核電站失去廠外交流電源后二回路重要系統的狀態控制研究

高 賡 王聲學

核電站失去廠外交流電源后二回路重要系統的狀態控制研究

高 賡 王聲學

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000）

失去廠外交流電源屬于核電機組設計中的預期運行事件，在進行事故處理時，明確操縱員的關注點將對機組向安全穩定狀態過渡起到積極作用。本文以田灣核電站二期工程為例，針對該事故工況下二回路相關的蒸汽發生器供水及汽輪發電機安全停運等重要關注點進行研究，通過分析系統在自動動作和操縱員手動干預過程中可能出現的問題，給出解決辦法，以提高瞬態工況下的人員響應能力，保證系統設備安全。

廠外交流電源；失電；二回路；事故工況；發電機

0 引言

田灣核電站二期工程采用俄羅斯第二代壓水冷卻慢化反應堆型核電機組，考慮安全方面的重要性，廠用電源設計采用多電源冗余配置方式，廠外電源包括500kV側主電源和220kV側備用電源。廠內廠用電系統設計有正常運行供電系統、正常運行可靠供電系統和應急供電系統。此外，為保證供電可靠性，還設計有兩臺柴油發電機組和四臺應急柴油發電機組作為廠內電源備用，在正常運行可靠供電系統和應急供電系統失電的情況下投入運行，以實現下游重要負荷的連續供電[1]。廠用電系統供電簡圖如圖1所示。

圖1 廠用電系統供電簡圖

核電廠中存在各種安全風險[2-5]，可能會導致二回路兩路廠外交流電源同時失去，從而對機組的安全系數產生較大影響。主給水泵的停運會使蒸汽發生器失去正常供水，此時應如何干預；失去廠外交流電源后常規島開式冷卻水系統、閉式冷卻水系統的停運會導致油系統失去冷卻水的供給，在油系統無法長久維持正常運行工況時，應采取哪些措施保證汽輪發電機的安全；在失電后系統參數和工況發生巨大變化的情況下，如何有效解決上述問題對運行人員控制機組狀態的水平提出挑戰。

近年來，核電站因各種原因失去廠外交流電源的故障時有發生，如2009年田灣核電一期工程1號機組因主變故障導致500kV主電源失去，由于此時220kV備用電源處于檢修狀態，導致機組失去所有廠外交流電源；2011年田灣核電一期工程1號機組大修主變檢修期間500kV主電源處于停運狀態，220kV備用電源投入期間因線路距離保護動作而停運，導致機組失去所有廠外交流電源。因此，研究失去廠外交流電源對相關重要負荷的影響及如何采取合理有效的控制措施減小這些影響具有重要意義。

1 失去廠外交流電源后對相關重要負荷的影響

當核電站失去廠外交流電源時，柴油發電機和應急柴油發電機根據事故信號自動起動，分別向正常運行可靠供電系統和應急供電系統供電，保證核電站第一類和第二類負荷的運行[6]。但是，對于正常運行供電系統而言，無廠內電源保證其連續運行，這意味著由其供電的重要負荷會停止運行。核電站重要負荷失電后的影響分析如圖2所示。

結合圖2及電站實際情況分析如下：

1）一回路主冷卻劑泵停運后，針對如何靠蒸汽發生器的大氣釋放閥建立并維持一回路自然循環，在事故規程中已有明確的指導步驟。

2）凝結水泵停運后，旁排閉鎖，二回路汽水循環停止，但只要保證應急補水系統向除氧器正常補水，就可以依靠大氣釋放閥將機組轉換至熱態并保持，直到重新恢復供電。田灣核電二期工程除氧器空間大，有較大控制裕度，給予操縱員的干預時間較充裕。

3）循環水泵及真空泵停運，將導致凝汽器真空下降。操縱員需關注疏水的切換，以及軸封蒸汽的及時停運，此類操作在二回路系統停運操作單及失電后的事故規程中均已做出明確指導。

圖2 核電站重要負荷失電后的影響分析

4）主給水泵停運后如何保證蒸汽發生器的供水，關系著一回路熱量如何可靠地通過二回路導出；如何保證油系統在失去冷源后可靠運行，關系著汽輪發電機的安全運行。上述問題需要操縱員在失去廠外交流電源工況下立即給予重點關注，但未在事故規程中給出明確干預手段，需要進一步研究。

2 失去廠外交流電源工況下二回路重要系統的狀態控制

2.1 蒸汽發生器供水控制

對于核電站而言，任何情況下堆芯熱量的導出都被認為是首要任務。蒸汽發生器作為冷源，保證其正常給水尤為重要。失去廠外交流電源后，由于主給水泵全部失去，此時蒸汽發生器的給水由輔助給水系統保證，輔助給水泵根據柴油機分級帶載命令自動起動，但必須密切關注其運行狀況。在該事故工況下，往往需要操縱員手動干預才能保證輔助給水泵向蒸汽發生器供水的有效性。

在反應堆停堆后，由于堆芯燃料存在衰變熱，停堆后的衰變熱與反應堆停堆前運行功率及停堆時間相關。最終的安全分析報告中給出了事故分析時采用的衰變熱曲線。根據停堆后所需給水流量曲線，按照每臺蒸汽發生器75m3的蓄水量估算，約1 500s（25min）蒸汽發生器液位將從2.4m下降至1.5m。停堆后給水流量曲線如圖3所示。

在發生失去廠外交流電源事故后，輔助給水泵根據機組柴油機分級帶載信號起動后，操縱員應對系統動作情況及相關參數進行重點關注，在25min內確保輔助給水泵能向蒸汽發生器正常供水，避免蒸汽發生器應急補水系統動作。失去廠外交流電源后蒸汽發生器供水流程如圖4所示。

圖3 停堆后給水流量曲線

圖4 失去廠外交流電源后蒸汽發生器供水流程

為了能對可能出現的任意問題給出正確的干預手段，以保證失電后蒸汽發生器供水的快速有效恢復，編制蒸汽發生器供水控制診斷流程，給予操縱員明確指導。恢復蒸汽發生器給水供給流程如圖5所示。

結合供水診斷流程，編制以下操作步驟指導操縱員恢復蒸汽發生器的給水供給：

1）檢查輔助給水泵起動后沿再循環運行，出口大流量電動閥根據邏輯保護關閉，檢查其正確關閉。

2）根據出口電動閥控制邏輯，當輔助給水泵出口集管壓力小于6MPa時，自動關閉出口小流量電動閥后，大流量電動閥旁路閥門自動打開，開始給高加后的主給水集管充壓；檢查再循環閥門根據泵出口流量自動關小。

3）切除蒸汽發生器主輔給水調節閥切換邏輯塊，關閉主給水調節閥及輔助給水調節閥。

4）若打開大流量電動閥旁路閥門不足以建立給水集管壓力，則手動切除泵出口閥門控制邏輯塊，手動打開出口小流量電動閥向集管充壓。需要注意的是，控制邏輯塊切除，再循環閥門不會根據流量增大而自動關小，注意同步關小再循環閥門，防止泵出現過載現象。

圖5 恢復蒸汽發生器的給水供給流程

5）給水集管壓力已建立，根據各蒸汽發生器液位，開啟輔助給水調閥開度，調整蒸汽發生器液位。

2.2 汽輪機潤滑油系統狀態控制

1）可能出現的問題

機組失去廠外交流電源后，汽輪機保護停機主汽門關閉，汽輪機轉速會突升后再下降，主油泵出力隨汽輪機轉速有小幅上漲后開始下降，同理潤滑油壓力也隨主油泵的出力而變化。由于二回路設備冷卻水系統的失去，導致潤滑油系統失去冷卻水，油溫快速升高會加快油壓下降速度。潤滑油溫的大幅上升及潤滑油壓的大幅下降帶來的影響是軸承回油溫度和軸承金屬溫度大幅上升。

2）控制措施及干預方法

潤滑油系統的熱量來源主要是軸承中油膜與軸頸的摩擦功耗，降低這一部分熱量可以通過降低汽輪機轉速、減少摩擦生熱來實現；另外，重新建立潤滑油壓如重新起動盤車油泵、起動頂軸油泵，通過增加油膜厚度減少油膜溫度的方式，也可有效降低潤滑油系統的溫度[7-8]。

利用機組失去廠外交流電源試驗參數進行研究驗證：失電后常規島閉式冷卻水系統停運，隨著轉速下降潤滑油溫會快速上升，直到柴油機分級帶載后起動盤車油泵，油壓升高會使油膜厚度增大，潤滑油溫會小幅下降，后續會緩慢上升，但上升幅度變小。汽輪機轉速下降到600r/min、頂軸油泵起動后，潤滑油溫仍在上升，但上升幅度比之前更加緩慢。汽輪機各軸承回油溫度及金屬溫度也是在盤車油泵起動后下降，在頂軸油泵起動后下降幅度會變得更大。

由此可見，在失去廠外交流電源的情況下，操縱員必須關注柴油機起動后的分級帶載情況，以保證盤車油泵和頂軸油泵正常運行。若油泵未根據帶載信號自動起動，則需盡快手動起動，若盤車油泵因母線未恢復供電或其他原因而起動不成功，則應保證兩臺頂軸油泵中的一臺可用。

2.3 發電機密封油系統狀態控制

1）油氫壓差的控制

（1）可能出現的問題

在失去廠外交流電源后，由于密封油系統空側和氫側交流油泵失電停運，油氫壓差迅速下降，雖然隨后空側油泵會根據柴油機分級帶載信號起動，但是由于常規島閉式冷卻水系統停運，密封油系統失去冷卻水，油溫上升、油的黏性逐漸降低，油氫壓差會逐漸降低，極有可能導致油氫壓差低于設計要求的發電機在額定氫壓下的最小油氫壓差20kPa。機組失去廠外交流電源后相關試驗數據見表1。

（2）控制措施及干預方法

當失電導致系統冷卻水喪失時，油溫上升導致油的黏性下降，對油壓造成顯著影響。此時，操縱員應從以下兩方面進行響應：檢查備用油源是否正常投入；保證空側交直流油泵同時運行。這樣就可以使油氫壓差緩慢變化并最終維持在一個穩定值。對于空側直流油泵的切除要謹慎，在供電恢復之前不建議切除，防止造成油氫壓差持續降低至20kPa，導致發電機存在氫氣泄漏風險而需要進行應急排氫。

表1 機組失去廠外交流電源后相關試驗數據

2）避免消泡箱出現高液位報警的控制

（1）可能出現的問題

失去廠外交流電源后，柴油機分級帶載會先后起動空側和氫側油泵，氫側交流油泵起動后，隨著氫側密封油壓力提高，在空側交直流油泵同時運行的情況下，空側油壓開始仍高于氫側油壓，空側油部分流向氫側油系統，再加上氫側油系統的回油就會造成氫側回油排不及，導致消泡箱液位逐漸上升，觸發消泡箱高油位報警。

操縱員可通過手動切除空側直流油泵、降低空側密封油壓的方式來消除消泡箱高油位報警，但這會帶來的問題是：空側直流油泵停運又會導致油氫壓差快速下降至出現油氫壓差低報警，直流油泵再次自動起動，又會導致氫側有回油不暢的風險。

（2）控制措施及干預方法

為保持油氫壓差，在做好發電機降壓準備之前，應保持空側交直流油泵同時運行，可通過兩個控制措施解決該問題：可在氫側交流油泵起動后，通過手動關小氫側油泵出口再循環閥門以提高氫側油壓；或通過手動開大空側油氫壓差調節閥來降低空側油壓。這些操作需要操縱員指揮現場人員就地進行，且需精細操作，不能大幅改變空側和氫側油壓差，因為由于系統冷卻水失去，油溫仍在逐漸上漲，因此空側密封油的壓力仍在逐漸降低，并且空側油的壓力變化比氫側更明顯，空側油壓力會逐漸降低至低于氫側密封油壓力，氫側回油后續會恢復正常；在氫側交流油泵根據分級帶載信號起動后將其手動切除，只保留空側交直流油泵運行，密封油系統由雙環密封改為單環密封，只有空側油泵運行，氫側回油只有空側的部分漏油，氫側排油能力可以滿足要求。但需注意的是，空側油系統單獨運行，在事故情況下油溫無法得到控制時，油氫壓差的下降速度可能比空、氫側油泵同時運行時要快，需重點關注并做好發電機降壓準備。

3 結論

失去廠外交流電源對二回路意味著大部分設備停止運行，如何較好地控制機組狀態，需要運行人員做出及時有效的響應。本文針對上述問題進行了研究，并在田灣核電站二期工程進行了應用，結合研究及應用情況，得到如下結論：

1）對于如何恢復蒸汽發生器的供水，根據2.1節的診斷流程和操作步驟進行控制監督，可為操縱員提供較好的指導作用。

2）汽輪機惰轉期間保證盤車油泵和頂軸油泵的可靠運行，可有效控制并降低軸承的回油溫度及金屬溫度，對汽輪機的安全停運有積極作用。

3）為維持油氫壓差，防止發電機內氫氣泄漏，在失電期間需保持備用油源正常投入及空側交直流油泵同時運行；同時，為了防止氫側密封油系統消泡箱出現高油位報警，需通過手動調整空、氫側油壓差或停運氫側油泵的方式來進行控制。

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Study on the state control of important system in secondary circuit of nuclear power station after loss of off-site AC power supply

GAO Geng WANG Shengxue

(Jiangsu Nuclear Power Corporation, Lianyungang, Jiangsu 222000)

The loss of off-site AC power supply is an expected operation event in the design of nuclear power units. It plays a positive role in the transition of the unit to a safe and stable state when the operator’s concerns are clearly defined during the accident handling. Taking Tianwan nuclear power station phase II project as an example, this paper discusses and studies the important concerns related to the steam generator water supply and the safety outage of the turbine generator in the secondary circuit under accident condition. Through the analysis on possible problems of the system during the process of automatic action and operator manual intervention, solution are put forward to improve personnel response ability under transient conditions and ensure the safety of the system equipment.

off-site AC power supply; loss of power; secondary circuit; accident conditions; generator

2023-08-10

2023-09-04

高 賡（1985—），男，江蘇省連云港市人，本科，高級工程師，主要從事核電站運行工作。