況下汽輪機跳機引起的停堆。

在保證汽輪機跳機后能利用汽輪機組惰轉再繼續(xù)供電3s 中:

(1)廠用電要保持穩(wěn)定，該點對繼電保護提出了高要求，必須杜絕保護或開關不動作、故障越級擴大事故的發(fā)生。

(2)汽輪發(fā)電機組的轉動慣量足夠大，惰轉3s 時的轉動頻率仍保持在所要求的反應堆冷卻劑泵供電頻率之上。

(3)為始終保證反應堆冷卻劑泵在失電惰轉前就有所要求的轉速，在汽輪機跳機前，要使發(fā)電機發(fā)出適當?shù)臒o功功率以維持廠用母線電壓。

2.2 “機組滿功率運行”工況

2.2.1 工況特點

(1)GCB和主變高壓側斷路器均閉合，扣除廠用電外，發(fā)電機以滿功率并網(wǎng)運行。

(2)發(fā)電機提供廠用電，廠內(nèi)6 段中壓母線進線電源均引自兩臺高廠變，備用電源引自兩臺輔助變，且處于熱備用狀態(tài)。

(3)堆功率穩(wěn)定在100%，反應堆出口的蒸汽全部送汽輪機做功。

2.2.2 工況分析若汽輪機跳機，發(fā)電機變?yōu)橥诫妱訖C掛網(wǎng)運行，發(fā)變組保護探測到逆功率信號后，延時15 s 跳開GCB，反應堆冷卻劑泵電源通過500 kV 電力系統(tǒng)經(jīng)主變倒送廠用電實現(xiàn)，不存在“3s 供電”要求。

目前，核電廠址所在沿海各省的電力系統(tǒng)都相當龐大，個別省份裝機容量達到近1 億千瓦，整個電網(wǎng)結構緊密，抵御故障能力較強。相關文獻［4-6］已對類似項目進行過分析研究。以山東某AP1000 核電項目為例，對500 kV 電網(wǎng)失去一臺百萬機進行仿真，電壓波動曲線如圖3 所示。從仿真曲線來看，失去一臺百萬機后，廠內(nèi)500 kV 母線電壓仍能保持穩(wěn)定。

圖3 切百萬機后廠內(nèi)母線電壓波動曲線

按照故障疊加原則分析，若GCB 拒動，失靈繼電器動作，啟動失靈保護，主變高壓側斷路器、GCB、廠內(nèi)6 段中壓母線進線開關同時跳開，輔助電源快速切換。鑒于輔助變的設置為100%明備用，反應堆冷卻劑泵電源能夠快速過渡到穩(wěn)定工況。保護配置中快切時間為6個周波(120 ms)，母線失電時間大約在40 ms～60 ms，反應堆冷卻劑泵的電源能夠得到快速切換，同樣不存在“3s 供電”的問題。

2.3 “機組滿功率運行+500 kV 外電網(wǎng)失去”工況

2.3.1 工況特點

該工況基本特點和2.2.1 節(jié)相同，僅故障類型不同。此時，失去500 kV 外電網(wǎng)，機組進入孤島運行，但220 kV輔助電源可用。

2.3.2 工況分析

廠外500 kV 電網(wǎng)故障(例如短路)，由于保護動作的選擇性，主變高壓側斷路器跳開，汽輪機和發(fā)電機快速甩負荷至廠用電，維持反應堆冷卻劑泵正常供電。發(fā)電機組甩負荷瞬間，機端電壓和頻率是先陡然升高后逐步降低。即使在汽機跳閘后3s，廠用母線電壓和頻率也不會較額定值下降很多［7］。

如果主變高壓側斷路器拒動，則失靈保護動作，聯(lián)跳發(fā)電機出口斷路器(GCB)，自動裝置檢測到失電信號后，啟動母線快切至220 kV 輔助電源來滿足冷卻劑泵“3s 供電”。

2.4 “機組滿功率運行+外電網(wǎng)失去”工況

2.4.1 工況特點

(1)堆芯和發(fā)電機均以滿功率運行，發(fā)電機提供廠用電，廠內(nèi)6 段中壓母線進線電源均引自兩臺高廠變。

(2)考慮失去外電網(wǎng)電源是由于汽輪機跳機導致電網(wǎng)崩潰這一連串事故引發(fā)的廠內(nèi)電氣系統(tǒng)(例如高廠變相間短路)和廠外電力系統(tǒng)同時故障。

(3)從汽機停機到失去廠外電源之間，假定一個合適的延遲時間為3s，該延遲時間的假定是基于廠外電網(wǎng)的固有穩(wěn)定性。

(4)GCB和500 kV 高壓側斷路器跳開后，220 kV輔助電源快切失敗，發(fā)生全廠斷電。

2.4.2 工況分析

該種工況屬于極限事故，發(fā)生的概率極低。一旦發(fā)生，反應堆冷卻劑泵電機在全廠失電后將會得不到工作電源，進入惰轉。此時反應堆處在高功率狀態(tài)下，一回路冷熱段溫差大，4 臺反應堆冷卻劑泵惰轉后容易過渡到自然循環(huán)。反應堆冷卻劑泵惰轉過程中，反應堆冷卻劑流量下降，同時冷卻劑泵低轉速信號將直接觸發(fā)反應堆停堆。在該瞬態(tài)下，反應堆冷卻劑泵維持的冷卻劑流量要確保堆芯最小的DNBR 不超標。

根據(jù)西屋公司VIPRE-01 程序計算，4 臺反應堆冷卻劑泵惰轉下，DNBR 瞬態(tài)分析最小大概為2.7 左右，四泵惰轉下DNBR 分析如圖4 所示。偏離核態(tài)沸騰(DNB)設計基準能夠得到滿足(最小DNBR 為1.21)。

圖4 四泵惰轉下DNBR 分析

同時，該工況是失去蒸汽負荷事故中對DNB 裕量的最高限制。在該工況下，穩(wěn)壓器安全閥將動作，可維持反應堆冷卻劑系統(tǒng)的壓力在安全設計壓力之下［8-9］。

此外，根據(jù)西屋公司反應堆冷卻劑泵采購技術規(guī)格書的要求，反應堆冷卻劑泵的飛輪惰轉流量下降曲線(半流量時間5 s 時)可以保證堆芯在Ⅰ、Ⅱ類工況下，在95%置信度下有95%的概率不發(fā)生DNB;針對全部失流事故工況下，AP1000 仍有19%的熱工設計裕量。

3 結束語

反應堆冷卻劑泵被喻為核電站的“心臟”，是反應堆冷卻劑系統(tǒng)的循環(huán)動力和壓力邊界設備之一。由于AP1000 核電中反應堆冷卻劑泵采用屏蔽泵，其轉動慣量小，泵的惰走時間短，在汽輪機跳機后需維持3s 的能動電源要求。其目的是為了保證一回路冷卻劑再繼續(xù)流動一段時間，以實現(xiàn)安全停堆。

本研究結合AP1000 核電項目固有特點，分析了4種典型極限事故工況下的電氣系統(tǒng)響應和反應堆冷卻劑系統(tǒng)響應;分析了在汽輪機跳機后如何滿足反應堆冷卻劑泵3s 的能動電源要求;對后續(xù)AP1000 核電廠初步設計和初步安全分析具有重要借鑒意義。

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