變頻技術在華龍一號CAV系統中的應用研究

張任妍,武海博

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

0 引言

核電廠發生嚴重事故后，安全殼作為阻止放射性物質向環境排放的最后一道實體屏障，對緩解或降低事故的放射性后果起著至關重要的作用。為實現對放射性物質的密封包容，華龍一號采用雙層安全殼結構，由一個帶密封鋼襯里的預應力鋼筋混凝土內殼和一個普通鋼筋混凝土的外殼構成。內層安全殼是一個承壓的密封殼體，可容納一回路壓力下反應堆冷卻劑系統的所有部件，承受事故工況的高溫高壓并包容放射性物質。外層安全殼能夠單獨或與內層安全殼一起承受外部載荷，不僅能夠抵御商用大飛機的撞擊，抵抗龍卷風、飛射物及外部爆炸等外部事件，而且對放射性物質還起到一定的包容作用[1]。

雙層安全殼兩殼之間的空間被稱為安全殼環形空間。該空間保持負壓，用于收集并包容來自內殼泄漏的放射性物質。安全殼環形空間通風(containment annulus ventilation,CAV)系統是反應堆第三道密封屏障的支持系統。在核電站安全殼內部事故工況下，裂變產物由內層安全殼泄漏到環形空間后，經CAV系統的事故過濾系列過濾后排放到外部環境中，以有效控制事故向外部環境的放射性釋放，使電站廠區范圍內各種放射性物質的釋放限制在允許范圍[2]。

本文在分析華龍一號首堆福清5、6項目CAV系統工藝流程特點的基礎上，首次提出了在安全級通風系統中引入變頻技術控制的解決方案，重點分析了控制方案制定過程中遇到的關鍵問題，給出了有效解決方法，并詳細分析了控制方案多重冗余、多樣化設計的特點。本控制系統不僅實現了精準控制環形空間壓力，有效控制了事故工況下放射性物質向環境釋放的功能，而且在保證機組運行安全的基礎上提高了電廠經濟性，為變頻器技術在核電廠安全級系統的推廣應用起到了良好的示范作用。

1 變頻技術

變頻技術是指交流用電設備的供電頻率發生變化時，與頻率成正比的功率將隨之發生變化。頻率高，則功率大；頻率低，則功率小。所以變頻調速裝置(即變頻器)就是將固定頻率的交流電變換為頻率連續可調的交流電。其根據負荷的變化，通過調整風機等有電設備的輸入頻率，來調整風機的轉速，使被控風機出口流量隨負荷的變化而變化，從而在滿足不同負荷需要的情況下，減少用電量的損耗，提高用電率。但是大多數風機在使用過程中常出現大馬拉小車的現象，且因生產、工藝等方面的變化，需要經常調節氣體的流量、壓力、溫度等。以前，主要采用調節擋風板或閥門開啟度的方式進行調節。但這是以人為增加阻力的方式，并以浪費電能和金錢為代價來滿足工藝和工況對氣體流量調節的要求。這種調節方式不僅浪費能源，而且調節精度差，難以滿足現代化工業生產及服務等方面的要求，負面效應嚴重。變頻器的出現為交流調速方式帶來了革命。變頻調速已被廣泛應用于不同領域的交流調速，為企業帶來了可觀的經濟效益，推動了工業生產的自動化進程[3]。

風機變頻器根據測量傳感器(如壓力、液位、流量、溫度等)信號變化調節控制回路電源頻率，進而改變負載電機的運行功率，使執行機構滿足控制需求。變頻器主回路常采用典型的“交-直-交”模式。該模式是目前應用廣泛和可靠的低壓變頻模型。交流異步電動機轉速公式為：

(1)

式中：n為電機轉速；f為電源頻率；S為電機轉差率；p為電機極對數[4]。

由式(1)可知，電機轉速n與電源頻率f成正比，通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。“交-直-交”變頻模式通過將交流電壓整理成直流，再通過逆變器逆變成所需要頻率的交流電來控制電機。假設風機流量為Q，風壓為H，轉矩為T，軸功率為P。根據流體力學原理，可知流量Q∝n，H、T∝n2,P∝n3。即風機的流量與轉速的一次方成正比，壓力和轉矩與轉速的二次方成正比，風機軸功率與轉速的三次方成正比。如果電機速度下降到原來的70%，風量下降到原來的70%，則軸功率下降到了原來的34.3%[5-6]。相對于通過在風機出口設置擋風板或回流閥的控制方案，通過降低轉速的方法來調節風量，可以極大地降低消耗，發揮節能效果。

變頻技術在民用電廠等各個領域中得到廣泛應用。核電廠中變頻技術的應用還處于起步階段，主要應用在外圍輔助支持系統中，如各個核電廠電站配套設施(balance of plant,BOP)子項目中對某些非安全級風機或泵改造成變頻控制[7]；AP1000機組中的主泵采用了6.9 kV、60 Hz高壓變頻器，同時核島非放射性通風系統的非安全級風機采用了變頻控制；田灣核電廠中部分核島通風系統中非安全級風機也采用了變頻控制等技術。

2 CAV系統設計

2.1 CAV系統功能

雙層安全殼作為放射性物質向外排放的最后一道實體屏障，通過外層安全殼和內層安全殼組成的雙重屏障及CAV的過濾排放功能來保證安全殼的密封性，從而緩解或降低事故后的放射性后果。CAV系統的主要功能是通過維持環形空間的負壓(-300～-100 Pa)，保證來自內層安全殼內部的空氣在排放前經過過濾，避免被污染的空氣直接流向環境，從而限制在安全殼內部事故的情況下的廠外放射性。通過雙層安全殼環形空間的滯留包容以及CAV通風系統的高效過濾作用，有效降低了事故向環境的釋放量以及場外公眾所接受的劑量，從而減輕了事故后果，符合社會大眾對核電更高安全性能的期待。

2.2 CAV系統構成

安全殼環形空間通風系統由三個并聯列——安全系列1(001ZV)、安全系列2(002ZV)、正常系列(003ZV)組成。正常運行系列在機組正常運行工況下運行；另兩個安全系列在事故工況下運行，兩個安全系列為冗余設計。正常運行系列除了維持安全殼環形空間的負壓外，還可以監測外層安全殼的密封性能。在反應堆廠房事故工況下，正常運行系列被隔離，安全系列啟動。CAT系統簡化流程如圖1所示。三個系列在布置上實現實體隔離。每個系列由排風機、電加熱器、過濾器及相應閥門組成。

圖1 CAV系統簡化流程圖

2.3 CAV安全分級要求

CAV系統的兩個安全系列在事故工況下能將放射性廢物的排放或釋放限制在規定限制內，且為非承壓設備，故其機械設備定義為安全有關級(LS)。這兩個系列中包含的機械設備均為LS級。相應的電氣儀控設備具有安全殼隔離作用，在事故工況下參與保護公眾安全，相應定義為安全級(1E)。正常運行系列不執行安全功能，故定義為非安全級(NC*)(*為抗震要求)。

3 變頻技術在CAV系統的應用

3.1 CAV系統控制方案

CAV系統的主要受控設備是排風機、加熱器、隔離閥、放火閥。這些設備都是集中在核電廠DCS中進行邏輯控制，在主控制室實現監測和控制。主要監測儀表如下：差壓變送器是為風機變頻模式服務的，差壓儀表是為保護相應風機設置的，溫度儀表用于監測控制電加熱器，差壓表用于監測過濾器壓力。為保證不同系列，可以在各種事故工況下順利進行自動切換，控制系統被設計為在變頻模式下按照正常系列→安全系列2→安全系列1的單向順序自動切換。除冷停堆期間，正常工況下，在主控室手動啟動正常系列風機變頻模式，并保持連續運行。當風機正常運行時出現事故工況，系統立即由正常列切換到安全列。通過設置不同優先級的啟、停指令，來保證自動切換邏輯的準確性和有效性。常見的事故工況分為如下四種情況，分別對應不同的控制邏輯[8]。事故工況下控制邏輯如圖2所示。

圖2 事故工況下控制邏輯示意圖

3.1.1 輻射事故

當環形空間放射性水平超出閾值時，控制系統接收到輻射劑量高信號(1E級)。此時，控制系統立即切換到安全系列2，緊急啟動(1E級)002ZV，同時輻射劑量高聯鎖關閉正常列隔離閥。即使緊急啟動002ZV未有效，隔離閥關閉迫使003ZV停運，保護啟動(NC*級)002ZV(NC*級命令)。假設002ZV仍然未能啟動，還可以通過輻射劑量高信號延時4 s后緊急啟動(1E級)或保護啟動(NC*)兩種方式啟動001ZV。如果上述自動命令均無效，操作員可以在主控室直接手動啟動002ZV或001ZV工頻運行模式，禁止切換到003ZV工頻模式。

環形空間輻射劑量超標是核電站運行期間假設出現的最嚴重事故。該控制方案涵蓋了設計基準事故、設計擴展工況下系統的切換邏輯。即使切換到安全列風機的某一命令未能有效執行，通過多路冗余設計的補償糾正，使控制系統可以順利地執行相關安全命令。該控制邏輯體現了設計多樣化及縱深防御的原則。

3.1.2 失電事故

CAV系統正常系列003ZV和安全系列A 001ZV由低壓交流應急電源380 V系統系列A供電，安全系列B 002ZV由低壓交流應急電源380 V系統系列B供電。當供電列A列失電時，正常列003ZV和安全列1均失電，003ZV停運后自動保護啟動002ZV變頻模式。如果保護啟動未能生效，需要操作員手動啟動002ZV工頻模式。反之，當供電列B列失電時，002ZV停運，系統自動保護啟動001ZV變頻模式。如果保護啟動未能生效，需要操作員手動啟動001ZV工頻模式。當兩列供電都失去時，由應急柴油發電機加載提供后備應急電源。

3.1.3 火災情況

按照單一故障準則的設計要求，不同系列的風機布置在不同的防火空間。當火災探測系統發出報警信號時，相應防火分區的防火閥自動關閉以切斷火源。任一防火閥關閉的同時，聯鎖停運相同列的風機。

3.1.4 正常列故障

正常列設備故障，造成003ZV停運，系統自動保護啟動002ZV變頻模式。若002ZV未能啟動，將保護啟動001ZV變頻模式，同時操作員應及時檢查003ZV和002ZV故障原因。當003ZV故障排除，且無其他異常工況，操作員可在主控室手動重新啟動003ZV變頻模式，停運002ZV或001ZV，將風機復位至正常系列。

3.2 風機的變頻控制

CAV系統的風機需要常年連續運行，且需要時時調整環形空間負壓狀態。為避免造成電能損耗和頻繁開停機帶來的電流沖擊，CAV系統的離心風機采用了變頻控制，根據環形空間壓力變化，采用變頻器實時調節風機運行速度，以實現精準控制環形空間負壓的目的。由于CAV屬于安全級系統，但是目前國內外市場上沒有滿足核級標準的變頻器和相應的變頻柜，而非安全級的變頻柜又不能滿足事故工況下的設計要求。為解決此問題，經過詳盡的分析與討論，采用了滿足抗震要求(NC*)的變頻控制柜和核級(1E)工頻控制旁路柜聯合控制的方法來實現控制要求。

3.2.1 變頻和工頻聯合控制方案

變頻器是數字化控制設備，內置數字PID控制器，可實現恒壓力、恒流量控制。變頻模塊部分采用標準化設計，結構緊湊，通用性和互換性較強。電機工頻控制的實質是一個旁路系統。當變頻器出現故障、負載電機失去變頻器調速控制時，可手動斷開變頻單元并切換到工頻控制模式，實現按照負載滿功率運行，保證執行系統安全功能。風機變頻與工頻聯合控制簡圖如圖3所示。風機的變頻模式和工頻模式既相互獨立，又相互聯系。主電源接線端子、繼電器、斷路器等均安裝在旁路柜中，保證1E級供電電源的可靠性。變頻器、PLC控制器和一些控制端子布置在變頻柜內。

圖3 風機變頻與工頻聯合控制簡圖

圖3中，虛線框代表布置在旁路柜內，接觸器3KM和4KM互為連鎖，且分別獨立控制風機運行。當接觸器3KM閉合時，接觸器4KM斷開，風機處于變頻模式；當接觸器4KM閉合時，接觸器3KM斷開，風機處于工頻模式。CAV的每臺風機對應一個變頻器柜和一個旁路柜。CAV就地柜分級情況如表1所示[9]。DCS控制柜將開關命令送至就地變頻柜和旁路柜，控制邏輯在就地柜內完成。兩個就地控制柜通過不同的方式實現對風機的控制，滿足不同工況下風機的控制要求。

表1 CAV就地柜分級表

注：*僅對硬件部分有此要求，對軟件無要求

3.2.2 變頻柜和旁路柜功能描述

變頻器柜內的變頻器根據壓力信號調節控制風機電機的轉速，設置變頻器參數來控制風機的運行頻率。變頻器柜體上布置顯示和操作設備，如按鈕、儀表、指示燈或者操作面板和顯示設備等，直觀顯示變頻器和負載運行狀態和參數，實現對變頻器柜工作狀態的實時監測，方便操作人員就地控制。CAV變頻控制系統如圖4所示。

圖4 CAV變頻控制系統圖

旁路柜(包括標準的開關配電盤)完成風機電源供電功能，同時在變頻器故障時可以手動由變頻切換到工頻。旁路柜設置就地/遠程切換開關。為保證安全性，在主控室和后備盤上設置從變頻柜切換至旁路柜的切換命令。

3.2.3 變頻柜和旁路柜的切換控制

CAV三個系列的控制邏輯流程是一樣的。以正常列為例，其控制邏輯流程如圖5所示。

圖5 控制邏輯流程簡圖

在正常工況下，在主控室手動啟動正常系列003ZV風機變頻模式，環形空間與外界大氣的差壓003MP信號被采集至DCS，經DCS轉送至003ZV變頻柜。在變頻柜內，差壓值信號被轉換為不同頻率，驅動風機以不同的轉速運轉，并同時將風機狀態信息從變頻柜傳輸至DCS。當發生異常工況(如環形空間輻射超標、003ZV變頻模式失效等)時，控制系統設置為：在變頻模式下按照正常系列(003ZV)→安全系列2(002ZV)→安全系列1(001ZV)的單向順序自動切換。在切換過程中，如果設備故障或者自動切換不成功，系統將發出報警信息提示主控室操縱員及時排除故障。

在三個系列變頻器驅動風機模式都失效的情況下，操作人員在主控室或后備盤將風機手動切換至002ZV或001ZV工頻運行模式。只有在002ZV或001ZV工頻模式都損壞，且確認環形空間沒有發生放射性污染的情況下，才可以將風機切換至003ZV工頻運行模式。操作員發出的命令由DCS發送至旁路柜，風機在工頻模式下滿功率運行，同時風機的狀態信息由旁路柜傳送至DCS顯示。

4 結束語

雙層安全殼是華龍一號設計的一大亮點，而CAV系統是保證這個特色功能設計的重要系統。CAV系統在任何工況下維持環形空間內的負壓狀態，而且當發生輻射泄漏事故時執行安全功能，因此安全理念貫穿整個控制系統的每一處細節設計中。根據環形空間內壓力變化，采用變頻器連續調節風機運行速度，是一種行之有效的解決方式。

針對目前國內核電站未將變頻器技術應用于安全級通風系統的現狀，在深入研究工藝流程特點基礎上，大膽嘗試在安全級通風系統中引入變頻器控制方式，同時設計兩種工作模式，使風機通過兩種不同的驅動方式運轉。振動方式既實現了工藝系統的設計要求，又達到了節能降耗的目的。CAV系統設計工作已完成，有待于進一步現場調試和實際運行。