秦山二期擴建核電廠全廠斷電（SBO）事故下蓄電池可用性研究

游 洲 韓 勇 劉文靜 李 朋

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610041）

0 引言

2011 年3 月福島核事故之后，我國國家核安全局（NNSA）對在役、在建電廠提出了一系列安全整改要求，其中，針對全廠斷電（SBO）的具體要求是：進一步提高應對SBO 的能力，增強超設計基準工況下實現堆芯冷卻的應急補水能力，增設移動泵、移動電源、注水管線及相匹配的接口，并完善廠區內各種水源在事故工況下的使用程序。

全廠斷電是指核電廠完全喪失應急以及非應急母線上的交流電源（即，喪失廠外電源系統，汽輪機跳閘，并且廠內應急交流電源系統不可用）。這不包括由蓄電池逆變器供電的不間斷交流電源以及替代交流電源（AAC）的喪失。SBO 屬于超設計基準事故，如果沒有適當的應對措施，可能導致核電廠堆芯損壞并威脅公眾健康和安全。

根據喪失廠外電的原因以及電廠恢復交流電的能力不同，SBO 事故進程有所差別。如果可以在事故后短期內（如1 個小時內）恢復交流電源，通常不會對電廠造成嚴重影響。一旦交流電源長時間無法恢復，則可能造成嚴重的后果。電廠可應對SBO 的時間稱為SBO 應對時間，根據10 CFR 50.63（2007 版）的定義，應對時間是指電廠在沒有交流電源的情況下可保證堆芯不裸露和保持適當的安全殼完整性的時間。

蓄電池作為全廠斷電后至交流電源回復時間段內的最后電源（AAC 無法啟動時），其可用性及滿足負荷需求的時間長短對整個核電廠全廠斷電事故序列的發展以及電廠是否具有足夠應對SBO 的時間起著舉足輕重的作用。本文針對在SBO 工況下，秦山二期擴建核電廠現有蓄電池的可用性進行了分析和研究。

1 SBO 事故下蓄電池的投用

SBO 事故一般由喪失廠外電（LOOP）事故開始，LOOP 事故發生后，應急柴油發電機組（EDG）自動啟動，向應急母線供電。若應急柴油發電機組（一列或兩列）供電成功，電廠至少有一列專設安全設施可以啟動應對事故。一旦應急柴油發電機組供電失敗，電廠喪失了所有交流電源，交流電驅動的設備（如主泵、主給水泵等）停運，所有依靠交流電源運行的前沿系統和支持系統無法啟動或繼續運行。全廠斷電后的典型的事故發展見圖1。

全廠斷電后，控制棒斷電依靠重力下落，反應堆停堆，汽輪機停機。由于喪失供電，主給水喪失，主泵停運，汽動輔助給水泵自動啟動向SG 供水，一回路熱量通過自然循環排出。因為主泵同時喪失正常軸封水注入和密封冷卻，SBO 后存在著主泵軸封破口的風險。SBO 后電廠儀控用電由蓄電池供給，以提供全廠斷電事故后所需儀控機柜的電源。

在秦山二期目前的設計中，48V 直流電源系統（LC*）、110V 直流電源系統(LB*)及220V 交流不間斷電源系統(LN*)分別設有蓄電池組，在SBO 后，各蓄電池組具有向各自的全部直流負荷供電1 小時的能力。

根據《全廠斷電事故運行規則（RRA 未連接）》H3.1 的描述，發生SBO 時，應立即切除LCA 和LNE 中功能不重要的負荷，使相應的蓄電池組執行經濟運行程序，這樣做的目的是使LCA 和LNE 系統對功能重要的所有饋出線盡可能長時間的保持帶電。圖2、圖3 分別是LNE和LCA 系統的單線圖。在正常運行狀態下，由充電器給相應的直流負荷供電，同時給LNE 和LCA 的供電蓄電池浮充電，在SBO 發生時，其蓄電池組能不間斷地向各自的全部直流負荷提供直流電源。

2 蓄電池可用性分析與評價

2.1 重要負荷計算

2.1.1 LNE 母線

LNE 母線上所帶功能重要負荷統計見表1。從表1 中可以看出，負荷LNE360CR 在其他機組交流電源可用的情況下，可直接切換至其他機組供電，這樣就可以避免消耗本機組的蓄電池容量，延長本機組負荷供電時間。因此，在考慮給LNE 系統供電的蓄電池可用時間時，需分為兩種情況考慮：蓄電池給本機組的所有LNE 系統負荷供電，和只給LNE 系統下除了LNE360CR 的負荷供電。這時，LNE360CR 的電源必須切換至其他機組供電。

表1 LNE 母線負荷統計表Tab.1 Load of LNE

根據逆變器計算電流的計算公式：

式中：Ij——逆變器進線側的計算電流；

Ii——逆變器出線側的負荷計算電流；

α——同時系數，取1；

γ——逆變器逆變效率，秦山二期采用瑞士固特（GUTOR）逆變器，其滿負荷條件下的效率大于91%；

Ui——逆變器進線側電壓，220V；

Uo——逆變器出線側電壓，220V。

代入參數計算可得，在SBO 工況下，另一機組的交流電源不可用時，逆變器直流側的計算電流為229.3A；當另一機組的交流電源可用時，逆變器直流側的計算電流為121.6A。

2.1.2 LCA 母線

LCA 母線上所帶功能重要負荷統計見表2：

表2 LCA 母線負荷統計表Tab.2 Load of LCA

在交流電源喪失的情況下，蓄電池組直接給各機柜提供48VDC電源，以應對SBO 事故。考慮到極限情況下，各機柜需同時用電，因此同時系數取1。蓄電池的放電電流為LCA 系統各負荷的計算電流之和，即為299.15A。

2.2 蓄電池帶載時間分析

為LNE、LCA 系統供電的蓄電池均為沈陽蓄電池廠生產的GFD-2000 閥控型鉛酸蓄電池，特性參數見表3、表4。

表3 為LNE 系統供電的蓄電池特性參數Tab.3 Batteries’ Parameters for LNE

表4 為LCA 系統供電的蓄電池特性參數Tab.4 Batteries’ Parameters for LCA

蓄電池可用時間的計算，實際上就是其剩余電量的計算。充滿后的蓄電池的放電容量主要受鈍化機理的影響，與電池的儲存時間、電池溫度（見圖4）、電池劣化模式、劣化程度、放電倍率等眾多因素密切相關，容量的準確估計難度較大，國內外的專家對此做過大量的研究。

秦山二期核電廠對電池存儲間的溫度控制嚴格，通風系統完善。在對LNE 系統和LCA 系統的蓄電池組進行剩余電量估算的時候可以不用考慮溫度變化對蓄電池組會產生破壞性的影響。同時，如果蓄電池組經過較長時間的存儲后，通過監控蓄電池的浮充電壓，如果達不到運行的要求，則會馬上進行維護和更換。在蓄電池組最不利的情況下，也能保持原蓄電池組容量的80%，即1600Ah。假設SBO 發生后，蓄電池一直保持同樣的最大放電電流。根據GFD 蓄電池不同小時放電電流表5（終電壓1.87V/只），采用插值法對LNE 和LCA 系統的蓄電池組進行放電時間計算。同時考慮到蓄電池組在壽期末最不利的情況下也能達到1600Ah，因此，LNE 和LCA 系統的蓄電池組可以達到表6 所示的負荷需求的放電時間。

表5 GFD 蓄電池終電壓1.87V/只，不同小時放電電流Tab.5 Discharge Current at Different Time of GFD Batteries(Ending voltage=1.87V)

表6 LNE 和LCA 系統的蓄電池組滿足負荷需求的放電時間Tab.6 Discharge Periods of batteries to meet load requirements

3 應對SBO 的建議

福島核事故發生后，美國核管會（NRC）建議所有運行和新建反應堆：（1）建立SBO 后最小8 小時的應對能力；（2）建立“長期SBO”的72小時的應對時間的設備、規程和培訓，要求保證堆芯和乏燃料池冷卻以及反應堆冷卻劑系統和安全殼的完整性。

從以上要求來看，秦山二期擴建工程的蓄電池組滿足不了最新的要求，建議采取如下措施：

（1）提高蓄電池容量。蓄電池滿足負荷需求的放電時間與電池容量成正比，提高蓄電池的電池容量可以直接延長蓄電池滿足負荷需求的放電時間的要求。

（2）使用移動式電源對蓄電池充電。在發生SBO 時，接入移動式柴油發電機對正在放電的蓄電池進行充電，只要柴油發電機具備足夠的容量，且油料足夠，則可以大幅度的提高蓄電池組滿足負荷需求的放電時間。

（3）提高替代交流電源的能力。秦山二期擴建工程設置有附加柴油發電機組（第五臺柴油發電機組）。但是在投用時，需要接入的時間過長。如果能夠將附加柴油發電機組的接入修改為自動，或者采用技術改進措施，進一步縮短需要接入的時間，那么對蓄電池的要求將會降低很多。

（4）提高電廠恢復交流電源能力。核電廠在SBO 事故后要恢復到正常狀態，仍然需要交流電源供電，這是不可避免的。交流電源恢復越快，越能降低對蓄電池的要求。因此，可通過改善交流電源系統的冗余配置，加強操作員的規程培訓，提高事故處理人員的專業技能等方面來提高核電廠恢復交流電源的能力。

4 結束語

核電廠安全是整個核電產業的重中之重，特別是在福島事件以后，各國都將一定范圍內的超設計基準事故納入考慮的范圍。福島事件之前，我國建設的大部分核電廠都沒有考慮如何應對諸如SBO 這種超設計基準事故。如何在運行核電廠現有條件的基礎上，提高應對超設計基準事故的能力，是一項長期而艱巨的工作。對秦山二期擴建工程開展的蓄電池可用性分析和研究，希望能為現有核電廠的安全建設和后期核電廠的設計建造提供借鑒。

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