“華龍一號”對60 Hz電網(wǎng)適應(yīng)性分析

王夏玚,張 藝

(中核中東有限公司，北京 100044)

眾所周知，電網(wǎng)頻率是整個(gè)電力系統(tǒng)統(tǒng)一的運(yùn)行參數(shù)，一個(gè)電力系統(tǒng)只能有一個(gè)頻率。我國和大多數(shù)國家電力系統(tǒng)的額定頻率為50 Hz，美洲地區(qū)多數(shù)是60 Hz。主要核電供應(yīng)商所在國家中，中國、俄羅斯、法國電網(wǎng)為50 Hz，日本關(guān)東電網(wǎng)是50 Hz,而關(guān)西電網(wǎng)是60 Hz，美國、韓國電網(wǎng)為60 Hz。因此各核電供應(yīng)商的出口核電機(jī)組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)首先滿足本國電網(wǎng)，當(dāng)該技術(shù)切換到頻率不同的電網(wǎng)需要進(jìn)行有針對性的調(diào)整。目前世界上已建成的機(jī)組也不乏此種情況，如我國建設(shè)的AP1000核電機(jī)組也進(jìn)行了適應(yīng)50 Hz電網(wǎng)的修改，韓國出口到阿聯(lián)酋的核電機(jī)組進(jìn)行了適應(yīng)60 Hz電網(wǎng)的修改。

“華龍一號”作為我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核電機(jī)組，目標(biāo)出口的國別包括南美、中東等電網(wǎng)頻率為60 Hz的地區(qū)，勢必需要做出針對60 Hz電網(wǎng)的修改。本文將“華龍一號”對某地區(qū)60 Hz電網(wǎng)的適應(yīng)性進(jìn)行了分析。

分析基于：2臺“華龍一號”壓水堆核電機(jī)組，2臺機(jī)組總功率為2400 MW。電廠將連接到2路彼此獨(dú)立的外電網(wǎng)，電網(wǎng)頻率60 Hz：

1)優(yōu)先電源(380 kV)：在機(jī)組正常運(yùn)行，啟動(dòng)、停機(jī)、備用、事故后為廠用負(fù)荷供電；

2)備用電源(110～230 kV)：在機(jī)組正常運(yùn)行，啟動(dòng)、停機(jī)、備用、事故后為廠用負(fù)荷供電。

1 60 Hz電源對電廠主要影響

由于核電廠核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中技術(shù)參數(shù)、總體布置均不考慮電網(wǎng)頻率[1]，而是在后續(xù)的工程設(shè)計(jì)中進(jìn)行考慮。因此，分析過程中考慮的主要是“華龍一號”的參考電廠針對電網(wǎng)頻率為50 Hz，調(diào)整為60 Hz電網(wǎng)頻率，對相關(guān)設(shè)備的選用、工程設(shè)計(jì)、設(shè)備供貨提出的新要求。從上述方面對影響進(jìn)行簡要分析說明。

1.1 對設(shè)備的影響

交變頻率主要會(huì)對燈或加熱器等阻性元件、交流接觸器、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變壓器或斷路器等其他設(shè)備和元件產(chǎn)生影響。[2]而對于核電來說，主要會(huì)對以下重要設(shè)備存在影響。

1.1.1 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械設(shè)備

電網(wǎng)頻率的變化將影響汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。同時(shí)，電網(wǎng)頻率的變化還直接影響電廠內(nèi)電動(dòng)閥門、泵啟閉機(jī)構(gòu)和風(fēng)機(jī)的電機(jī)選擇。轉(zhuǎn)速發(fā)生變化,使得60 Hz電機(jī)的尺寸通常會(huì)小于50 Hz的尺寸。這使得電機(jī)的安裝和搬運(yùn)將比50 Hz電廠的更容易。

1.1.2 靜止電磁感應(yīng)設(shè)備

頻率的變化直接影響變壓器、電壓互感器、電流互感器的設(shè)計(jì)，如繞組匝數(shù)和鐵心直徑的選擇。這些參數(shù)的變化直接影響變壓器的空載損耗、負(fù)載損耗、勵(lì)磁電流等性能參數(shù)。

1.1.3 轉(zhuǎn)動(dòng)電磁感應(yīng)設(shè)備

發(fā)電機(jī)：電網(wǎng)頻率的變化將影響汽輪機(jī)所需的轉(zhuǎn)速，對應(yīng)發(fā)電機(jī)需考慮轉(zhuǎn)速增高，轉(zhuǎn)子采用機(jī)械性能更高的材料；降低鐵心損耗，選用損耗小的硅鋼片；振動(dòng)增加，通過良好的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡將轉(zhuǎn)子不平衡量控制到最小。

電動(dòng)機(jī)：電網(wǎng)頻率的變化直接影響電廠內(nèi)電動(dòng)閥門、泵啟閉機(jī)和風(fēng)機(jī)的電機(jī)選擇。60 Hz產(chǎn)品的鐵心截面小于50 Hz產(chǎn)品。

1.1.4 配電裝置

發(fā)電廠的高壓電器包括斷路器、負(fù)荷開關(guān)、隔離開關(guān)、避雷器、熔斷器等設(shè)備。頻率變化對斷路器的響應(yīng)時(shí)間影響最大，因此響應(yīng)時(shí)間縮短。

1.1.5 電氣測量保護(hù)設(shè)備

除電源模塊(與設(shè)備電源頻率有關(guān))外，與頻率有關(guān)的因素主要有模擬采樣(與電網(wǎng)頻率有關(guān))、故障錄波和相關(guān)頻率值的設(shè)定。60 Hz的記錄時(shí)間將快于50 Hz，一些相關(guān)頻率保護(hù)的設(shè)置也應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)頻率進(jìn)行。

1.2 對工程設(shè)計(jì)的影響

對于核電廠工程設(shè)計(jì)，60 Hz電廠與50 Hz電廠在設(shè)計(jì)流程上并無不同，主要是對于設(shè)備的選擇存在影響，對電廠的整體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)參數(shù)、功能設(shè)計(jì)、工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)、儀控及通訊系統(tǒng)無顯著影響。總體來說，大多數(shù)60 Hz設(shè)備相較于50 Hz設(shè)備體積更小，重量更輕，有利于整體布置的設(shè)計(jì)。

1.3 對設(shè)備供貨的影響

總體來說，對于設(shè)備供貨來說，其中標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，包括非核泵、變壓器、開關(guān)設(shè)備等，可直接用于60 Hz“華龍一號”電廠中；非標(biāo)設(shè)備，包括反應(yīng)堆冷卻劑泵、其他一回路泵和T-G不能直接使用，需要在預(yù)定期限內(nèi)選擇具有類似經(jīng)驗(yàn)的供應(yīng)商進(jìn)行設(shè)備研發(fā)，部分設(shè)備可能需要研發(fā)樣機(jī)，這將延長相關(guān)設(shè)備供貨的周期。

另一方面，核電設(shè)備的供貨具有特殊性。對于所有針對60 Hz電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性設(shè)計(jì)修改的核級設(shè)備，根據(jù)所在國監(jiān)管機(jī)構(gòu)的要求通常需要補(bǔ)充進(jìn)行鑒定試驗(yàn)。這些設(shè)備的供貨周期將會(huì)延長。

2 “華龍一號”在60 Hz電網(wǎng)適應(yīng)性的詳細(xì)評估

通過選取核島、常規(guī)島、BOP的主要設(shè)備，從是否有60 Hz成熟產(chǎn)品、新產(chǎn)品研發(fā)周期、試驗(yàn)、鑒定等方面分析設(shè)備供貨可行性，同時(shí)給出設(shè)備重量、尺寸、轉(zhuǎn)速等變化對布置影響分析。

2.1 核島主要設(shè)備

2.1.1 反應(yīng)堆冷卻劑泵(主泵)

核電廠中最重要的泵無疑是主泵。主泵是一種與核安全級設(shè)備，每個(gè)“華龍一號”核電機(jī)組有3個(gè)主泵。目前，“華龍一號”參考電廠的主泵電源頻率設(shè)計(jì)為50 Hz，四級異步電動(dòng)機(jī)，同步轉(zhuǎn)速為1500 r/min。如果將頻率更改為60 Hz，則三種解決方案如表1所示。

表1 60 Hz主泵方案對比表Table 1 Comparison of 60 Hz RCP

由于六級異步電動(dòng)機(jī)的方案所需的修改較少，因此可作為首選。上海KSB公司作為核級泵的主要候選供應(yīng)商之一，為韓國核電廠提供了64臺電源頻率為60 Hz的主泵。“華龍一號”有一個(gè)成熟的供應(yīng)商可生產(chǎn)經(jīng)過測試的60 Hz主泵，因此，只需要在布局和結(jié)構(gòu)支撐方面進(jìn)行一些小的修改。

2.1.2 工藝泵、閥門和風(fēng)扇

電動(dòng)泵：核島其他核安全級泵，包括余熱排出泵、上充泵、水壓試驗(yàn)泵、低壓安注泵、安全殼噴淋泵、重壓安注泵、電動(dòng)輔助給水泵、應(yīng)急硼酸注入泵、設(shè)冷水泵、硼酸輸送泵、乏燃料池冷卻過濾泵、堆腔注水冷卻泵、除氣塔疏水泵、前貯槽泵以及消防泵。頻率從50 Hz到60 Hz的變化產(chǎn)生的影響是：除水壓試驗(yàn)泵外，各電動(dòng)泵的電機(jī)尺寸和重量縮小。這對電機(jī)的安裝、搬運(yùn)和維護(hù)有好處。

與原始設(shè)計(jì)相比，60 Hz供電將使所有這些泵的電機(jī)速度將增加20%，這需要將泵內(nèi)一些液壓元件進(jìn)行修改。經(jīng)與泵制造商進(jìn)行討論，已經(jīng)確認(rèn)這些變化很容易適應(yīng)。進(jìn)出口管道和緩沖器的直徑預(yù)計(jì)不會(huì)有任何改變，通常在廠址適應(yīng)性設(shè)計(jì)階段進(jìn)行確認(rèn)。

汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)泵：由于此類泵動(dòng)力源是蒸汽，因此實(shí)際上60 Hz供電對輔助汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵沒有影響。

帶交流供電執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥門：在60 Hz供電下，與原設(shè)計(jì)相比，執(zhí)行器的運(yùn)行速度將提高20%。因此，需要對閥門進(jìn)行設(shè)計(jì)修改和測試，閥門的尺寸和重量會(huì)更小或相似。

風(fēng)機(jī)、起重機(jī)和氣動(dòng)閥：與電動(dòng)泵和閥門類似，60 Hz的影響很小且可控。

“華龍一號”的主要候選供應(yīng)商(KSB)已經(jīng)成功地為巴西安哥拉3號機(jī)組和韓國提供了60 Hz的各類泵。

2.1.3 電氣貫穿件

從50 Hz到60 Hz的電源變化對電氣貫穿件沒有影響。

2.1.4 中、低壓開關(guān)柜

電源由50 Hz變?yōu)?0 Hz對中壓開關(guān)柜的技術(shù)參數(shù)并無不利影響。“華龍一號”的供應(yīng)商江蘇華冠已成功為菲律賓的一個(gè)水電廠提供60 Hz中壓/低壓開關(guān)設(shè)備。

2.1.5 充電器、逆變器、不間斷電源、直流和220 V交流配電盤

對于所有交流變頻器，許多國內(nèi)供應(yīng)出口到全球。因此，從50 Hz到60 Hz的電源變化很容易涵蓋。

“華龍一號”使用的UPS、充電器和逆變器都是成熟的產(chǎn)品，包括深圳奧特迅、Gutor等供應(yīng)商有大量設(shè)備廣泛應(yīng)用于60 Hz電網(wǎng)國家的核電廠和反應(yīng)堆，包括美國(AP1000)、美國國家核實(shí)驗(yàn)室和加拿大一些核電廠。因此，“華龍一號”的此類設(shè)備在60 Hz環(huán)境下無需進(jìn)一步開發(fā)。

2.1.6 核島儀控系統(tǒng)

儀控系統(tǒng)供電通過直流供電。因此，系統(tǒng)中唯一可能受到60 Hz問題影響的部分是AC/DC轉(zhuǎn)換器模塊。基于供應(yīng)商的成熟能力，該模塊完全能夠適應(yīng)這種變化。

2.2 常規(guī)島主要設(shè)備

2.2.1 汽輪機(jī)

根據(jù)國內(nèi)主要50 Hz和60 Hz汽輪機(jī)供應(yīng)商的經(jīng)驗(yàn)，60 Hz汽輪機(jī)的總重量和尺寸與50 Hz汽輪機(jī)沒有顯著差異。與1500 r/min的機(jī)組相比，當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組工作轉(zhuǎn)速為1800 r/min時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)基座動(dòng)力計(jì)算時(shí)擾力取值不同、軸承座處的振動(dòng)速度均方根限值相同、位移限值不同。通過對目前“華龍一號”汽輪機(jī)廠房設(shè)計(jì)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，即可滿足60 Hz汽輪機(jī)的布置要求。其他適應(yīng)修改包括通流葉片模化、汽缸模塊根據(jù)葉片模化匹配設(shè)計(jì)和軸系、振動(dòng)等相關(guān)適應(yīng)性設(shè)計(jì)。鑒于上海電氣、東方電氣和哈爾濱電氣在這兩種頻率下的研發(fā)能力和供貨經(jīng)驗(yàn)，60 Hz汽輪機(jī)的改造沒有設(shè)計(jì)困難。三家供應(yīng)商向沙特、巴西、菲律賓等國家成功提供過60 Hz汽輪機(jī)。

2.2.2 主給水泵和凝結(jié)水泵

當(dāng)泵與60 Hz電機(jī)配合時(shí)，需要對泵體的強(qiáng)度、液壓性能、氣蝕和振動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)證。“華龍一號”的電動(dòng)主給水泵和凝結(jié)水泵的潛在供應(yīng)商已經(jīng)完成了60 Hz環(huán)境下的性能分析，擁有成熟的60 Hz產(chǎn)品，能夠在項(xiàng)目要求的時(shí)間范圍內(nèi)完成泵內(nèi)構(gòu)件調(diào)整，而無需額外的研發(fā)。60 Hz電動(dòng)主給水泵的總重量和尺寸與50 Hz機(jī)組的總重量和尺寸相差不大，電廠布局滿足需求。

2.2.3 常規(guī)島其他泵和工藝設(shè)備

常規(guī)島工藝系統(tǒng)其余轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械設(shè)備包括閉式冷卻水泵、啟動(dòng)給水泵、水室真空泵、水環(huán)真空泵、電動(dòng)濾水器、膠球清洗裝置、低加疏水泵、汽輪機(jī)主行車和汽輪發(fā)電機(jī)輔助設(shè)備。

凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、化學(xué)加藥系統(tǒng)、二回路取樣系統(tǒng)主要電動(dòng)設(shè)備為水泵和風(fēng)機(jī)。

通風(fēng)系統(tǒng)將包括風(fēng)扇和制冷機(jī)組。

所有這些設(shè)備的60 Hz電機(jī)都可以很容易從市場上買到。60 Hz設(shè)備的總重量和尺寸與50 Hz相同或小于50 Hz，使安裝和維護(hù)更簡單，且無需對“華龍一號”參考電廠的布局設(shè)計(jì)進(jìn)行更改。

2.2.4 發(fā)電機(jī)

60 Hz發(fā)電機(jī)的總重量和尺寸將大于50 Hz發(fā)電機(jī)。但因?yàn)槠啓C(jī)廠房和基礎(chǔ)有很大的裕度，不需要改變布局。另一方面，隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，需要對50 Hz的設(shè)計(jì)進(jìn)行一些調(diào)整：轉(zhuǎn)子的應(yīng)力將增加，因此將使用具有更高機(jī)械性能的材料來滿足設(shè)計(jì)要求；為了降低鐵心損耗，需選用損耗較小的硅鋼片；為解決振動(dòng)問題，必須改善轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡，將轉(zhuǎn)子的不平衡量控制到最小，從而使振動(dòng)最小化。

與汽輪機(jī)相似，國內(nèi)三家潛在汽輪發(fā)電機(jī)供應(yīng)商均具備60 Hz發(fā)電機(jī)制造經(jīng)驗(yàn)、供貨業(yè)績和研發(fā)能力，可以保證設(shè)備供貨和性能。

2.2.5 高壓變壓器

根據(jù)“華龍一號”供貨廠家評估，60 Hz主變、高壓廠變、輔助廠變的尺寸、重量基本不變，不影響設(shè)計(jì)。這些供應(yīng)商擁有60 Hz變壓器制造經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品成熟。衡陽變壓器有限公司向古巴、厄瓜多爾、沙特阿拉伯、菲律賓和哥倫比亞提供60 Hz變壓器。

同樣地，對于干式變壓器，珍珠電氣公司和明珠電氣等供應(yīng)商已成功出口干式變壓器并完全符合IEC標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.6 配電設(shè)備

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)：相較于50 Hz，60 Hz GIS的尺寸和重量將改變很小，因此不會(huì)影響布局設(shè)計(jì)。“華龍一號”的供應(yīng)商的產(chǎn)品都嚴(yán)格按照中國標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和制造，其 500 kV GIS設(shè)備具有KEMA認(rèn)證測試報(bào)告，并在海外市場有多年的成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。例如西安西電開關(guān)電氣有限公司向沙特、伊朗、菲律賓、伊朗、委內(nèi)瑞拉、巴西均有成功供貨經(jīng)驗(yàn)。

發(fā)電機(jī)出口斷路器：60 Hz發(fā)電機(jī)出口斷路器的尺寸和重量變化不大，不會(huì)影響設(shè)計(jì)和布置。西安西電開關(guān)可生產(chǎn)130 kA和160 kA發(fā)電機(jī)出口斷路器。根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)要求，如果項(xiàng)目需要更高的斷路器分?jǐn)嗄芰Γ嗫蓮膰夤?yīng)商處采購成熟產(chǎn)品。

2.2.7 儀控設(shè)備

汽輪機(jī)數(shù)字式電液控制系統(tǒng)、汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)、汽輪機(jī)監(jiān)視儀表系統(tǒng)、汽輪機(jī)振動(dòng)監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)、常規(guī)島輔助控制系統(tǒng)(凝結(jié)水精處理控制系統(tǒng)和常規(guī)島暖通空調(diào)控制系統(tǒng))及常規(guī)島范圍內(nèi)的儀表等，其工作電源是由交流電源整流成直流電源，電網(wǎng)頻率為60 Hz對此類設(shè)備沒有影響。閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)目前市場上存在有60 Hz成熟產(chǎn)品的廠家，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備供貨；60 Hz的閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)備重量、尺寸、轉(zhuǎn)速對布置沒有影響。

2.3 BOP中的設(shè)備

2.3.1 400 V應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)、10 kV直流柴油發(fā)電機(jī)

10.5 kV交流柴油發(fā)電機(jī)組：目前國內(nèi)有60 Hz成套的成熟產(chǎn)品。但是，需要預(yù)留相關(guān)的驗(yàn)證和抗震試驗(yàn)時(shí)間。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的變化可能會(huì)影響建筑物的結(jié)構(gòu)和空間。“華龍一號”可以進(jìn)行適應(yīng)性改造。

400 V SBO柴油發(fā)電機(jī)組：電源由50 Hz變?yōu)?0 Hz對400 V SBO柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)有些許影響。目前，國內(nèi)有成熟的供應(yīng)商產(chǎn)品，具備研究設(shè)計(jì)能力。

10 kV和400 V移動(dòng)式發(fā)電機(jī)：從50 Hz到60 Hz的電源變化對移動(dòng)式發(fā)電機(jī)的某些技術(shù)參數(shù)如轉(zhuǎn)速有影響。目前，已有成熟的60 Hz產(chǎn)品。

2.3.2 工藝、電氣設(shè)備

與核島和常規(guī)島相關(guān)設(shè)備相比，相關(guān)設(shè)備選擇范圍更廣，有更多成熟的60 Hz產(chǎn)品。

2.4 工期評估

盡管從50 Hz電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為60 Hz電網(wǎng)的各項(xiàng)設(shè)備和設(shè)計(jì)都可以采取成熟的解決方案，但是相關(guān)設(shè)備的樣機(jī)研制、核級設(shè)備鑒定和適應(yīng)性設(shè)計(jì)調(diào)整均會(huì)給“華龍一號”的工程工期帶來影響。結(jié)合各項(xiàng)工作所需時(shí)間，分析整體進(jìn)度計(jì)劃如圖1所示。

圖1 60 Hz適應(yīng)性進(jìn)度計(jì)劃Fig.1 Schedule for 60 Hz adaptability

為適應(yīng)60 Hz電網(wǎng)，“華龍一號”長周期設(shè)備采購工作需要在FCD的24個(gè)月之前啟動(dòng)，對應(yīng)的設(shè)計(jì)工作需要在FCD前36個(gè)月之前啟動(dòng)，否則相關(guān)的設(shè)備制造周期可能無法滿足工程建設(shè)進(jìn)度需要。

3 結(jié)論

我們認(rèn)識到“華龍一號”尚未出口到60 Hz電網(wǎng)環(huán)境中，從其他國際核項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)設(shè)備供應(yīng)商密切合作，可以為60 Hz電網(wǎng)提供穩(wěn)定可靠的60 Hz設(shè)備。評估表明：因?yàn)閺?0 Hz到60 Hz的大多數(shù)設(shè)備更小，安裝、處理和維護(hù)更簡單為項(xiàng)目帶來了好處。在過去10年中，“華龍一號”的供應(yīng)商已向核電廠和非核電廠提供了范圍廣泛的60 Hz設(shè)備，可以滿足適應(yīng)60 Hz電網(wǎng)的需求。“華龍一號”整體從設(shè)計(jì)、設(shè)備供貨到工程領(lǐng)域均可以適應(yīng)60 Hz電網(wǎng)。

盡管在設(shè)計(jì)、設(shè)備方面采取的各種措施使得“華龍一號”可以適應(yīng)60 Hz電網(wǎng)，但同時(shí)也要注意到，這將產(chǎn)生影響范圍較大的問題，將對工程進(jìn)度和成本控制產(chǎn)生重大影響，需要在后續(xù)工作中的工程參與有關(guān)各方高度重視。建議在項(xiàng)目開發(fā)后續(xù)的適當(dāng)階段，提前進(jìn)一步地深入研究和分析受60 Hz影響的設(shè)計(jì)和設(shè)備研發(fā)問題并做好應(yīng)對方案。