秦山核電廠黑啟動方案探析

陳 望

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

隨著電力技術的進步和經驗的積累，我國電力系統運行的安全性在逐年提高，基本杜絕了電力系統穩定性破壞和大面積停電事故。但極端自然災害等各類不確定性因素，仍在嚴重威脅電力系統安全。外部電力系統的穩定對核電廠的安全至關重要，2011年的日本福島核事故即是例證。為應對可能發生的電力系統大規模故障，制定切實可行的方案，采取有效措施實現局部孤立系統的黑啟動，對系統的快速恢復和減少事故造成的損失具有重要意義。為此，國標《電力系統安全穩定導則(GB 755—2019)》明確要求各電力系統必須編制電力系統全停后的恢復方案(包括黑啟動方案)[1]。作為電力系統的重要環節，核電廠也應預先制定可行的黑啟動應急方案，以縮短事故處理時間。

黑啟動是指某區域電力系統因故障全部停電后，利用本系統內的動力(柴油機、水力資源等)或外部電源，帶動無自啟動能力的發電機組完成啟動，達到額定轉速并建立正常電壓，并有步驟地恢復部分系統運行和用戶供電，最終實現整個系統恢復運行的過程[2]。總體上，實現黑啟動主要包括準備、電力系統恢復和電力負荷恢復等三個階段[3]。

(1)準備階段

1)電力系統調度根據所掌握的信息，判斷系統已發生大面積停電，并完成停電范圍確認。

2)電力系統內各發電廠、電站自行啟動事故備用電源(柴油機或蓄電池)，確保主發電機、主設備安全，保證直流操作電源及通信、監控系統電源。

3)在確定本系統須進行黑啟動時，各發電廠、電站按照調度指令及應急預案，將相關開關、刀閘置于可控狀態，以保證系統迅速、可靠恢復。

(2)電力系統恢復階段

1)電力系統各分區中具備黑啟動能力的機組實現自啟動；

2)由黑啟動機組通過輸電線路建立小系統；

3)小系統建立后擴大、合并為大系統。

(3)電力負荷恢復階段

1)部分電力系統重新建立后，盡快向臨近發電廠、電站供電，幫助其實現重新啟動；

2)按次序恢復有關線路，不斷增加黑啟動分區內的負荷，實現黑啟動分區之間的互聯；

3)逐步恢復整個電力系統的供電。

本文根據浙江電網實際配置，以及秦山核電廠1號機組(簡稱“秦山一期”)技術規格書、相關法規及管理規定，對發生全網斷電事故期間秦山一期實現黑啟動的方案進行探討，為確保廠用電，加快事故處理，實現反應堆和發電機組重新啟動、并網提供指導，以提高電廠的應急響應能力，降低核安全風險。

1 秦山核電廠交流電源配置情況介紹

1.1 廠外交流電源

秦山一期共配置三條220 kV線路：秦塘2P59 線、秦躍2428 線和秦立2424 線。三條線路分別通過兩條分列運行的220 kV母線(Ⅰ母、Ⅱ母)與浙江電網相聯：秦塘2P59 線與海塘變聯絡，秦躍2428 線與躍新變聯絡，秦立2424 線與立峰變聯絡。秦塘 2P59線、秦躍 2428線接于Ⅰ母，秦立 2424 線接于Ⅱ母，兩條220 kV母線的聯絡開關保持斷開。秦山核電廠220 kV系統配置情況見圖1。

圖1 秦山核電廠220 kV系統一次主接線圖Fig.1 Main wiring of the 220 kV system of the primary circuit of Qinshan nuclear power plant

1.2 廠內交流電源

除廠外交流電源和秦山一期350 MW發電機組自身的供電能力外，秦山一期廠內交流電源共配置3臺安全級的應急柴油發電機(EDG)，可在電廠發生失去廠外交流電源且發電機失效的事故工況下，分別通過A、B通道向廠內安全級的6 kV安全母線供電。其中，1號和3號EDG分別對應6 kV安全Ⅰ段和安全Ⅱ段母線。2號EDG可根據工況，通過切換柴油發電機出口開關，替換不可用的1號或3號EDG，向6 kV安全Ⅰ段或安全Ⅱ段供電。

此外，在福島事故發生后，為應對假想的極限事故，秦山一期還新增了非安全級的輔助交流柴油發電機(AAC)，可在事故工況下代替EDG向6 kV安全母線供電。并新增了數臺柴油機驅動的6 kV和380 V電壓等級的中、低壓移動電源車，必要時可向對應母線供電。

1.3 技術規格書及管理程序對交流電源配置的規定

相對火電廠，為確保核安全，核電機組對電廠交流電源的配置及可運行性的要求非常嚴格。秦山一期技術規格書規定的運行限制條件，以及反應堆啟動相關管理程序對電廠交流電源的配置及可運行性規定如下：

1)功率運行期間，在廠外輸電網(即浙江電網)與廠內1E級配電系統(即6 kV安全母線)之間有兩條相互獨立的線路(即220 kV Ⅰ母、Ⅱ母)。

2)發生廠外交流電源喪失故障時，如24 h內不能恢復至少一路獨立廠外電源(或72 h內不能恢復二路獨立廠外電源)運行，需在6 h內后撤至中間停堆A階段(即技術規格書中規定的4A模式，此時冷卻劑系統溫度應維持在280～180 ℃，壓力維持在15.2～2.94 MPa)，并在隨后的30 h內后撤至冷停堆模式。

3)在不具備兩條獨立廠外電源時，不能進行反應堆臨界和機組并網操作。

此外，根據電廠核應急相關管理程序，發生失去廠外交流電源事故后，需根據故障情況判斷應急狀態等級，及時采取相應行動。若廠外交流電源較長時間內不能恢復，須根據恢復時間提升應急響應等級，最高可至廠外應急。

2 發生全網停電故障后的初始響應

浙江電網一旦發生全網停電事故，秦山一期三條220 kV輸電線路將全部跳閘，保護裝置隨之動作，電廠將甩去全部外部負荷進入孤島運行狀態(發電機組與外電網脫開連接，僅帶電廠自身負荷運行)。如機組能維持孤島運行狀態，則反應堆及發電機組均保持運行，保障自身負荷，等待電網恢復。如因保護裝置動作失效或機組狀態控制等原因導致甩負荷失敗，或因外電源長期無法恢復而被迫進行模式后撤，發電機自動或被迫手動停機，反應堆將隨之停堆。

針對上述情況，在發生電網全部停電事故時，當班運行人員應立即根據實際工況選擇執行以下兩個步驟，以確保廠用電。

2.1 機組甩負荷到孤島運行狀態

1)立即執行電廠應對甩負荷事故的專門規程，并確認主變高壓側開關2001M已跳閘。若2001M開關未跳閘，則手動斷開之，使機組導向孤島運行模式。

2)密切聯系浙江省調，確認事故情況。

3)執行技術規格書運行限制條件要求，確認EDG可用。

4)維持機組在孤島運行狀態，此時應注意盡量減少設備啟停引起的負荷波動。

若外電源長時間無法恢復，根據技術規格書要求，反應堆需在規定時限內后撤至4A模式，直至冷停堆模式。如確定需執行后撤模式操作，則執行以下步驟：

1)手動啟動A、B通道的兩臺EDG，切除6 kV安全段母線上不必要的負荷后，將6 kV安全段母線由發電機組供電改為由EDG供電。

2)手動將380 V保安段電源切至由380 V安全段供電，確保二回路直流及汽輪機潤滑油相關設備供電正常，確保汽輪機停機安全。

3)停止不必要的電廠負荷后，執行手動停堆操作。

4)停堆后，機組聯鎖停機，主泵失電停運，且廠內除6 kV安全段由EDG供電外均失電。立即執行電廠停堆響應等事故處理規程，并進行機組的降模式操作。

5)等待浙江省調指示，執行后續黑啟動相關步驟。

2.2 機組甩負荷失敗

1)機組甩負荷失敗后，發電機停機，反應堆聯鎖停堆，立即執行事故處理規程穩定電狀態。

2)此時電廠交流電源僅剩余后備交流電源EDG或AAC，應及時確認EDG自動啟動向安全段供電正常，否則手動啟動EDG或AAC向安全段供電。

3)執行技術規格書相關要求，將機組后撤至相應模式。

4)密切聯系浙江省調，確認事故情況，并根據省調指令，執行后續黑啟動相關步驟。

3 黑啟動準備階段工作步驟及注意事項

3.1 工作步驟

浙江電網調度判明已發生大面積停電及停電范圍，開始啟動黑啟動流程后，電廠根據調度指令，執行以下黑啟動準備階段工作步驟：

1)確保6 kV安全段母線由EDG或AAC供電正常。

2)確認380 V安全段由6 kV安全段母線供電正常。

3)確認一回路220 V直流系統、24 V直流系統由對應安全電源供電正常。

4)確認二回路220 V直流系統由380 V保安段供電正常。

5)根據省調指令，將電廠黑啟動路徑上的秦塘2P59、秦立2424、秦躍2428等相應線路開關和閘刀置于相應狀態。

6)若執行過程中，發生EDG或AAC跳閘，導致6 kV安全電源失去，造成全廠失電，則立即申請使用中、低壓移動電源車，向6 kV AAC段、380 V安全段供電。

3.2 注意事項

1)發生電網全部停電時，電廠應根據省調指令，保留部分開關、閘刀在合閘位置，使其不需要操作即可受電。

2)事故處理期間，當班值應加強對直流系統的監視和維護，切除不必要的直流負荷，盡量延長直流電源的供電時間，保證電力通信、自動化、繼電保護、安全自動裝置和控制操作等基本負荷的供電。

3)孤島運行期間，必須嚴密監視220 kV母線電壓、頻率，頻率控制在(50±0.2)Hz以內，電壓控制在225～235 kV。出現異常時應依據浙江省電力系統調度控制管理規程及時處理。

4)孤島運行期間，原則上不考慮孤島運行對汽輪機的損害，以技術規格書允許的最長時間維持孤島運行。

4 廠外交流電源恢復路徑及實現黑啟動流程

4.1 廠外交流電源恢復路徑

浙江天荒坪抽水蓄能電廠4 號機組是秦山核電廠所處系統內，經驗證并經主管單位確認具備黑啟動能力的機組。根據《華東電力系統黑啟動方案(2019年版)》和華東電網主網黑啟動恢復路徑圖(見圖2)，秦山核電廠的廠外電源共有兩路恢復路徑，分別如下：

1)天荒坪4號機經500 kV Ⅰ段母線、天瓶5405線至瓶窯500 kV Ⅰ段母線，再經瓶王5431 線至王店500 kV Ⅱ段母線(帶王店2號主變及其2組低抗)，然后由王店2號主變送220 kV母線至躍新變，再經秦躍2428線送至秦山一期。

2)天荒坪4號機經500 kV Ⅰ段母線、天瓶5405 線至瓶窯500 kV Ⅰ段母線，經瓶王5431 線，再經王由5442線至由拳500 kV Ⅱ段母線(帶由拳3號主變)，經拳雙4R30線至雙山變(帶主變)，再經雙立2405線至立峰變(帶主變)，再經秦立2424線送至秦山一期。

4.2 廠外交流電源恢復步驟

浙江電網利用天荒坪電廠4號機組執行黑啟動后，電廠恢復廠外電流程如下：

1)浙江省調確認王店220 kV、躍新、秦山核電廠、由拳220 kV、雙山、立峰等線路及各相關發電廠、電站相關開關狀態負荷要求。

2)天荒坪柴油發電機已啟動，4號機為備用狀態，具備零負荷啟動升壓的條件。

3)天荒坪用4 號機對局域電網進行零負荷啟動升壓。

4)天荒坪4 號機出力達到250 MW 以上，且上述發電廠、電站構成的小系統頻率及各點電壓均合格后，浙江省調許可秦山一期恢復部分必要的負荷。

4.3 秦山一期實現黑啟動步驟

在黑啟動恢復階段，結合秦山一期事故規程體系，可根據實際工況采取以下恢復步驟：

(1)孤島運行狀態下的黑啟動步驟

1)秦躍2428、秦塘2P59、秦立2424等三條220 kV線路，任一線路具備恢復條件時，經浙江省調許可后及時恢復運行。

2)220 kVⅠ母和220 kV Ⅱ母均恢復運行，滿足技術規格書對于交流電源的配置要求后，經浙江省調許可，可進行汽輪發電機組經主變高壓側開關2001M同電網并網操作。并網后應嚴密監視發電機及220 kV母線電壓、頻率等重要參數，控制機組狀態，防止由于系統不穩造成發電機跳閘或反應堆停堆，出現二次事故。

3)經省調許可，機組逐步進行升負荷，增加所在電力系統內的電源處理，幫助系統內的負荷逐級恢復。

(2)停機停堆狀態下的黑啟動步驟

如機組已停機停堆，則按以下步驟恢復220 kV廠外電源，并逐級將廠內電源恢復由廠外電源供電，實現機組啟動：

1)具備恢復一條220 kV廠外線路條件時，經省調許可，經220 kV Ⅰ母將高壓廠變由冷備用改充電狀態。

2)通過高壓廠變逐級恢復廠內負荷至正常供電，使得廠內重要負荷可以根據需要啟動運行，如主泵、主給水泵、凝泵、凝升泵、工業水泵等。

3)將6 kV安全段母線由EDG或AAC供電恢復至正常供電。

4)具備恢復另一條220 kV廠外線路條件時，經省調許可恢復至220 kV Ⅱ母運行。

5)核實已滿足技術規格書要求確認機組已滿足啟動條件，進行機組升模式至熱停堆。

6)經批準后，進行反應堆達臨界操作。

7)執行汽輪機沖轉。

8)經省調許可，執行發電機并網及升負荷操作。

5 結束語

秦山一期自1991年投運以來，僅進行過甩負荷帶廠用電運行和短時間失去全部廠外電源的調試試驗，未經歷過外部電力長時間全部喪失后進行黑啟動的驗證，缺少相關經驗。電廠現有的規程體系也沒有針對此工況的明確指導。因此應加強對運行人員對相關技術資料和經驗反饋的培訓，利用全范圍模擬機等技術手段，模擬事故場景，加強突發瞬態下機組狀態控制的練習，掌握電廠黑啟動的操作要點，以便故障真實發生時能更從容地應對。